Magazyn ciepła – innowacyjne rozwiązanie dla oszczędności energii. Jak działa i dlaczego warto w niego inwestować?

Magazyn ciepła jest urządzeniem które pozwala na akumulowanie energii cieplnej w momentach kiedy jej produkcja przewyższa aktualne zapotrzebowanie i uwalniana jest kiedy zapotrzebowanie wzrasta. Najczęstszym akumulatorem i najpowszechniej stosowanym jest woda.
Czym jest magazyn ciepła i jakie ma zastosowanie?
Co to jest magazyn ciepła bardzo pobieżnie zostało napisane we wstępie, jednak należy pamiętać, że samo zagadnienie magazynu ciepła jest znacznie szersze i mimo zasady, że odnosi się do akumulowania ciepła może mieć szerokie zastosowanie zarówno w kontekście gospodarstwa domowego jak również szerokorozumianego przemysłu.
Najczęściej kojarzonym i stosowanym magazynem ciepła jest wodny magazyn ciepła który służy do magazynowania nadwyżki wody powstałej w wyniku nagrzania przez np. pompę ciepła i zgromadzenie jej w buforze aby następnie wykorzystać ją w sytuacji kiedy ciepło tam zgromadzone będzie potrzebne.
Jak działa magazyn ciepła? Mechanizm i technologie
Nagrzana woda trafia do zbiornika buforowego z urządzenia grzewczego, jakim może być pompa ciepła, piec elektryczny czy każdy inny system wyposażony w system EMS służący do zarządzania procesem przygotowania gorącej wody. Wstępny proces polega na odebraniu energii cieplnej przez pompę z dolnego źródła ciepła (np. powietrza w przypadku zastosowania pompy ciepła). Tak podgrzany czynnik chłodniczy w pompie przekazywany jest na sprężarkę, która podnosi temperaturę i ciśnienie gazu co prowadzi w końcowym etapie do podgrzania nośnika ciepła jakim jest w tym przypadku woda.
Dzięki efektywności i elastyczności magazynów ciepła, możliwe jest ich zastosowanie w różnych systemach grzewczych. W przypadku pomp ciepła, magazyn ciepła pozwala na wykorzystanie energii zgromadzonej w ciągu dnia do zaspokojenia potrzeb grzewczych w godzinach szczytowych.
Aby magazyn ciepła był efektywny, należy uwzględnić kilka kluczowych elementów, które będą miały wpływ na jego prawidłowe funkcjonowanie i odpowiednią efektywność. Na samym początku należy wybrać odpowiedni typ magazynu ciepła. Do najczęściej stosowanych rozwiązań należą:
wodny magazyn ciepła,
magazyn ciepła pcm,
gruntowy magazyn ciepła.
Zbiorniki wodne, ze względu na swoją uniwersalność, sprawdzają się w domowych instalacjach, a ich pojemność powinna być dopasowana do zapotrzebowania na ciepło oraz mocy zainstalowanych systemów grzewczych.
Następnie należy zwrócić uwagę na dobór kluczowych komponentów. Niezbędnym elementem magazynu ciepła jest zasobnik, który przechowuje wcześniej podgrzaną wodę. Można również wykorzystać grzałki elektryczne lub pompy ciepła, które będą podgrzewać wodę w zbiorniku. Bardzo ważnym elementem całego systemu jest automatyka, która pozwala na optymalizację i odpowiednie działanie całego systemu oraz umożliwia zdalne monitorowanie pracy systemu.
Zalety magazynowania ciepła – korzyści dla środowiska i ekonomii
Magazynowanie ciepła jest znaczącym reduktorem emisji CO2, pozwala na znacznie lepsze wykorzystanie odnawialnych źródeł energii oraz zmniejszenie zużycia energii z konwencjonalnych źródeł. Mówiąc krótko, dzięki możliwości magazynowania ciepła w sytuacji kiedy występuje jego nadwyżka mamy możliwość tak sterować procesem przygotowanie ciepłej wody np. z pompy ciepła, grzałki elektrycznej czy pieca elektrycznego kiedy dysponujemy darmową bądź też tańszą energią elektryczną.
Na tym konkretnym przykładzie możemy zobrazować działanie magazynu ciepła jako systemu zeroemisyjnego przy wykorzystaniu instalacji fotowoltaicznej jak źródła wytwórczego energię elektryczną, która to następnie zostanie zamieniona na gorącą wodę za pośrednictwem np. grzałki elektrycznej po to aby ją następnie zakumulować i wykorzystać gdy ciepło będzie potrzebne do na przykład ogrzania budynku czy ciepłej wody użytkowej. Pozwala to na taki proces sterowania popytem i podażą energii cieplnej aby zapewnić jak najtańszy i najczystszy dostęp do tego rodzaju energii.
Rodzaje magazynów ciepła – który wybrać?
Rodzaje magazynów ciepła może skategoryzować różnorako, ale najczęściej dzieli się je w zależności od:
a) od zakresu temperatury magazyny ciepła dzielimy na:
niskotemperaturowe (do 120°C),
średniotemperaturowe (120-500°C),
wysokotemperaturowe (powyżej 500°C).
b) od systemu magazynowania:
pasywne (opierają się na konwekcji stosowanej do cyrkulacji ciepła),
aktywne (wykorzystują pompy i wentylatory do cyrkulacji zmagazynowanego ciepła).
c) Od lokalizacji:
magazyn ciepła w gruncie
, wykorzystuje grunt, wodę, żwir, komory skalne,
zbiorniki wodne montowane na gruncie, w kotłowniach, pomieszczenia przystosowanych do montowania magazynów ciepła.
Energię cieplną można magazynować poprzez:
wykorzystanie ciepła właściwego,
energii przemian fazowych,
wykorzystanie ciepła przemian chemicznych.
Wykorzystanie ciepła właściwego polega na podwyższeniu temperatury czynnika akumulacyjnego, którym mogą być ciecze (woda, ciekłe woski, oleje, wybrane czynniki chłodnicze) lub ciała stałe (skały – marmur, piaskowce, piasek, pale fundamentowe [energetyczne], bloki betonowe).
Domowe magazyny energii bazują na wykorzystaniu wody jako czynnika akumulacyjnego. Woda jest najlepszym ośrodkiem magazynującym ciepło w temperaturze poniżej 100°C. Przemawia za tym jej niski koszt, łatwa dostępność oraz wysokie ciepło właściwe. Woda stanowi dobry bardzo przewodnik ciepła oraz można ją wprowadzić bezpośrednio do obiegu hydraulicznego źródła ciepła, elektrociepłowni czy sieci ciepłowniczej.
Magazyn ciepła w systemach grzewczych – praktyczne przykłady
Magazyn ciepła działa na zasadzie akumulacji energii cieplnej w momentach, gdy jej produkcja przewyższa bieżące zapotrzebowanie i uwalniania ją, gdy to zapotrzebowanie wzrasta. Magazyny ciepła są powszechnie stosowane między innymi w takich systemach grzewczych jak:
pompy ciepła,
piece elektryczne,
grzałki elektryczne,
wszelkiego rodzaju kotły (w tym coraz popularniejsze kotły zgazowujące drewno).
Ważne jest system grzewczy był wyposażony w inteligentny system zarządzania zgromadzonym ciepłem i dystrybuowaniem go w odpowiednim momencie – w momencie gdy ciepło to jest potrzebne do ogrzewania pomieszczeń lub ciepłej wody użytkowej.
Wpływ magazynów ciepła na efektywność energetyczną budynków
Magazyn ciepła ma bardzo wyraźny wypływ na efektywność energetyczną budynków, znacznie ją podnosząc co w konsekwencji przekłada się na zmniejszone zapotrzebowanie na energię. Należy pamiętać, że im mniejsze zapotrzebowanie na energię elektryczną tym mniejsze koszty związane z ogrzewaniem budynku i wodą użytkową.
Magazynowanie ciepła a odnawialne źródła energii
Nierozerwalnym elementem magazynowania ciepła jest a raczej powinno być odnawialne źródło energii czy to w postaci instalacji fotowoltaicznej, turbiny wiatrowej bardzo często wspomaganej magazynem energii. Im taniej wyprodukujemy energię elektryczną, którą następnie zamienimy na ciepło tym finalne koszty związane z ogrzewaniem budynku czy ciepłej wody użytkowej będą niższe. Generalnie rzecz ujmując im taniej przygotowane ciepło w magazynie ciepła tym niższe koszty ogrzewania.
Elementem, który dodatkowo motywuje do połączenia magazynu ciepła ze źródłem OZE jest dofinansowanie w programie Mój Prąd 6.0 które umożliwia otrzymanie łącznie aż do 28 000,00 zł na instalację fotowoltaiczną, magazyn energii i magazyn ciepła.
Czy magazyn ciepła to rozwiązanie dla Twojej firmy czy domu?
O ile zasadność instalowania pompy ciepła zawsze należy rozpatrywać w kontekście charakterystyki energetycznej budynku i samej jego struktury o tyle zarówno magazyn ciepła jak i fotowoltaika są zawsze elementem pasującym i podnoszącym jakość funkcjonowania a także obniżają koszty wytworzenia i użytkowania energii.
Koszty instalacji i zwrot z inwestycji w magazyn ciepła
Koszty związane z magazynem ciepła są różne i zależą od bardzo wielu czynników takich jak wybrane źródło wytwarzające ciepło, pojemność magazynu ciepła oraz ewentualne połączenie wspomnianych elementów z dodatkowym źródłem OZE które będzie odpowiadało za zmniejszenie kosztów związanych z produkcją niezbędnej do funkcjonowania magazynu ciepła energią. Warto jednak pamiętać, że często tańsze elementy dostarczające energię do produkcji ciepła mogą w konsekwencji prowadzić do zwiększonego zapotrzebowania na energię np. elektryczną. Zestawiając ze sobą pompę ciepła i grzałkę elektryczną, ta druga będzie generowała kilkukrotnie większe zapotrzebowanie na energię.
Przyszłość magazynowania ciepła w kontekście transformacji energetycznej
Tak jak obecnie kładziony jest spory nacisk na magazynowanie wytwarzanej energii elektrycznej tak możemy przewidywać, że podobnie będzie wyglądała sytuacja magazynów ciepła w kontekście transformacji energetycznej. Na potwierdzenie tej tezy może mieć fakt, że przygotowane ciepło nie zawsze jest potrzebne do wykorzystania w danym momencie, podobnie jak z produkcją energii elektrycznej ze źródeł OZE.
Gromadzenie i wykorzystywanie energii cieplnej będzie więc nieodpartym elementem naszej infrastruktury energetycznej w najbliższych latach.