Dalszy wzrost mocy źródeł OZE – zarówno wiatrowych, jak i fotowoltaicznych – tworzy potrzebę magazynowania nadwyżek energii w systemie energetycznym, zazwyczaj tej niezbilansowanej, najtańszej. W przypadku źródeł prosumenckich magazyny energii są krokiem w stronę konsumpcji energii w miejscu jej wytworzenia, co za tym idzie, następuje przesunięcie zużycia w czasie na okres jej największego zapotrzebowania. W takim przypadku stajemy przed wyborem sposobu magazynowania energii i formy nośnika energii – akumulatory energii elektrycznej, ciepła, wodoru, sprężonego powietrza, ciśnienia słupa wody itd.
Analizując strukturę zużycia energii w gospodarstwie domowym, na podstawie danych GUS, stwierdzono że zużycie ciepła jest znacznie większe niż energii elektrycznej. Jak podaje GUS największy udział w zużyciu energii w gospodarstwie domowym w 2019 roku miało ogrzewanie pomieszczeń 63,2%, kolejno plasowały się ogrzewanie wody 17,3%, oświetlenia i urządzenia elektryczne 10,6% oraz gotowanie posiłków 8,9%[1].
Kolejnym aspektem jest koszt magazynowania energii elektrycznej i ciepła. Jak pokazano na poniższym wykresie (źródło: Centrum Badawcze Komisji Europejskiej JRC ‘2019) koszty magazynowania energii elektrycznej są znacznie wyższe niż ciepła, jednym z powodów jest znacznie prostsza technologia akumulatorów cieplnych (wodnych, w zaizolowanych zasobnikach stalowych lub ziemnych– PiT) nad akumulatorami elektrycznymi. Wyjątkiem są magazyny używającego sprężonego powietrza – CAES, ale mają one ograniczone zastosowanie.
Rysunek 1. Nakłady inwestycyjne CAPEX [kEUR/MWh] magazynów energii elektrycznej i magazynów ciepła, źródło JRC, oprac. IEO
IEO, z wykorzystaniem symulacji TRNSYS, rozwija w szczególności technologie magazynów ziemnych PTES, które są niezbędne przy wprowadzaniu OZE do ciepłownictwa systemowego[2]. Ale, w szczególności wraz z rozwojem prosumentyzmu i wprowadzeniem dynamicznych taryf na energię elektryczną, coraz większego znaczenia nabierają małe magazyny ciepła. Wiele się mówi o innowacyjnych magazynach ciepła z przemianą fazową (tzw. materiały PCM). W tym zakresie IEO prowadzi prace rozwojowe w ramach projektu badawczego UE ComBioTES[3].
Istnieje jednak bardzo duże pole dla nowych, inteligentnych zastosowań, dla zasobnikowi i buforów ciepłej wody. Tu tkwi olbrzymi potencjał nowych aplikacji w nowoczesnych systemach energetycznych, ale też niewykorzystany potencjał polskiego przemysłu, w tym eksportu (silna strona polskich producentów magazynów ciepła).
W odpowiedzi na rosnące zapotrzebowanie na magazyny ciepła związane z rozwojem OZE, wsparciem funduszy ekologicznych dla magazynów ciepła stosowanych w domach mieszkalnych i przez prosumentów oraz wprowadzaniem taryf dynamicznych, w IEO opracowana została pierwsza w Polsce baza danych ok 1000 modeli magazynów ciepła dostępnych na krajowym rynku, które mogą mieć różne zastosowania.
Zastosowanie magazynów ciepła w domach mieszkalnych i budynkach
Magazyny ciepła mogą mieć wiele zastosowań w ciepłownictwie indywidulanym. Podstawową i najpopularniejszą rolą małych zasobników ciepła jest stabilizacja pracy kotła na paliwa stałe. Taki kocioł pracuje najefektywniej dla jego mocy nominalnej, jednak zapotrzebowanie na ciepło w gospodarstwie domowym jest zmienne w czasie. Kocioł bez magazynu ciepła pracuje z obniżoną sprawnością, co oznacza większe emisje i spalanie większej ilości paliwa stałego. Dzięki zastosowaniu magazynu ciepła kocioł pracuje stabilnie z najwyższą sprawnością. Często spotykanym rozwiązaniem jest także wykorzystanie ciepła z wielu źródeł (hybryd) np. kocioł na biomasę i kolektory słoneczne, czy kocioł gazowy oraz pompa ciepła. Dla poprawnego działania takich układów konieczne jest zastosowanie magazynu ciepła. Ciepło z dwóch źródeł, w tym jednego z OZE może być zmagazynowane w zasobniku ciepła zanim trafi do systemu ogrzewania. Pojedyncze OZE, takie jak kolektory słoneczne korzystają z zasobnika wodnego z wężownicą, ponieważ pracują one zazwyczaj na glikolu.
Zasobnik ciepłej wody jest standardowym wyposażeniem popularnych pomp ciepła typu „powietrze-woda”. Jednak korzystniejszym rozwiązaniem jest dopasowanie magazynu ciepła indywidulanie dla instalacji – jednym z rozwiązań może być dobranie wielkości zbiornika, tak aby pozwolił on na jak najszersze korzystanie z taniej energii OZE, wtedy gdy jest dostępna.
Nowe zastosowanie magazynów ciepła pojawia się w domach prosumentów posiadających instalacje fotowoltaiczną. Gospodarstwa domowe korzystały, jeszcze przed „epoką prosumentów” z taryf nocnych w celach elektro-ogrzewnictwa (tzw. piece akumulacyjne itp.). Tu rozwiązań dla magazynów ciepła może być wiele.
Po oczekiwanym wprowadzeniu taryf dynamicznych na energię elektryczną dla gospodarstw domowych, zastosowanie przez prosumentów zielonego elektro-ogrzewnictwa - green Power to Heat (gP2H) – stanie się jeszcze bardziej opłacalne. Mogą się bowiem sumować korzyści z taryfy nocnej i z niskiej ceny energii w szczytach jej produkcji dla paneli PV. W takim przypadku, dla prosumentów rozliczających się według modelu „net billing”, opłacalne staje się posiadanie np. magazynu energii elektrycznej, który oddawał by energię elektryczną do sieci w okresie wysokich cen energii elektrycznej (wieczór). Prostszym, zapewniającym wysoką autokonsumpcję energii i tańszym rozwiązaniem jest jednak akumulatora ciepła. Przy godzinowych „spreadach” cenowych korzystne jest przekształcanie własnej produkcji PV w ciepło w czasie największej produkcji energii elektrycznej, czyli w południe (obecnie jest to okres najniższych cen energii i stosunkowo niskiego zapotrzebowania na ciepła wodę). To dobra alternatywa dla sprzedaży własnej energii z PV do sieci po najniższej cenie w południe i kupowania po wysokich cenach wieczorem.
System "net metering" dla prosumentów (obecnie dominujący system rozliczeń) prowadzi z kolei do braku jakiejkolwiek zapłaty za energię elektryczną wprowadzaną przez prosumentów do sieci, więc ich celem jest zużycie jak największej ilości energii elektrycznej na miejscu, z tym że największe zapotrzebowanie na energię w domach prosumentów występuje wieczorem. Powody są inne niż w przypadku „net billing”, ale rozwiązanie może być identyczne - jednym z najlepszych rozwiązań jest magazynowanie nadwyżek energii w postaci ciepła na szczytowe zapotrzebowanie na ciepłą wodę wieczorem lub rano następnego dnia.
Dodatkowo mamy coraz częściej występujące problemy techniczne związane ze zbyt wysokim napięciem na lokalnym transformatorze pochodzącym z okolicznych instalacji PV. W rezultacie domowe systemy PV, w celu utrzymania bezpieczeństwa sieci, są wyłączane w godzinach największej produkcji energii. Odbiorcy, narażeni na ograniczenie produkcji energii w godzinach szczytu (tzw. „curtailment”), mogą wybrać magazyny ciepła z grzałką elektryczną, jako tanie rozwiązanie zmniejszające to ryzyko. W Polsce takie rozwiązanie - instalacja magazynów ciepła w ramach programu „Mój Prąd 4” jest wspierana przez państwo dotacjami w wysokości do 5000 zł oraz dodatkowo 3000 zł na jego integrację z HEMS (ang. Home Energy Menagement System). W innych krajach, najbardziej zaawansowanych we wprowadzaniu dynamicznych taryf dla konsumentów, prosumenci PV już trafiają na problem ekonomiczny - niskie ceny za zasilanie sieci w godzinach wysokiej generacji. Rozwiązanie w postaci magazynu ciepła TES (ang. Thermal Energy Storage) ma charakter uniwersalny.
Zazwyczaj pierwszy problem (curtailment) występuje, gdy lokalna sieć (niskiego napięcia) jest słabo rozwinięta, a prosumenci funkcjonują w systemie net-metering. Drugi problem pojawia się, gdy sieć jest odpowiednio przystosowana do odbioru energii słonecznej, ale zainstalowana jest duża moc PV (w stosunku do całkowitej mocy w kraju lub rejonie dystrybucji energii). W obu przypadkach TES może rozwiązać problemy, przynajmniej częściowo.
Ponieważ inteligentne liczniki są niezbędne do pełnego wprowadzenia systemu rozliczeń netto, prosumenci będą pierwszymi aktywnymi konsumentami, korzystającymi z dynamicznych taryf i synergii pomiędzy profilami cenowymi energii elektrycznej i profilami produkcji PV (Rysunek 2). To nowe zjawisko, które jest już w pełni widoczne w Polsce stworzy to nowe możliwości rynkowe (nowe modele biznesowe i nowe przypadki użycia) dla TES.
Przedstawione rozwiązania dla gospodarstw domowych można przeskalować na większą skalę dla ciepłowni osiedlowych i ciepłownictwa systemowego. W elektrociepłowniach często stosuje się magazyny ciepła, ze względu na przesunięcie krzywej zapotrzebowania na energie elektryczną oraz ciepło. Kogeneracja generuje ciepło także wtedy gdy nie ma na nie zapotrzebowania, co powoduje poprawę sprawności procesu wytwarzania energii elektrycznej i ciepła. Podobne analogie można zauważyć dla systemów z kolektorami słonecznymi (przesuniecie sezonowe profilu generacji i zapotrzebowania ciepło), gdzie dla większych systemów wykorzystuje sezonowe magazyny ciepła. Kolejnym przykładem może być integracja rynku energii elektrycznej i sektora ciepłownictwa, poprzez magazynowanie nadwyżek produkcji energii elektrycznej z OZE w cieple, zwiększa to możliwość bilansowania systemu elektroenergetycznego wykorzystując istniejącą infrastrukturę.
Na charakterystykę magazynu ciepła składa się wiele parametrów, których analiza jest niezbędna, aby dopasować go do potrzeb posiadanej instalacji grzewczej i stanu technicznego budynku (zespołu budynków), a także dokonać ekonomicznie uzasadnionego wyboru. IEO przygotował bazę danych[4], która zawiera zasobniki ciepła 40 producentów o objętości od kilkuset (zastosowania domowe) do kilku tysięcy litrów (zastosowania zbiorowe lub przemysłowe) i pojemności cieplnej do 3000 kWh. Zasobniki różnią się kształtem, wymiarami, liczbą wężownic, grubością izolacji, a także czynnikiem magazynującym i mogą nieść wiele, dotychczas nie odkrytych zastosowań.
[1] Efektywność wykorzystania energii w latach 2009 – 2019, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2021
[2] Więcej https://ieo.pl/pl/oze-w-cieplownictwie
[3] Więcej: https://ieo.pl/pl/aktualnosci/1585-rusza-projekt-ktorego-celem-jest-demonstracja-magazynu-ciepla-wspolpracujacego-z-oze-w-domu-jednorodzinnym
[4] Baza danych małych zasobników ciepła, IEO, Czerwiec 2022 https://sklepieo.pl/baza-danych-malych-zasobnikow-ciepla-czerwiec-2022.html
