Potencjał magazynowania ciepła akumulatorów PCM w miejskim systemie ciepłowniczym w układzie rozproszonym

W artykule przedstawiono potencjał magazynowania ciepła akumulatorów PCM w miejskim systemie ciepłowniczym w układzie rozproszonym. Wyróżniono teoretyczny i techniczny potencjał magazynowania ciepła.

Jednym z działań dotyczących poprawy efektywności energetycznej systemów ciepłowniczych jest obniżanie parametrów pracy sieci ciepłowniczych. Czyni to szczególnie interesującą problematykę związaną z przyjęciem do sieci nowych postaci ciepła, pochodzących m.in. z odnawialnych źródeł energii lub ciepła odpadowego.

Tendencja rozwoju systemów ciepłowniczych w tym kierunku jest widoczna choćby za pośrednictwem działań NCBiR takich jak „Ciepłownia Przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE”.

Przyjmowanie ciepła do sieci ciepłowniczej z rozproszonych źródeł niskotemperaturowych może prowadzić do znacznego rozregulowania systemu. W celu ograniczenia szczytowego zapotrzebowania na ciepło, zwiększenia sprawności systemu ciepłowniczego poprzez ograniczenie krótkotrwałych wahań temperatury oraz ustabilizowania zapotrzebowania na ciepło stosuje się różne metody magazynowania ciepła.

Wiele dotychczas przeprowadzonych badań koncentrowało się na alternatywnym magazynowaniu ciepła, np. w stawach, skałach czy glebie. Wyniki tych badań wykazały, że obecnie takie projekty nie są opłacalne w ujęciu systemów ciepłowniczych z uwagi na nieadekwatne oszczędności w stosunku do inwestycji oraz znacznie odbiegające parametry pracy. Magazyny ciepła, które można wykorzystać w systemach ciepłowniczych dzielone są ze względu na sposób magazynowania ciepła: jawny lub utajony. Do magazynowania ciepła wykorzystuje się pojemność cieplną ciał stałych i cieczy, ciepło przemian fazowych oraz ciepło przemian chemicznych.
Obecnie w systemach ciepłowniczych wykorzystuje się wodny zasobnik ciepła magazynujący nadwyżki ciepła w postaci gorącej wody sieciowej. Stosowanym układem magazynowania ciepła jest układ centralny. Oznacza to w większości przypadków zastosowanie jednego, dużego, wodnego zbiornika stratyfikacyjnego zlokalizowanego w źródle systemu ciepłowniczego. Pozostałe rozwiązania są często jedynie teoretyczne. Nieliczne oczekują na badania laboratoryjne oraz inwestycje pilotaże.

Różnorodność systemów budowlano-instalacyjnych oraz struktur przedsiębiorstw energetycznych i ciepłowniczych utrudnia znalezienie standardowych rozwiązań dla systemów akumulacji ciepła, dlatego obecnie brak jest ujednoliconych rozwiązań i wytycznych dotyczących magazynowania ciepła w systemach ciepłowniczych.
Biorąc pod uwagę przyjmowanie do sieci ciepła niskotemperaturowego z rozproszonych źródeł energii, oprócz wykorzystania centralnych, wodnych magazynów ciepła, proponuje się dodatkowe wykorzystanie rozproszonego układu magazynowania ciepła. Ponadto, wyraźna jest rozbieżność pomiędzy energią ze źródeł odnawialnych, zapotrzebowaniem na ciepło oraz zużyciem ciepła przez użytkowników końcowych.

Biorąc pod uwagę powyższe oraz niestabilną w czasie dostępność energii ze źródeł odnawialnych lub ciepła odpadowego proponuje się wykorzystanie akumulatorów ciepła PCM, które umożliwiają przechowywanie ciepła w okresach dłuższych niż magazyny wodne.

W akumulatorach ciepła PCM, dzięki wykorzystaniu ciepła utajonego przemiany fazowej, możliwe jest magazynowanie znacznie większych ilości ciepła w jednostce objętości. Przemiana fazowa następuje podczas zmiany stanu skupienia / fazy PCM. Najczęściej występującą przemianą fazową w magazynowaniu ciepła jest przejście fazowe ciało stałe-ciecz.

Pełna treść artykułu

dr hab. inż. Michał Turski
Politechnika Częstochowska

Źródło: Rynek Energii Nr 6/2021