Badania i RozwójBufory grzewcze

Jaką pojemność powinny mieć bufory grzewcze w instalacjach solarnych?

W swoim artykule „Sens i Nonsens buforów solarnych” w SW&W 12/2012, Rolf Meissner, CEO w Ritter XL Solar, zdecydowanie opowiedział się za minimalizacją zbiorników buforowych w instalacjach solarnych, dowodząc, że z ekonomicznego i energetycznego punktu widzenia jest to korzystniejsze. Jako sensowne, określił on zbiorniki sezonowe dopiero od pojemności około 200.000 m³. Kierownik z firmy Solites, Dirk Mangfold skrytykował te opinie o zbiornikach sezonowych. Pilotażowa instalacja solarnej sieci cieplnej miałaby potwierdzać sprawność i efektywność. SW&W zaprosiło obu ekspertów na spotkanie w celu przedyskutowania tego tematu.

SWW_Rolf
dr Rolf Meissner

Od 20 lat pracuje w Grupie Ritter jako fizyk i konstruktor. Od roku 2012 jest Prezesem Zarządu Ritter XL Solar GmbH w Karlsbad – firmy, która projektuje i buduje wielkie instalacje solarne. Przy czym, chodzi tu o tzw. AquaSystem, to znaczy instalacje solarne z wysokowydajnymi kolektorami próżniowo-rurowymi CPC i czystą wodą jako medium ciepło-nośne.

SWW_Kirk
Dirk Mangold

Od roku 2005 jest kieruje Instytutem Solites w Stuttgart – instytut badawczy Fundacji Steinbeis. Solites oferuje doradztwo, badania i wdrożenie wielkich instalacji solarnych, sieci cieplnych, zbiorników sezonowych, wielofunkcyjnych zbiorników i koncepcji energetyki CO2-neutralnej. Mangod jest też Kierownikiem grupy badającej problematykę długoterminowych magazynów ciepła. Poza tym jest Członkiem Zarządu Niemieckiej Platformy Technologii Solarnych i wykładowcą na Uniwersytecie Stuttgart.

SW&W: Panie Meissner, raczej więcej kolektorów niż pojemności bufora? Czy to jest najlepsza droga do opłacalnego solarnego systemu ogrzewania?

Rolf Meissner: Tak. To kolektor zbiera energię i w ostatecznym rachunku zarabia pieniądze. Zbiornik jest rzeczywiście potrzebny, ale jednak kosztuje. Dlatego uważamy, że więcej uwagi należy poświęcić kolektorom. Technika magazynowania jest nie do zignorowania, to jasne. Tak jak z silnikiem i karoserią w samochodzie. Nie będzie użyteczny, jeśli zabraknie jednego z tych elementów.

SW&W: Przy małych zbiornikach zachodzi pytanie, jak można wykorzystać energię z kolektorów również w zimie?

Meissner: Nawet w przy pojemności 50-60 m3, jak to często jest w budynkach zaprojektowanych wg koncepcji Sonnenhaus, długoterminowe magazynowanie nie odgrywa wielkiej roli. Rzadko kiedy chodzi o magazynowanie dłużej niż przez tydzień. W gruncie rzeczy chodzi o przetrwanie chwilowej złej pogody. Można przedłużyć ogrzewanie do listopada. Ale to wszystko. Wiosną można uzyskać tyle, co nic. To samo dotyczy grudnia i stycznia. Tak więc, sezon niskich uzysków, pozostaje bez uzysków ciepła. Wg naszej opinii, całkowita korzyść z dużego zbiornika, kiedy porównamy ją z nakładami i uzyskami energii, jest nieproporcjonalnie mała.

SW&W: Panie Mangold, Pan pracuje nad dużymi zbiornikami ciepła. Czy duży zbiornik przynosi więcej korzyści, niż wiele małych?

Dirk Mangold: Tego nie da się tak prosto sformułować. Kiedy planujemy jakąś instalację solarną – zarówno małą, jak i dużą, bez różnicy, czy z dużym, czy małym udziałem Słońca w bilansie energetycznym, to bierze się pod uwagę wskaźnik Cena-Wydajność. Dla zbiorników sezonowych, z którymi w instalacji pilotażowej magazynujemy ciepło z lata do wiosny, wychodzi, że pojemność od 1000 m3 jest wyraźnie bardziej opłacalna niż wiele małych zbiorników – dzięki optymalizacji powierzchni kolektorów w stosunku do pojemności zbiornika. W opinii ekspertów, będziemy ich potrzebować po roku 2020, by móc zaspokoić zapotrzebowanie na energię cieplną. Ważne jest, by zbiorniki sezonowe budować już teraz, ponieważ rozwój techniki magazynowania trwa dość długo.

SW&W: Cel – 50% udziału Słońca w bilansie energetycznym nie zawsze jest osiągany w dotychczasowych projektach, chociaż przewidują zbiorniki sezonowe. W czym rzecz?

Mangold: Nie wszystkie projekty zakładały 50% udział, ale w zależności od wielkości i warunków mniejszy. Porównania należy robić zawsze w odniesieniu do celu, który przyjmowany był w symulacjach wstępnych. Okazało się jednak, że cel 50% słonecznego udziału mogliśmy osiągnąć – w Rostoku 2000, w Neckarsulm 2010.

SW&W: Panie Messner, czy w Państwa AquaSystemie 50% udział Słońca jest również celem? Czy może nie, skoro energia słoneczna po prostu jest bezpośrednio zużywana, wtedy, kiedy jest dostępna?

Meissner: Wielkość zbiornika w kontekście gospodarstwa domowego należy rozważać w powiązaniu ze zdolnością systemu do uzyskiwania wysokich temperatur i odporności na zjawisko stagnacji termicznej. Nowoczesna instalacja solarna potrafi na stanowisku badawczym dostarczać 500 – 700 kWh/m2 rocznie. Instalacje, o których mówił Dirk dostarczają oczywiście mniej, od 250 do 300 kWh/m2. Nasze instalacje do wspomagania ogrzewania dostarczają podobne ilości energii. Różnica polega na tym, że my więcej energii nie potrzebujemy i magazynować nie chcemy.

Przy dużych zbiornikach wiele ciepła jest tracone, nie przynosząc pożytku, bądź przez straty, bądź przez zbyt niską temperaturę w zasobniku. W końcowym wyniku, energetycznie wychodzi na to samo, ale koszty inwestycji są zupełnie inne. Możemy z użyciem 10 m2 kolektorów w pasywnym budynku o powierzchni 160 m2 przy sprzyjających warunkach pogodowych uzyskać co najmniej 50% udział energii słonecznej ze zbiornikiem 1000 litrów. Cała inwestycja jest ekonomicznie i gospodarczo jeszcze rozsądniejsza, kiedy rozważymy wykorzystanie szarej energii oraz wskaźniki amortyzacji energetycznej, nakładów pracy i ogólnych nakładów.

SW&W: Panie Mangold, czy wielkie zbiorniki pogarszają wskaźnik Cena-Wydajność?

Mangold: Im mniejszy jest udział w bilansie, który mógłbym pokryć energią słoneczną, tym większy jest jednostkowy uzysk kolektorów. Lecz nie bez znaczenia jest wielkość zapotrzebowania i technika wymiarowania pola kolektorów. To wszystko sprowadza się do pytania o efektywność. Pracujemy bez ograniczeń technologicznych. Czy można uzyskać 50% udział Słońca w rocznym zapotrzebowaniu na energię z małym zbiornikiem i dużym polem kolektorów, nie było przedmiotem badań projektów pilotażowych z sezonowymi zbiornikami ciepła. Jedynym kryterium był jak najniższy koszt osiągnięcia założonego udziału energii słonecznej w projektowanych i realizowanych systemach solarnych.

Meissner: Nie mam na myśli żadnych innych powierzchni kolektorów, niż te, które są w użyciu. Mówię, że: przy tej samej powierzchni kolektorów i znacznie mniejszym zbiorniku, ale z kolektorami o wysokiej wydajności i wodą, jako nośnikiem ciepła można uzyskać co najmniej taki sam stopień pokrycia energią słoneczną. To pokazują nasze doświadczenia z małymi instalacjami. Oczywiście, im mniejsza instalacja tym większą wagę ma problem zbiornika. Lecz dopiero przy wielkości co najmniej 100.000 m3, jak to się robi w Danii, można dojść do rzeczywiście korzystnych cenowo zbiorników sezonowych. W ich przypadku straty własne zbiornika są na tyle niewielkie, że można pominąć izolację.

Mangold: To jednak są dwa różne tematy: jedno, to domy jednorodzinne, drugie, to osiedla. Porównanie duńskich zbiorników sezonowych i naszych instalacji pilotażowych oceniam zupełnie inaczej. Pomiary, koszty budowy i inne fakty pokazują, że korzystniej jest zużyć kilowatogodzinę ze zbiornika w Monachium, o pojemności 5.700 m3, niż ze zbiornika 80.000m3 w Danii. Pytanie o wielkość samego zbiornika nie jest jedynym. Jest jeszcze pytanie o całkowitą efektywność. Dlatego sensownie jest włożyć trochę więcej pieniędzy w izolację zbiornika, by przyniósł więcej korzyści całemu systemowi.

„Albo system musi działać w nocy, by wytracić nadmiar ciepła albo być skazanym na straty ciepła samego zbiornika”

Meissner: 50% udział energii słonecznej w ogrzewaniu jest dzisiaj dostępny w nowym budownictwie z minimalnymi zbiornikami od 50 do 100 l/m2 kolektora bez problemu. Zbiorniki, o których mówiłeś osiągają wielkości od 300 do 500 litrów na m2 kolektora i więcej. Dobrą stroną tego jest ochrona przed stanem stagnacji termicznej. Wszędzie podejmowane są różne działania, ponieważ w lecie kolektory muszą wytracać energię. Albo działając nocami od maja do października, by wytracić ciepło ze zbiornika, albo są skazane na straty własne zbiornika. Gdyby systemy glikolowe stały się odporne na stan stagnacji, to automatycznie doszłoby do minimalizacji zbiorników.

Mangold: To trzeba zbadać w symulacji. W każdym razie, do tej pory jeszcze nie mogliśmy przedstawić 50% udziału energii słonecznej dla standardów, o których mówiłeś, tzn 50-100 l/m2 kolektorów. Także twierdzeniu, że dzisiejsza metodyka wymiarowania zbiorników wynika z problemów stagnacji, muszę zaprzeczyć. My prowadzimy symulacje wyłącznie pod kątem optymalizacji efektywności, by znaleźć najkorzystniejsze rozwiązanie dla inwestora. Co ciekawe, okazuje się, że korzystniejsze jest nie to rozwiązanie, przy którym kolektory długo są w stanie stagnacji, ale wcale lub przez niewiele godzin w roku. To jest pytanie o wielkość pola kolektorów i kosztów magazynowania ciepła. Im droższy jest zbiornik, tym bardziej opłacalne jest większe pole kolektorów, które mogłyby wejść w stan stagnacji.

SW&W: Chciałbym przejść do rynku. Ostatecznie obaj chcecie upowszechniać solarne systemy grzewcze do szerokiego stosowania. Panie Meissner, jak pomaga w tym wasza technologia z układami wypełnionymi wodą?

Meissner: Przede wszystkim: W Niemczech nie opłaca się montować kolektorów o wysokiej wydajności, ponieważ dotowana jest powierzchnia brutto. Nie opłaca się dobrze wykorzystywać powierzchni brutto, ponieważ faktycznie dofinansowana będzie wysokość przemnożona przez szerokość. Nie opłaca się również oszczędność na zbiorniku, ponieważ dotacja uzależniona jest od ustalonych minimalnych pojemności. Tak, szczególnie trudno jest w Niemczech dowieść efektywności takich rozwiązań jak AquaSystem. Praktycznie musimy bez dotacji lub z nieproporcjonalnie małymi dotacjami konkurować z systemami, które są zoptymalizowane dla tych kryteriów. Ekonomia zmienia się ale nie tylko przez cenę zakupu. Musimy pamiętać, że w budynkach wielorodzinnych zbiornik zajmuje cenną powierzchnię mieszkalną. Poza tym, powinniśmy brać pod uwagę „szarą” energię, która niezbędna jest do wyprodukowania elementów składowych, a więc amortyzacje energetyczną systemu. Droga z technologią o wysokiej wydajności i zbiornikami, które tylko tak duże są jak potrzeba, prowadzi do tańszych instalacji, ponieważ w praktyce prowadzi do niemal całkowitego wyeliminowania zbiornika. Energetyczna amortyzacja kolektora to mniej niż rok, a systemów ze zbiornikami poniżej 2 lat.

SW&W: Solarne sieci ciepłownicze to inny poziom inwestycji. Panie Mangold, dla kogo są one opłacalne?

Mangold: Na przykład dla miejskich dostawców energii cieplnej i elektrycznej, które przez najbliższe 30 lat chciałyby mieć przyszłościową technologię. Muszą one co prawda na początku ponieść wysokie koszty, ale za to przez cały okres eksploatacji będą wynagradzane niskimi kosztami eksploatacji. Otrzymują więc bezpieczeństwo inwestycyjne i uniezależniają się od wzrastających kosztów energii. Poza tym, z powodu przestawiania się na energie odnawialne, potrzebują pilnie wielkich magazynów energii cieplnej dla zaspokojenia szczytowego zapotrzebowania. Zainteresowanie różnymi rozwiązaniami magazynowania energii silnie wzrasta w branży energetycznej.

SW&W: Czy sukces będzie osiągnięty w oparciu o zbiorniki z wodą?

Mangold: To zależy od zastosowania. Chcąc magazynować ciepło sezonowo, trzeba zmierzyć się z trudnymi warunkami brzegowymi. Pojemność zbiornika będzie wykorzystana od jednego do dwóch razy w roku, przy tym powinien być bardzo korzystny cenowo. Długoterminowo będą więc stosowane dwa rodzaje mediów. Dla jednych zastosowań będzie to woda, która jest tania i ma dużą pojemność cieplną, a dla innych grunt. Dwie z czterech technologii, które rozwijamy wykorzystują grunt: sondy ziemne i warstwy wodonośne. Do zastosowań, w których pojemność zbiornika jest często wykorzystywana, a więc dzienne lub szczytowe zasobniki, służą zbiorniki oparte o przemiany fazowe lub termochemiczne.

SW&W: Panie Meissner, to samo pytanie inaczej sformułowane: czy wasza firma pracuje nad innymi koncepcjami zbiorników ciepła, czy skupiacie się nad minimalizacją ich pojemności?

Meissner: Poświęciłem całe swoje życie zawodowe zbiornikom. Doświadczenie mówi mi, że droga doskonalenia systemów solarnych przez doskonalenie zbiorników jest bardzo kamienista. Ekonomicznie nie satysfakcjonująca i często o bardzo skromnym końcowym wyniku. Ulepszanie kolektorów i systemu przeciwnie, pomogło nam milowymi krokami poprawić całą efektywność i opłacalność.

Wywiad przeprowadził Joachim Berner

Zakład

Uzyskać 50% udziału energii słonecznej na osiedlu domów nisko-energetycznych ze wskaźnikiem około 100litrów/m2 kolektora. Rolf Meissner jest przekonany, że można tego dokonać z AquaSystemem. Dirk Mangold przeciwnie. Symulacje takiego przedsięwzięcia jeszcze nie były wykonywane. Zakład stoi, brakuje jeszcze stawki, SW&W będzie przecinać.


Źródło: Artykuł w Sonne Wind & Warme