Badania i RozwójBufory grzewcze

Sens i nonsensy zbiorników buforowych w instalacjach solarnych

Opanowanie problemów stagnacji termicznej jest warunkiem optymalnego doboru zbiornika buforowego

Wyobraź sobie życie gdzieś w tropikach, oparte głównie o zbiory łatwo psujących się owoców. Konserwacja jest nieznana lub zbyt kosztowna. Przez trzy czwarte roku zbiory wystarczają na połowę potrzeb, ale przez dwa miesiące owoców jest w nadmiarze. Dlatego tylko niemądrzy budowaliby duże magazyny. Zamiast tego jadłoby się do syta tak długo, jak to możliwe i zrobiło niewielkie rezerwy na miesiące niedostatku. Analogiczne przemyślenia powinny nasuwać się także przy rozważaniu wykorzystania ciepła słonecznego.

sinn_bild1
sinn_bild2

Obraz 1. Instalacja solarna do ogrzewania w zimie i chłodzenia latem w Esslingen (z lewej), Istanbuł (z prawej),
tylko 10 litrów na m² kolektorów, uzysk roczny ponad 500 kWh/m²

Potencjał energii słonecznej na całym świecie nie jest nawet w tysięcznej części wykorzystany. Mimo to, także w Niemczech pojawiają się pozornie niepodważalne zasady określające specyficzne minimalne pojemności zbiorników, niezbędne, by ciepło słoneczne sensownie wykorzystywać. Niestety niedostrzegane jest przy tym, że do 10%-go udziału energii słonecznej praktycznie prawie żaden zbiornik nie jest potrzebny (~10 litrów/m²). W Niemczech daje się uzyskać na przykład 500 kWh/m² w zakresie temperatur 70° do 90° C do bieżącego wykorzystania dla 40% udziału słońca w bilansie rocznym. Z jednostkową pojemnością w granicach 40 l/m² daje się ledwie połowę ciepła z całego słonecznego dnia przechować przez 24 godziny, by obsłużyć różne profile zapotrzebowania. Przy tym, dla potrzeb ciepłej wody i ogrzewania można dostarczyć do 50% energii. Również dla przemysłowych zastosowań z wyrównanym dziennym profilem zapotrzebowania można, przy rocznym uzysku jednostkowym około 350 kWh/m²  osiągnąć podobnie wysokie pokrycie bilansu energią słoneczną. Mniejsza wydajność bierze się przeważnie ze 115 dni wolnych od pracy.

sinn_bild3_RM
Dr Rolf Meissner
sinn_bild4_SA
Inż Stefan Abrecht

Jedyne warunki by energię słoneczną tak prosto zapewnić, to użycie kolektorów o wysokiej wydajności oraz system, który bezproblemowo poradzi sobie ze stanem stagnacji. Większe pojemności buforów potrzebne są dopiero dla większego niż 50% udziału słońca. Takie bufory muszą wykazać się wyjątkowo dobrą izolacja, w przeciwnym razie mijają się z celem. Takie zastosowania, z racji nieekonomiczności, mają w Niemczech jeszcze bardzo mały potencjał. Sezonowe magazynowanie, w przeciwieństwie do krótkoterminowego, jak dotąd było technicznie, ekonomicznie i ekologicznie gorsze. Niemal wszystkie zrealizowane projekty długoterminowego magazynowania ciepła nie osiągnęły 50% pokrycia energią słoneczną, co stawia pod znakiem zapytania ich racje bytu. Mimo to, szczególnie w Niemczech, zawsze poświęca się więcej środków na cele badawczo-rozwojowe związane z magazynowaniem ciepła słonecznego, niż na jego pozyskiwanie i dystrybucję. Tego, że szczególnie duże zbiorniki korzystają z prawa do bonusów za innowacyjność,  ze względu na ich nieefektywność trudno zrozumieć. Lecz dla zaangażowanych w magazynowanie energii słonecznej  zbyt duże pojemności zbiorników są od dawna wymaganym kryterium dla systemu dofinansowania i stąd problem. Tak więc, inwestorzy są niemal zmuszeni do nieefektywnego działania z powodu bezsensownych technicznie wymagań lub rezygnacji. Późniejsze niezadowolenie z dających się przewidzieć skutków trwale szkodzi rynkowi.

Z czego wynika ta luka między oczywistym powodem, a realiami, między teorią, a praktyką ? Autorzy ryzykują przypuszczenie, że często za magazyn energii uważane jest coś, co powinno pełnić funkcję ochrony przed przegrzaniem. Do tego wniosku doszli po uporaniu się z pytaniem, czy w ogóle możliwe i sensowne jest długoterminowe magazynowanie energii słonecznej. Artykuł ten przedstawia te rozważania w postaci prostych i zrozumiałych fizycznych i ekonomicznych formuł, przede wszystkim dla buforów wodnych, lecz krótko także dla sond ziemnych i wód gruntowych.

Wyścig między solarnym uzyskiem, a stratami ciepła

Obecnie najtańszym medium do magazynowania ciepła słonecznego dla temperatur do 120° C jest woda. Przemiana fazowa, adsorbcja oraz izolacja próżniowa nie będą tu rozważane, ponieważ są jeszcze nie dość sprawdzone i nie mają wystarczającego znaczenia na rynku.

Badane powinny być tylko zbiorniki wodne. Każdy zbiornik ma swoją pojemność, powierzchnię zewnętrzną, i kształt. Rozpatrując dalej dla uproszczenia tylko walec ze współczynnikiem wysokość/średnica równym 1,5  otrzymujemy równie prosta zależność między pojemnością Vs i powierzchnią zewnętrzną Ab

(1) Ab[m²] = 5,6 (Vs [m³])²⁄³

Wnętrze przechowuje ciepło, które ciągle stara się przeniknąć przez powierzchnie zewnętrzną z powrotem do atmosfery. Do zbiornika można doprowadzić tylko ograniczoną ilość ciepła zależną od powierzchni kolektora FK i czasu. Moc jednostkowa kolektora jest zależna od wielu czynników. Jako wzorcowy, powinien być wzięty przeciętny dzień z dobrym natężeniem promieniowania Qd = 3 kWh/m²d. Również roczny uzysk kolektora zależy od wielu czynników. Ta wartość również powinna być przyjęta na dobrym poziomie Qa= 500 kWh/m²a jako wzorcowa. Te i następne dane odnoszą się do powierzchni brutto kolektora i wskaźnikiem powierzchni czynnej do powierzchni brutto około 0,9.

Celem jest przechowanie ciepła przez określony czas ts przy zachowaniu pewnej minimalnej temperatury Tsol. Średnia temperatura powrotu Tr, maksymalna temperatura zbiornika Tmax i planowany czas magazynowania są podstawą do określenia pojemności zbiornika (Wykres 1). Żeby wyniki były zbliżone do realnych, przyjęto temperaturę powrotu Tr=40° C, a maksymalną temperaturę zbiornika Tmax=95° C.

    Qd*ts*FK
(2) Vs = ——————————–
    1,16[kWh/m²K]*(Tmax – Tr)

Z objętością zbiornika Vs związane są (1) także powierzchnia zewnętrzna Ab i średnica zbiornika DS = 2(Vs /Π /3)¹⁄³. Teraz dochodzi grubość izolacji di oraz rodzaj materiału. Potrzebna do oszacowania strat powierzchnia zewnętrzna zaizolowanego zbiornika może być wyliczona z powierzchni zbiornika As i grubości izolacji di:

(3) As = Ab (1+ 4 di/Ds)

Z powierzchni izolowanej As, grubości izolacji di, przewodności cieplnej materiału λ i średniej temperatury między zbiornikiem a otoczeniem ΔTv otrzymujemy moc strat Q’v z którą zbiornik stale traci ciepło. ΔTv powinna być przyjęta możliwie nisko do 40°K (np. 30°C/10°C lub 60°C/20°C). Takie ryczałtowe założenie wynika z faktu, że temperatura zbiornika nigdy nie jest jednorodna, a temperatura zewnętrzna najczęściej ograniczona jest do temperatury pomieszczenia lub gruntu.

    λ *As *ΔTv
(4) Q’v = —————————–
    di

Przewodność cieplna λ nie może łatwo sprecyzowana. Tylko przy małych zbiornikach stosuje się wysokiej jakości izolacje, jak EPS-, EPP-, Melamina lub poliuretan ze średnią wartością (dla średniej temperatury izolacji około 50°C) poniżej 0,045 W/mK . W praktyce dominują jednak poliuretanowe pianki z wartością 0,05..0,065 W/mK. Większe zbiorniki są najczęściej izolowane materiałami mineralnymi lub wełną szklaną z przewodnością 0,06..0,075 W/mK. Zbiorniki zagłębione w gruncie izolowane są spienionym szkłem lub granulatem szklanym. Tylko w stanie suchym mogą mieć przewodność cieplną nie mniej niż 0,1 W/mK, która po zawilgoceniu pogorszy się do 0,6 W/mK [1]. Ponieważ bufor rzadko bywa wyposażony w wysokiej jakości izolację, to do dalszych rozważań przyjęto wskaźnik przewodności cieplnej λ=0,08 W/mK. Do strat bufora zalicza się jeszcze straty przyłączy, rur i armatury. Ponieważ te straty mają tym większy wpływ, im mniejszy jest zbiornik, to uwzględniono pewną kompensację, tak by możliwe było przyjęcie przewodność λ=0,08 W/mK dla każdego zbiornika.

sinn_bild5
Wykres 1. Niezbędna pojemność bufora Vs [m³] w zależności od powierzchni brutto kolektorów i planowanego okresu magazynowania ciepła dla Qd= 3kWh/m²d, Tmax-Tr=55K (Vs[m³]=0,047*Fk[m²]*ts[d])
Wykres 2. Minimalna dodatkowa powierzchnia kolektorów w procentach niezbędna do kompensacji strat ciepła zbiornika w zależności od okresu magazynowania i grubości izolacji termicznej

Moc strat Qv prowadzi przez cały rok (8.760 godzin) do przewidywanych strat Qva. Aby te straty dobrze zilustrować, powinny być wyrażone jako powierzchnia kolektora fv, która służy tylko kompensacji strat (Wykres 2). Nie znaczy to, że pozostała część ciepła słonecznego może być wykorzystana, by to było możliwe, to temperatura zbiornika musi być wyższa od wymaganej temperatury zasilania. Wysokie temperatury zasilania tylko pogarszają każdy z przyjętych parametrów.

(5) fv = 8760 h Qv / Qd

Jakościowe wnioski z tego wykresu nie są nowością:

  • mały zbiornik potrzebuje doskonałej izolacji
  • im mniejsze pole kolektorów, tym większe straty jednostkowe
  • im dłuższy czas magazynowania, tym większe straty ciepła

Ilościowe wyniki są już zadziwiające:

  • tylko magazyny krótkoterminowe ze zwykłą izolacja mają akceptowalne straty w stosunku do uzysku solarnego
  • dla pól kolektorów do 15 m² jest jasne, że bufor znajduje uzasadnienie tylko w doskonałych warunkach, chyba że już jest w dyspozycji lub pełni kilka funkcji, jednak zawsze wskazane jest dodatkowe pole tylko do kompensacji strat
  • każda oszczędnościowa izolacja poniżej 15 cm prowadzi do nieakceptowalnych strat w skali roku
  • próba magazynowania ciepła ponad 10 dni z użyciem pól kolektorów poniżej 50 m² nie powiedzie się
  • przy sezonowym magazynowaniu i polach kolektorów około 2000m² wchodzą w rachubę tylko bardzo grube izolacje. Kiedy jednak izolacja choć trochę zwilgotnieje, to projekt upada, bo straty szybko zwielokrotniają się
  • jednakże, kiedy zbiornik jest niemal nieograniczonej wielkości (>200.000m³), to grubość i jakość izolacji odgrywa mniejszą rolę. Do tego wskazane są pola kolektorów od 50.000m² wzwyż. Na tym efekcie i na inteligentnej polityce energetycznej oparto sukces solarnych sieci ciepłowniczych lokalnych i rozległych w Danii. Przede wszystkim od takich wielkości zbiorniki sezonowe są ważną opcją na przyszłość ponieważ magazynowanie bez izolowania będzie tańsze, a 90% udział słońca stanie się całkiem możliwy.
  • Wraz z wydłużaniem czasu magazynowania jednostkowy uzysk energii zawsze będzie mniejszy. Tylko ponosząc ekstremalnie wysokie nakłady na izolacje można przeciwdziałać temu trendowi.
    Kiedy więc nie uzysk solarny rośnie, ale koszty, to po co dzisiaj głównie o długoterminowym magazynowaniu tyle się rozprawia?

Ważnym, szczególnym przypadkiem jest sezonowy zbiornik stanowiący część budynku. Powyższe rozważania go nie dotyczą. Tam rzeczywiście ciepło nie jest stracone, może w lecie jest trochę niekomfortowo.

Procesy technologiczne wspomagane energią słoneczną, do uzyskania wysokiego stopnia pokrycia energią słoneczną praktycznie nie potrzebują żadnego bufora. Maksymalny stopień pokrycia bez bufora może być najczęściej jeszcze optymalizowany, np. przez siedmiodniowy tydzień pracy, przez przesunięcie niektórych prac na drugą część dnia roboczego, przez uwzględnienie pogody i pór roku w planach produkcyjnych, itd. Magazynowanie energii może dodatkowo podnieść stopień pokrycia, ale podniesie również koszty, dlatego magazynując energię nie należy oczekiwać żadnej cudownej efektywności.

sinn_bild8 sinn_bild7

Obraz 2. Dwa domy pasywne XL-Solar ze wskaźnikiem 30 i 80 litrów bufora na m² powierzchni kolektorów i ponad 50% udziałem energii słonecznej w bilansie grzewczym i przygotowaniu ciepłej wody

Efektywność systemów

W literaturze można znaleźć różne źródła, wg których solarny uzysk wraz z wielkością zbiornika tylko rośnie [2]. Tak jednak nie może być, bo zamiast w nieskończenie wielkim zbiorniku, można ciepło słoneczne równie dobrze bez sukcesu wprowadzać do morza. Błąd bierze się z mylenia uzysku kolektorów i uzysku systemu.

Wielkie zbiorniki są szczególnie krytycznie postrzegane, kiedy poza energią solarną gromadzą energię z konwencjonalnych źródeł energii. Dzieje się tak zawsze, kiedy temperatura powrotna z obiegu grzewczego jest wyższa niż temperatura otoczenia bufora. Skutkiem tego, wraz z rosnącą wielkością, bufor staje się wielkim radiatorem dla głównego źródła energii. Nawet wtedy, kiedy chodzi tylko o ciepło niskotemperaturowe, pochodzi ono zawsze przynajmniej częściowo z głównego źródła energii.

Ponieważ solarny uzysk systemu (w przeciwieństwie do uzysku kolektora) musi być utożsamiany z oszczędnością energii konwencjonalnej, może on tylko tak długo rosnąć, jak długo energia konwencjonalna, gromadzona w buforze i przez jego zewnętrzną powierzchnię wytracana, większa jest niż tak samo uciekająca energia solarna. Tylko bufory z czystym, wyłącznie solarnym podgrzewaniem wstępnym nie gromadzą energii z paliw kopalnych z obiegu powrotnego. Czyste solarne wstępne podgrzewanie oznacza, że temperatura z obiegu powrotnego jest mniejsza niż temperatura w buforze. Przypomina to kwadraturę koła i jest rzadko praktykowane, na przykład tylko dla dwustopniowego przygotowania ciepłej wody użytkowej.

Ponieważ wykorzystana może być tylko egzergetyczną część zgromadzonej energii solarnej (tylko ta część ciepła, która jest do dyspozycji z temperaturą co najmniej taką, jaka wymagana jest w danym procesie), zmniejszanej jeszcze wraz ze wzrostem bufora i czasu magazynowania, to także solarny uzysk systemu musi sam, bez ciepła z obiegu powrotnego, od określonej wielkości bufora zawrócić. Mianowicie od punktu w którym egzergetyczny uzysk kolektorów zrówna się ze stratami własnymi bufora. Nie dzieje się to przez cały rok, ale tylko na przykład przez miesiąc lub wręcz przez jeden tydzień, potwierdzając mocne uzależnienie maksymalnego solarnego uzysku systemu od pory roku i pogody. Mówiąc wprost, każdy bufor tylko przez krótki czas w lecie ma właściwą wielkość, przez pozostały czas jest znacznie za duży. To maximum zależne jest od wielu parametrów, jak temperatura powinna bufora, powierzchnia kolektorów, izolacja zbiornika, profil zapotrzebowania na energię itd. i dla zastosowań niskotemperaturowych może być bardzo spłaszczone. Lecz nigdy, wraz z rosnącą wielkością bufora, solarny uzysk systemu nie zbliży się do innej granicy niż zero, pomijając czyste solarne wstępne podgrzewanie. Taki wynik sugeruje się we wcześniejszych modelach [3].

Inną okolicznością która utrudnia lub przeszkadza w długoterminowym magazynowaniu ciepła jest wymieszanie ciepła. Aby bufor móc tylko częściowo naładować lub rozładować, potrzeba naturalnych warstw termicznych, które opierają się na malejącej stale wraz ze wzrostem temperatury od 4°C gęstości i słabej przewodności cieplnej wody. Z pewnym wysiłkiem udaje się jeszcze sprawić, że woda napływa do zbiornika i pobierana jest bez turbulencji (gorąca na górze, zimna na dole). Na krótki czas rzędu godzin warstwy temperaturowe pozostają bardzo stabilne. Jednak entropia zawsze ma swoją cenę. Przez termodyfuzje i przewodnictwo cieplne warstwy termiczne zacierają się i łączą coraz bardziej. Dodatkowo ciepło przenosi się ściankami zbiornika w dół. Przez wychłodzenie bufora od zewnątrz, warstwa wody przy samej ścianie opada powoli i wywołuje potężny, dążący ku górze centralny strumień. Taki termosyfon jest wprawdzie bardzo powolny, ale potężny, przypominający Golfstrom. W zależności od wielkości bufora, po jednym dniu, tygodniu, lub miesiącu warstwy temperaturowe zostają zniwelowane i większość wartościowej egzergii przetworzy się w energię bezużyteczną.

Można próbować pozostałą energię przy pomocy pompy ciepła przetworzyć z formy zbyt zimnej wody w egzergię. Jednak tu dochodzimy do sedna problemu unikania strat w gruncie rzeczy już poniesionych i może być rozumiane jako droga naprawa. Działa to więc jak zwykłe ogrzewanie. Próba zmniejszenie entropii w zbiorniku przy pomocy kosztownej energii pierwotnej lub energii elektrycznej, przeciwdziałając ochłodzeniu z powodu wymieszania warstw lub poprawieniu zbyt niskich temperatur kolektorów. Przy tym nie może być zignorowane, że także to gorsze, dzięki pompie ciepła znów uszlachetnione ciepło będzie pobierane ze zbiornika i że niegdyś było to wartościowe ciepło słoneczne lub przeniesiona przez obieg powrotny energia pierwotna. W całym bilansie można to porównać do przyłączenia dodatkowego kotła lub grzejnika elektrycznego. Kiedy, mimo centralnego ogrzewania, mieszkanie nie jest dość ciepłe, wtedy poza prądem elektrycznym nie wchodzi do bilansu żadne ciepło z zewnątrz.

sinn_bild9
Wykres 3. Proporcjonalne oszczędności energii i absolutne oszczędności gazu/oleju dla różnych wielkości bufora w zależności od powierzchni kolektorów dla domu w Würzburgu

 

sinn_bild10
Wykres 4. Maksymalny jednostkowy uzysk roczny Qas [kWh/m²] dla różnych okresów magazynowania ts i grubości izolacji termicznej di
Rachunek kosztów

Wiadomo [2], że uzysk solarny najpierw bardzo szybko rośnie wraz ze zwiększaniem bufora, a już od jednostkowej pojemności 10 litrów/m2 powierzchni kolektora wzrost jest powolniejszy. Dziesięciokrotne zwiększenie bufora przynosi tylko o sześć procent większy stopień pokrycia dla 0,3m² kolektora na 50 litrów ciepłej wody zużytej dziennie względnie także tylko 12% przy pięciokrotnym powiększeniu powierzchni kolektorów (1,5 m²/ 50 litrów). Stukrotne powiększenie zbiornika, jak to byłoby w przypadku zbiornika sezonowego niczego więcej nie przyniesie, a (jak wykazano w poprzednim punkcie) raczej mniej. Dotyczy to zwykłych standardowych przypadków. Kiedy jednak całe ciepło solarne będzie zawsze zużywane na bieżąco, staje się jasne, że każdy zbiornik jest nadmiarem. Dostępne są dobre przykłady [4, 5]. Wykres 3 pokazuje dobitnie zależność między polem kolektorów, typem kolektorów, wielkością bufora i oszczędności energii na przykładzie standardowego domu jednorodzinnego w Würzburgu. Te i podobne obliczenia są znane od dawna [6,7].

Oczywiście powiększanie powierzchni kolektorów prowadzi prawie zawsze do wyraźnie większych oszczędności energii, niż powiększanie zbiorników. Kolektory próżniowo-rurowe, które bez trudu uzyskują wysokie temperatury, wykorzystują dysponowaną pojemność bufora najlepiej i osiągają wysokie oszczędności energii ze znacznie mniejszymi powierzchniami niż kolektory płaskie, których sprawność jest bardzo dobra tylko przy ładnej pogodzie i stosunkowo niskich różnicach temperatur otoczenia i kolektora.

Koszty rosną w przybliżeniu liniowo wraz z wielkością bufora. Realny koszt kompletnej instalacji solarnej bez bufora, to średnio 500€/m2. Jeżeli, nie poddając się w wyścigu między solarnym uzyskiem, a stratami ciepła, znacznie lepiej zaizoluje się większy bufor do długoterminowego magazynowania, to jeden m³ zainstalowanego bufora kosztuje w przybliżeniu tyle co m² kolektorów. Staje się więc jasne, że magazynowanie musi podnosić koszt energii. W tym miejscu należy wrócić do rozważań nad Wykresem 1. Z pozostałej powierzchni kolektorów, która nie jest przeznaczona do kompensacji strat ciepła, wynika jednostkowy możliwy roczny uzysk systemu Qas (Wykres 4).

(6) Qas = Qa (1-fv)

Według powyższego, akceptowalna cena jednostkowa ciepła solarnego możliwa jest tylko w przypadku bardzo dużych pól kolektorów i/lub dla krótkich okresów magazynowania. Dla sezonowych buforów akceptowalna cena możliwa jest tylko dla ekstremalnie dużych instalacji solarnych, jak widać to w Danii. To jednak jest głównie efektem mądrej polityki wobec cen energii. Przez relatywnie wysokie opodatkowanie cennej energii pierwotnej stworzono mechanizmy, dzięki którym użytkownicy o lata wcześniej niż wynikałoby to z cen na rynku światowym, zmuszeni są do działania.

Sondy ziemne i wody gruntowe

Magazyn energii w postaci sond wykorzystuje grunt do głębokości 20-100 metrów jako medium do przechowywania ciepła. Do tego służą wielkopowierzchniowe wymienniki ciepła umieszczone w wielu otworach. Magazyn oparty na wodach gruntowych wykorzystuje naturalnie występujące warstwy wodonośne. Ponieważ woda bliska powierzchni zarezerwowana jest dla celów spożywczych, to raczej wykorzystuje się warstwy bliżej głębokości 100 m. Ciepło dostarcza się rurami do magazynu i przez odwrócenie kierunku przepływu pobiera do użytku. Przy tych formach podziemnego magazynowania nie ma żadnej dokładnie określonej granicy magazynu w postaci warstwy izolującej od otoczenia. Dlatego część użyteczna energii z magazynu jest o wiele mniejsza niż ze zbiorników wodnych izolowanych. Przy czym, od początku wiadomo, że te magazyny znajdą sensowne zastosowanie tylko:

  • w połączeniu z bardzo tanimi źródłami ciepła odpadowego
  • dla niskich temperatur w porównaniu z naturalna temperaturą gruntu
  • dla bardzo dużych magazynów.

Magazyny oparte na wodach gruntowych i wysokiej temperaturze są opłacalne tylko przy wyjątkowo dużych pojemnościach, minimum 100.000m³ [8].

Chociaż ciepło słoneczne jeszcze nie uchodzi za tanie ciepło odpadowe, ale sondy ziemne bywają też zasilane z kolektorów. W przypadku najlepszych instalacji stopień wykorzystania energii słonecznej wynosi (= sprawność kolektorów * sprawność magazynowania): 1 rok: 0,029%, 2.rok:6%, 3.rok: 9%, 4.rok:10%, 5.rok:10% [9]. Z jednej kWh na końcu mamy więc do dyspozycji 1/10. Około 5 lat potrzebuje magazyn na ustabilizowanie swojej temperatury. Około 14% zużytego ciepła jest niezbędna dodatkowo jako energia elektryczna głównie dla pomp. Wg wskaźnika sprawności wytwarzania energii elektrycznej np. 0,35 odpowiada to około 40% względnie 0,04kW (na kW nasłonecznienia) zastosowanej (lub niezaoszczędzonej ) konwencjonalnej energii cieplnej. Uwzględniając to jeszcze przy sprawności solarnej, wtedy spada do poziomu 6%. To jest mniej niż połowa sprawności zwykłej fotowoltaiki. Temperatura w magazynie utrzymuje się w ciągu roku na poziomie około 50%. Na rentowność tych instalacji tej klasy instalacji nie ma co liczyć. Aby wyżej sformułowane wymagania wobec zbiorników sezonowych spełnić, taka instalacja musiała by być 25 razy większa.

Podsumowanie

Do długoterminowego magazynowania ciepła w wodzie sensowne są zbiorniki o pojemności od 200.000m³ i pola kolektorów powyżej 50.000m², ponieważ przede wszystkim straty własne bufora są stopniowo zanikające. W przypadku izolowanych zbiorników gruntowych obok wysokich kosztów występują nie oszacowane ryzyka. Kiedy izolacja jest tylko przeciętna lub całkiem uszkodzona, na przykład z powodu przecieków zbiornika lub infiltracji z gruntu lub wód powierzchniowych grozi niemal kompletną stratą.

Zbiorniki sezonowe z gruntowymi zbiornikami betonowymi również nie są trwałe. Podczas gdy przy zwykłych instalacjach solarnych możliwy jest czas energetycznej amortyzacji w granicach 2 lat, to przy zbiornikach betonowych w bilansie należy uwzględnić bardzo kosztowne prace ziemne, betoniarskie, transportowe.

Solarne pokrycie może wzrosnąć dla krótkoterminowego magazynowania do połowy miesiąca w przypadku dużych pól kolektorów od około 100 m², jeśli zaakceptuje się wydatnie dłuższy okres amortyzacji. W kombinacji z krótkoterminowymi magazynami, 1 do 5 dni, można w większości nisko i średnio temperaturowych zastosowaniach szacunkowo co najmniej 50% energii kopalnej zastąpić. Jak dotąd możliwe to jest tylko z wodą jako nośnikiem ciepła w obiegu solarnym, dlatego, że unika się wszystkich problemów ze stagnacją temperaturową.

Nie jeden wielki bufor planowany jest nie tylko do magazynowania, w przeciwnym razie próbowano by maksymalnie wykorzystać pojemność bufora zawsze ze znacznie większymi temperaturami niż wymagane w obiegu grzewczym. Zamiast tego wielkie zbiorniki ładowane są zaledwie do temperatur wymaganych. Dopiero kiedy cały zbiornik osiągnie temperaturę wymaganą rozpoczyna się magazynowanie. Łatwo zauważyć, że ten sposób jest całkiem lub bardzo niegospodarny z powodu ogromnych strat ciepła. Dlatego można wielkie zbiorniki uważać także za ochronę przed przegrzewaniem kolektorów. Opanowanie stagnacji jest warunkiem, by móc optymalizować wielkość bufora z punktu widzenia uzysku i kosztów inwestycji. Przy tym świadomie rezygnując z letniego nadmiaru lub weekendowej części uzysku, ale unikając stagnacji. Do około 20m² powierzchni kolektorów każda próba magazynowania dłużej niż 1 dzień, z powodu strat ciepła prowadzi do niepowodzenia. Zanim wysokie wskaźniki pokrycia i sprawności magazynowania będą osiągnięte, muszą być rozwiązane problemy pełnego składowania w lecie. Ale do tego dostępne są już gotowe do zastosowania systemy[10]. Nowe perspektywy minimalizacji buforów przy wysokim stopniu pokrycia energią solarną otwierają się tym bardziej, im tańsza i efektywniejsza jest możliwość solarnego chłodzenia. Ponieważ połączenie chłodzenia i grzania pozwala wreszcie na zniwelowanie czasowej luki między maksymalną dostawą energii słonecznej, a zapotrzebowaniem na ogrzewanie [5]. W przyszłości przewiduje się również produkcje energii elektrycznej z ciepła nadmiarowego, wtedy mimo małych buforów także przy całkiem indywidualnych i niekorzystnych profilach zużycia ciepła zawsze można by osiągnąć wysoki stopień pokrycia i sprawności,

Potencjał energii słonecznej w żadnym kraju jeszcze nie został wykorzystany nawet w tysięcznej części. Techniczne opanowanie stagnacji sprawia, że w zastosowaniach z pokryciem do około 10% nie jest wymagany żaden lub co najwyżej krótkoterminowy bufor. Tylko po mniej więcej stukrotnym powiększeniu obecnych powierzchni kolektorów przyjdzie właściwa pora na długotrwałe magazynowanie ciepła słonecznego. Podobnie jak to czynione jest z sukcesem w Danii.


Źródło: FEE Heizungsjournal-Special nr 9/2012

Autor: Dr Rolf Meissner, Inż. Stefan Abrecht


Literatura

[1] Krei, O. (2005), Untersuchung der feuchte- und temperaturabhangigen Warmeleitfahigkeit von Dammstoffen, Studienarbeit Nr 2005-3, ITW der UNI Stuttgart

[2] Remmers, K.H. (1999), Grossse Solaranlagen, Solarpraxis, S. 55 ff, ISBN3-901626-16-6

[3] Streicher, W.(1996), Teilsolare Raumheizung, Auslegung und hydraulische Integration, Arbeitsgemeinschaft Erneubare Energie, 8200 Gleisdorf, Postfach 142, ISBN 3-90-1426-06-3(vergriffen)

[4]Meissner, R, Energetisch spektakular: Panorama Sauna Holzweiler, SHT 12/2008(S.76)

[5] Meissner, R, SHT 4/2008(S.54), Einfach ist besser, die grósste Vakuumrohrenkollektoranlage steht in Deutschland

[6] H.Druck, W.Heidemann, H.Muller-Steinhagen: Potenziale innovativer Speichertechnologien fur solare Kombianlagen, Univwersitat Stuttgart, Institut fur Thermodynamik und Warmetechnik(2004)

[7] h.Druck, h.Muller-Steinhagen: Innovative Speicherkonzepte fur Kombianlagen mit hohen solaren Deckungsanteilen, Tagungsband Solarthermisches Symposium Staffelstein 2003

[8] http://www.thema-energie.de/energie-im=ueberblick/technik/speicher-netze/energiekonzept-spreebogen/aquiferspeicher-am-beispiel-rechts-tag.html oder BINE projektinfo 09/03

[9]Sibbit, B., McClenehan D., Djebbar, R., Thornton, J., Wong, B., Carriere, J. And Kokko, J. (2011), Measured and simulated performance of a high solar fraction district heating system with seasonal storage

[10] Abrecht, S., Griesshaber, W., Kettner, C., Meissner, R, Wo sich Spreu und Weizen trennen, Teil 1-3, Heizungs Journal 6/2008, 7-8/2008 und 9/2008