Badania i RozwójDuże instalacje solarneSolarne sieci cieplne

Solarne wspomaganie sieci cieplnej w Wels

12 maja 2011 uruchomiono na dachu Hali Targów w Wels/Austria instalację solarną o powierzchni około 3.400 m² (moc 2 MW), zasilającą miejską sieć cieplną. W tym czasie była to największa instalacja kolektorów  próżniowo-rurowych na świecie. W lecie, przy mniejszych obciążeniach sieci, może czasowo pokrywać co najmniej 50% zapotrzebowania na ciepło. Instalację zamówił miejski zakład energetyczny, a wykonała firma MEA Solar Gmbh. Projekt wykonała i system dostarczyła firma Ritter XL Solar.

Wymagania i warunki inwestora

wels-halaRegion Wels jest bardzo dobrze przygotowany do wdrażania energii ze źródeł odnawialnych. Realizowane projekty budowlane, działające w regionie firmy, instytuty badawcze oraz targi energetyczne stanowią solidny fundament dla wizytówki regionu. Na tym fundamencie będzie teraz możliwa budowa niezależności miasta Wels od paliw kopalnych.

Politechnika Wels będzie wyposażona w innowacyjny, energooszczędny system chłodzenia, fotowoltaikę i grzewczy system solarny. Kościół Św. Franciszka będzie pierwszym kościołem wzniesionym w technice pasywnej i zasilanym w stu procentach energią ze źródeł odnawialnych. Wszystkie nowe budowy w Wels muszą być projektowane wg zasad budynków pasywnych. Nowa hala Targów w Wels była wzniesiona jako pasywna i już w projekcie przewidziano duże pole kolektorów na dachu.

Wymagania wobec tej instalacji sformułowano bardzo jasno i prosto:

  • możliwie najwyższe solarne pokrycie potrzeb w lecie
  • montaż na dachu nowej hali z dużą wolną przestrzenią dla kolektorów
  • maksymalne wykorzystanie dachu w celu maksymalizacji uzysku energii
  • żadnych przejść przez połać dachową dla celów montażowych
  • minimalizacja niezbędnej powierzchni w węźle cieplnym
  • ładowanie energii do przewodu zasilającego sieci cieplnej
  • finansowanie w systemie kontraktowym, co oznacza dbałość o maksymalne uzyski

napkollektor_wels

Warunki i wymagania z punktu widzenia projektantów

W instalacji sieci cieplnej nic nie może być zmienione, a instalacja solarna musi być w pełni podporządkowana jej wymaganiom. Instalacja solarna musi być w każdych warunkach bezpieczna, na przykład przy zaniku napięcia, kiedy sieć musi być wyłączona z powodu niezapowiedzianych prac serwisowych lub awarii pomp. Ponieważ w tym przypadku chodziło o instalację solarną, w której płynie czysta woda bez środków ochrony przed zamarzaniem, a technika ta nie była jeszcze zbyt rozpowszechniona, to cały projekt był dużym wyzwaniem.

Na początku opracowano plan maksymalnego wykorzystania dachu. Zastrzeżenia konstruktorów co do statyki, ścieżki do usuwania śniegu i wymagane odstępy od krawędzi zredukowały planowaną wcześniej powierzchnię kolektorów o około 20%. Odbywające się targi nie mogły być zakłócone. Dlatego też niektóre prace można było prowadzić tylko w przerwach targowych, a wszystkie widoczne i słyszalne ślady montażu musiały być ukryte na czas wystawy. Miało to wpływ na wydłużenie czasu montażu.

Wyzwania i rozwiązania

wels-ruryPrzestrzeń dla techniki takiej jak pompy, zawory, naczynia rozszerzalne została ograniczona do 50 m² w jednym pomieszczeniu. Dlatego od początku nie brano pod uwagę bufora cieplnego ani automatycznych stacji utrzymania ciśnienia. Sama sieć jest najlepszym buforem solarnym. Rozszerzanie się wody z obiegu solarnego odbywa się w ramach sieci cieplnej. Tylko w bardzo szczególnych przypadkach do akcji włączane są trzy naczynia przeponowe po 500 litrów każde.

Ponieważ w obiegu solarnym płynie tylko czysta woda, to można było przyjąć przekroje rur i armatury o jeden wymiar mniejsze niż należałoby w przypadku płynu niezamarzającego. Ciśnienie w przewodach powrotnych sieci Wels w zimie może spadać poniżej wymaganego minimalnego ciśnienia statycznego, wynikającego z wysokości dachu. Przy tym, możliwe w obiegu solarnym wysokie ciśnienie i temperatury wrzenia wymuszają zastosowanie wymiennika ciepła, chociaż po obu stronach płynie ta sama woda. I tu ujawniła się przewaga techniki wodnej. W przypadku płynów niezamarzających wymiennik musiałby być co najmniej trzy razy większy.

Przez cały rok wymagane są temperatury zasilania co najmniej 85°C, w zimie sugerowane do 115°C. By móc osiągnąć wymagane uzyski, wybór padł na kolektory próżniowo-rurowe CPC, które w tym zakresie temperatur mają znacząco wyższe moce niż jakakolwiek inna technika solarna.

Dach nowej hali targowej nie jest skierowany dokładnie na południe, ale około 45° na południowy zachód. Poza tym zawsze około 10% jest zacienione konstrukcja nośną hali oraz innymi częściami budynku. Również w tym przypadku ujawnia się przewaga techniki CPC-VRK, ponieważ ma najmniejszą utratę mocy przy odchyleniu od kierunku południowego i przesunięcia słońca od południa.

Między poziomami dwóch dachów hali jest różnica około 10 metrów. W celu uniknięcia cyrkulacji grawitacyjnej między polami kolektorów, podzielono je na dwa niezależne pola. Jedno na wysokości 15 metrów o powierzchni 3.000 m² i drugie na wysokości 25 metrów o powierzchni 400 m². W zimie różnica ciśnień w sieci może dochodzić do 9 bar. Spadek ciśnienia w obiegu solarnym wynosi około 1,5 bara. Stąd niezbędne jest sprzęgło hydrauliczne, które w czasie dwóch i pół minuty może być napełnione i opróżnione. Do zasilania sieci energią słoneczną ze sprzęgła włączane są dwie szeregowe pompy. Do osiągnięcia różnicy 5 bar wystarcza jedna pompa z wydajnością 65 m³/h, przy wyższych ciśnieniach niezbędna jest współpraca drugiej pompy. Do zasilania pomp i zaworów obiegu solarnego zużywane jest tylko około 6,5 MWh energii elektrycznej (0,5%). Do sieci trafia jednak dodatkowe 20 MWh z tytułu różnicy ciśnień. Chociaż dokładnie ta sama energia pomp będzie zmagazynowana w sieci, kiedy instalacja solarna zasili sieć.

Zabronione jest zapowietrzenie sieci lub utrata wody sieciowej, cała woda kierowana ponownie do sieci musi być odgazowana. Dlatego pole kolektorów po napełnieniu i w trakcie eksploatacji zawsze jest automatycznie odgazowywane. Napełnianie wodą sieciową i uruchomienie jest tak proste, że może je wykonać jedna osoba w ciągu jednej do dwóch godzin. Przy tym, w całej instalacji jest tylko jeden punkt odgazowania, to jest sprzęgło hydrauliczne. Pole kolektorów jest wolne od odpowietrzników, spustów, regulatorów przepływu i tym podobnej armatury. To ważne dla żywotności instalacji, optymalnych warunków działania, ochrony przed zamarzaniem i wygody obsługi.wels-kolektor

Instalacja solarna musi być odporna na stan stagnacji temperaturowej również przy zaniku napięcia. Tak została zaprojektowana, że przy wystąpieniu wrzenia, woda jest bardzo szybko z kolektorów wypychana, a następnie w zależności od warunków standardowo pobierana z sieci lub zastępczo z naczyń przeponowych. Przeprowadzone uruchomienie w południe, przy bezchmurnym niebie wykazało, że ten proces odbywa się całkiem automatycznie, bez energii zewnętrznej, w ciągu zaledwie kilku minut. Instalacja napełnia się ponownie sama i pracuje dalej, tak jak poprzednio. W przypadku konieczności wyłączenia sieci cieplnej na czas obsługi serwisowej, pole kolektorów przechodzi w stan stagnacji temperaturowej, woda przejmowana jest przez pomocniczy zbiornik, z którego później jest automatycznie przepompowywana z powrotem. Pole kolektorów może być uruchomione w stanie “gorącym”, kiedy w kolektorach jest para o temperaturze ponad 300°C. Instalacja musi być odporna na zamarzanie również w przypadku zaniku napięcia. W normalnym trybie będzie przepompowana niewielka ilość ciepła by utrzymać w polu kolektorów dodatnią temperaturę. Do tego potrzeba około 50 MWh energii (około 3% uzysku solarnego). W przypadku zaniku napięcia o ochronę przed zamarzaniem dba system podtrzymania zasilania elektrycznego. System podtrzymania zasilania musi zapewnić mniej niż 100 Wat mocy, by przejąć zasilanie pomp na wypadek zaniku napięcia sieciowego.

Koszty i rentowność

Łączne koszty instalacji solarnej wyniosły około 2 milionów euro. Inwestycja była dofinansowana przez KPC Kommunalkredit Public Consulting oraz Land Oberösterreich w około 30%. Prawie połowa kosztów to kolektory wraz z konstrukcją wsporczą, przyłącza, regulacja i czujniki, jak również całkowite projektowanie. Pozostała część kosztów to konstrukcja nośna pod kolektorami, rury, kompensatory, pompy, zawory, naczynia przeponowe, sprzęgło hydrauliczne, izolacja termiczna obiegu solarnego oraz cały elektryczny i hydrauliczny montaż. Mimo odchylenia kolektorów od kierunku południowego i całorocznego częściowego zacienienia przez konstrukcję nośną hali i sąsiedni budynek, oczekuje się co rocznego uzysku energii cieplnej nie mniej niż 1.500 MWh. Przez 20 lat eksploatacji da to prawie 30 GWh w cenie poniżej 43 euro za MWh (bez uwzględnienia inflacji). Spodziewany wzrost kosztów gazu ziemnego również będzie miał pozytywny wpływ na koszty energii solarnej.

Ponieważ znaczącą część kosztów poniesiono na czyste badania  i rozwój w ramach tego wielkiego projektu, a dodatkowe koszty poniesiono za sprawą kompleksowych wymagań wynikających z montażu na dachu hali targowej, to koszty energii solarnej mogły by być znacząco poniżej podanej wyżej wartości.

Podsumowanie

Instalacja do solarnego zasilania sieci cieplnej w Wels pod wieloma względami jest wzorcowa. Na świecie nie ma większej instalacji z kolektorami próżniowo-rurowymi i spełniającej wszystkie wymagania wynikające z miejsca montażu i parametrów zasilania sieci cieplnej. W przyszłości na bazie tych doświadczeń mogą być budowane kolejne instalacje podobnej wielkości. Wielkie systemy solarne oferują optymalne techniczne i ekonomiczne warunki zasilania systemów odbierających całą pozyskaną energię cieplną.

Źródło: Solarunterstützung_der_Fernwärme_Wels__E_EA_2012