W obecnych czasach odczuwa się wysoką presję na redukcję emisji dwutlenku węgla oraz zmniejszanie zużycia energii elektrycznej, także ze względu na jej koszty. Dodatkowo rozwój odnawialnych źródeł energii sprawia, że nowoczesne systemy grzewcze i chłodnicze są ze sobą łączone i integrowane w nieraz bardzo rozbudowane systemy, coraz rzadziej funkcjonując jako pojedyncze urządzenia. Jednym z wiodących trendów jest integracja pomp ciepła z magazynami ciepła i chłodu, jak również instalacjami OZE, co pozwala na efektywne zarządzanie energią w skali zarówno doby, jak i całego sezonu.
Czym są magazyny ciepła i chłodu?
Magazyny ciepła i chłodu to instalacje, które umożliwiają gromadzić energię termiczną w okresach, gdy występują jej nadmiary, jak również ją wykorzystywać w momentach zwiększonego zapotrzebowania na energię. W przeciwieństwie natomiast do magazynów energii elektrycznej, ich koszty inwestycyjne są niższe, a same systemy są bardziej trwałe, zapewniają dużą pojemnością energetyczną oraz możliwość długoterminowego magazynowania.
Wśród najczęściej wykorzystywanych rozwiązań znajdują się m.in. zbiorniki buforowe wody grzewczej, magazyny ciepła niskotemperaturowego, jak również zbiorniki wody lodowej. Równie popularne są także magazyny gruntowe, sezonowy magazyn ciepła, jak i materiały zmiennofazowe.
Jaką rolę w systemach magazynujących energię odgrywają pompy ciepła?
Pompy ciepła są w takich systemach centralnym konwerterem energii z odnawialnych źródeł, przekształcając ją w użyteczne ciepło lub chłód, współpracując przy tym z instalacjami fotowoltaicznymi i wiatrowymi, a także zasilając magazyny energii cieplnej w okresach nadprodukcyjnych. Pompa ciepła z magazynem energii może zaś pracować w najbardziej efektywnych zakresach, w godzinach niskich taryf oraz przy maksymalnej dostępności energii odnawialnej, a to w znaczący sposób poprawia współczynnik SPF i obniża koszty eksploatacyjne.
Na czym polega integracja pomp ciepła z odnawialnymi źródłami energii?
Połączenie typu pompa ciepła fotowoltaika i magazyn energii tworzy minimalizujący uzależnienie od sieci elektrycznej hybrydowy system energetyczny. Najczęściej stosowane są połączenia fotowoltaiki z pompami i buforami ciepła, PV z magazynem energii elektrycznej oraz magazynem ciepła, kolektorów słonecznych z magazynem sezonowym, jak również systemów geotermalnych z gruntowym magazynem energii.
Pozyskana z PV energia elektryczna może zasilać pompę ciepła, która zapełnia magazyn ciepła, przekształcając prąd w energię termiczną, której koszt jednostkowy magazynowania jest znacznie niższy.
Dlaczego magazyny energii cieplnej są ważne?
Największą zaletą magazynu ciepła i chłodu jest możliwość zarządzania energią w skali sezonowej. Oznacza to m.in., że nadwyżki energii słonecznej latem mogą być magazynowane w gruncie, a zgromadzone ciepło może być wykorzystywane zimą do ogrzewania, natomiast zgromadzony zimą chłód może służyć do pasywnego chłodzenia latem. Takie sezonowe magazyny ciepła umożliwiają więc bilansowanie energii w cyklu rocznym, co jest niemożliwe przy klasycznych instalacjach HVAC.
Do czego służą magazyny chłodu?
Magazyny chłodu są wciąż niedocenianym elementem systemów HVAC, tymczasem magazynowanie chłodu jest coraz istotniejsze w związku z rosnącymi temperaturami, zapotrzebowaniem na klimatyzację czy obciążenia sieci energetycznych latem. Tego typu magazyny umożliwiają produkcję chłodu nocą, przy niższych temperaturach i tańszej energii oraz jego wykorzystywanie w ciągu dnia, gdy jest na niego największe zapotrzebowanie. Pozwalają więc również finalnie ograniczać szczytowe zużycie mocy. Zatem integracja pomp ciepła z magazynami chłodu umożliwia efektywne chłodzenie budynków przy minimalnym zużyciu energii.
Jak steruje się i zarządza systemami zintegrowanymi?
Systemy sterowania w ramach tego typu zintegrowanych, hybrydowych systemów typu fotowoltaika pompa ciepła magazyn energii muszą być zaawansowanymi rozwiązaniami, umożliwiającymi analizę prognozy pogody, monitorowanie produkcji OZE, optymalizowanie pracy pomp ciepła oraz decydowanie o ładowaniu i rozładowywaniu magazynów. Dzięki zastosowaniu algorytmów predykcyjnych możliwe jest wówczas maksymalne wykorzystanie energii odnawialnej, ograniczenie kosztów energii oraz w efekcie – zwiększenie niezależności energetycznej obiektu.
Gdzie stosować i jakie mają zalety zintegrowane systemy magazynowania ciepła i chłodu?
Taki magazyn ciepła systemowego lub chłodu można z powodzeniem stosować w budynkach wielorodzinnych, ale również w biurowcach i centrach handlowych, obiektach użyteczności publicznej, hotelach i szpitalach czy zakładach przemysłowych. W przypadku dużych inwestycji, takie sezonowe magazyny są fundamentem strategii redukcji śladu węglowego i produkcji dwutlenku węgla.
Integracja pomp ciepła, magazynów energii i OZE, oprócz redukcji emisji dwutlenku węgla, zapewnia też obniżenie kosztów eksploatacji, stabilność systemu energetycznego, odporność na wahania cen energii, a przy tym także zgodność z wymogami ESG i unijną polityką klimatyczną.
Integracja magazynów ciepła i chłodu z pompami ciepła oraz odnawialnymi źródłami energii to obecnie jeden z najważniejszych kierunków rozwoju nowoczesnych systemów energetycznych, ponieważ sezonowe zarządzanie energią pozwala zarówno zwiększyć efektywność i opłacalność instalacji, jak również w realny sposób wpłynąć na transformację energetyczną. Należy się niewątpliwie spodziewać, że w perspektywie najbliższych lat tego typu rozwiązania będą już standardem w nowoczesnym budownictwie i infrastrukturze publicznej.