Dowozić ciepło ciężarówką? To możliwe z mobilnym magazynem ciepła

Prof. dr hab. inż. Tadeusz Uhl
Profesor w Katedrze Robotyki i Mechatroniki Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie © AGH

Teraz Środowisko (TŚ): Jakie są sposoby na magazynowanie ciepła?

Tadeusz Uhl (TU): Mimo iż wyróżniamy kilka metod magazynowania ciepła, w przypadku przemysłowym najczęściej wykorzystywane są zbiorniki z gorącą wodą lub podziemne magazyny ciepła⁽¹⁾.

W podejściu tradycyjnym energia cieplna musi być wykorzystywana w tym samym miejscu oraz czasie, w którym została wytworzona (np. kotły w domach jednorodzinnych, kominki). Wraz z pojawieniem się scentralizowanych jednostek wytwarzających ciepło, takich jak ciepłownie i elektrociepłownie, pilne stało się rozwiązanie dylematu związanego z koniecznością wykorzystania wytworzonej energii na miejscu. Dlatego zaczęto budować sieci ciepłownicze, dostarczające do odbiorców ciepło za pomocą gorącej wody przepompowywanej w rurociągach. Rozwiązanie to stosowane jest z dużym powodzeniem do dzisiaj. Problemem pozostawał ciągle jednak moment wykorzystania ciepła - popyt na ciepło musiał być zawsze równoważony podażą, przez co urządzenia nie mogły pracować przez cały czas na maksymalnych parametrach, osiągając niższą sprawność oraz efektywność ekonomiczną.

Rozwiązaniem tego problemu są magazyny energii cieplnej. Urządzenia te istnieją zarówno na świecie, jak i w Polsce, choć nie są jeszcze zbyt popularne.

Czytaj: Magazyny ciepła tysiąc razy tańsze niż magazyny energii elektrycznej

W przypadku procesu magazynowania innowacją jest wykorzystanie jako czynnika magazynującego materiałów zmiennofazowych (z ang. phase change material - PCM) zamiast wody lub ziemi. Takie wykorzystanie PCM nie jest koncepcją nową - pierwsze badania w tym zakresie wykonywano już w latach 90. XX w., ale do dzisiaj technologia ta nie jest powszechnie stosowana, ze względu na trudności w czasie procesu zmiany fazy, które jednak udało się rozwiązać. Interesującym projektem, przy którym pracowałem, jest Mobilny Magazyn Ciepła (MMC⁽²⁾), który łączy magazynowanie energii cieplnej, jak i jej transport.

TŚ: Wyjaśnimy jeszcze, czym są materiały zmiennofazowe?

TU: To substancje, które umożliwiają zmagazynowanie dużych ilości energii cieplnej w relatywnie niewielkiej objętości i masie. W materiałach tych energia magazynowana jest w formie ciepła utajonego, które konieczne jest do zajścia przemiany fazowej, czyli zmiany stanu skupienia. Ważną właściwością materiałów zmiennofazowych jest fakt, iż przemiana fazowa zachodzi w stałej, ściśle określonej temperaturze - tak samo jak lód zamienia się w wodę w 0 st. C. W przeciwieństwie do wody, zastosowanie materiałów posiadających temperatury topnienia w szerokim zakresie 80-130 st. C pozwala wykorzystać ciepło później. Dzięki PCM i odpowiednio dobranej temperaturze przemiany fazowej, gęstość magazynowanej energii jest znacznie wyższa niż w przypadku samego podgrzewania wody.

TŚ: I co to daje?

TU: Powoduje to, że transport za pomocą ciężarówki staje się opłacalny, ponieważ ilość zmagazynowanego w nim ciepła ma większą wartość (koszt transportu jest mniejszą składową kosztów operacyjnych). W przypadku transportowania ciepła innowacją jest sposób, w jaki ciepło jest dostarczane do odbiorcy. Tradycyjnie ciepło przesyłane jest z wykorzystaniem rurociągu (ciepłociągu), natomiast w przypadku zastosowania alternatywnych technologii może być przewiezione za pomocą infrastruktury drogowej. Jest to odpowiedzią na problem przesyłania stosunkowo małych ilości ciepła. Budowa rurociągu jest bardzo kosztowana, przez co nieopłacalne jest jego budowanie do transportu niewielkich ilości energii cieplnej, np. w małych jednostkach kogeneracyjnych czy ciepła odpadowego. Często przeszkodą w budowie rurociągu może być także struktura własnościowa gruntów lub naturalne przeszkody terenowe.

TŚ: Gdzie najbardziej potrzebne byłyby rozwiązania umożliwiające magazynowanie i transport ciepła?

TU: Choćby w instalacjach odzyskujących ciepło odpadowe z zakładów przemysłowych, które mogłoby być transportowane do odbiorców końcowych, w szczególności domów jednorodzinnych. Zwiększyłoby to efektywność energetyczną procesów realizowanych w przedsiębiorstwach, przede wszystkim produkcyjnych, czy uzyskanie zysków ekonomicznych ze sprzedaży energii cieplnej.

Poza zakładami przemysłowymi, doskonałymi źródłami generacji ciepła są biogazownie, które obecnie w dużej mierze skupiają się na produkcji energii elektrycznej, natomiast skojarzona z tym energia cieplna stanowi de facto odpad. Dzieje się tak dlatego, że większość biogazowni znajduje się w znacznej odległości od odbiorców ciepła, a budowa rurociągu jest nieopłacalna. Innymi miejscami zastosowania po stronie generacji ciepła są także ciepłownie i elektrociepłownie zawodowe chcące rozszerzyć swoją sieć sprzedaży.

Ponadto odzyskane ciepło może trafić do takich miejsc, jak baseny, szklarnie, hale widowiskowe czy szkoły.

Czytaj: Biogazownia, która zaskarbiła sobie lokalną społeczność

TŚ: Wracając do tematu biogazowni. Wyraził Pan opinię podczas 24. Międzynarodowego Kongresu Ochrony Środowiska ENVICON 2020, że w kontekście dynamicznie powstających ogniw wodorowych, biogaz, a właściwie biometan, jest zbyt cennym gazem, żeby go spalać…

TU: Chodzi w tym o to, że technologia ogniw paliwowych rozwija się bardzo szybko i to w dwóch zasadniczych kierunkach, jeden to masowa produkcja ogniw paliwowych dla motoryzacji, a drugi to rozwój ogniw do zastosowań stacjonarnych.

Pierwsze z nich to ogniwa niskotemperaturowe membranowe typu PEM (ang. Proton Exchange Membrane) przystosowane do przetwarzania, poprzez reakcje elektrochemiczne, bardzo czystego wodoru i tlenu na energię elektryczną. Drugie to ogniwa wysokotemperaturowe stało-tlenkowe, w których dowolny gaz, na przykład gaz ziemny lub wodór, jest przetwarzany poprzez reakcje na prąd elektryczny. Sprawność elektryczna tych drugich dochodzi do 70 proc., co oznacza, że energia molowa zawarta w gazie w 70 proc. jest przetwarzana na energię elektryczną. Reakcja ta zachodzi w stałej temperaturze 800 st. C. Ogniwa te wydają się być bardzo przydatne do realizacji procesu wysokosprawnej kogeneracji w oparciu o biometan.

TŚ: Podczas Kongresu mówił Pan także o zastosowaniu magazynów ciepła w chłodnictwie. Jak to wygląda?

TU: Technologia magazynowania ciepła w materiałach zmiennofazowych daje duże możliwości, dlatego pojawiają się nowe wdrożenia komercyjne. Spektakularnym przykładem jest system chłodzenia stadionu, w którym odbędą się piłkarskie Mistrzostwa Świata w Katarze w 2022 r. Technologia ta wykorzystywana jest także w domowych magazynach energii cieplnej, zastępujących zbiorniki c.w.u.⁽³⁾, magazynowaniu chłodu w biurowcach oraz w opakowaniach na napoje i jedzenie.

Rozmawiała Katarzyna Zamorowska
Dyrektor ds. komunikacji