Magazynowanie energii
ELE.10. Montaż i uruchamianie urządzeń i systemów energetyki odnawialnej – Technik urządzeń i systemów energetyki odnawialnej 311930
Budowa i zasady działania gruntowego magazynu energii
WIZUALIZACJA 3D
Spis treści
Wprowadzenie.Wprowadzenie.
Opis i budowa gruntowego magazynu energii.Opis i budowa gruntowego magazynu energii.
Zasada działania gruntowego magazynu energii.Zasada działania gruntowego magazynu energii.
1. Wprowadzenie
Wprowadzenie
Widoczny jest ekran spisu treści. Na długim panelu wyświetlają się tytuły zakładek, które możemy zmieniać za pomocą znaczków znajdujących się po jego obu stronach. Tytuły tych zakładek umieszczone są także po lewej stronie ekranu na panelach ułożonych jeden pod drugim.
Pierwsza zakładka jest wyświetlona, jej tytuł to Gruntowy magazyn energii w postaci ciepła. Poniżej znajdują się trzy punkty.
Pierwszy o treści: Magazyn ciepła Te E eS (angielskie Thermal Energy Storage) to rodzaj technologii, która umożliwia przechowywanie ciepła ukośnik chłodu w celu doprowadzenia oraz wykorzystania w późniejszym procesie ogrzewania lub chłodzenia.
Drugi o treści: Znalazły one zastosowanie zarówno w warunkach domowych, jak i zasilając w ciepło większe osiedla mieszkaniowe, kompleksy targowe i handlowe oraz budynki użyteczności publicznej: uczelnie, osiedla uniwersyteckie, porty lotnicze i tym podobne.
Trzeci o treści: Praca całego układu Te E eS dzieli się na trzy fazy: ładowanie magazynu, przechowywanie ciepła oraz rozładowywanie magazynu (lub zamiana ciepła na chłód). W zależności od czasu trwania fazy przechowywania systemy Te E eS podzielimy na długoterminowe (miesiące) oraz krótkoterminowe (dni, godziny).
Druga zakładka podlega pod pierwszą, zatytułowana jest Ogólny podział magazynów ciepła TES. Składa się z trzech punktów.
Pierwszy o treści: Ze względu na materiał wykorzystany jako akumulator ciepła ukośnik chłodu główne grupy magazynów to: U Te E eS angielskie Undergroud Thermal energy Storage na przykład grunt, żwir, skały, woda oraz różne formy łączenia tych materiałów, Te Te E eS z angielskiego Tank Thermal Energy Storage - typowo wodne zbiorniki akumulacyjne.
Drugi o treści: Pozostałe szczegółowe grupy U Te E eS to: Be E Te eS z angielskiego Borehole thermal energy storage - akumulator gruntowy, A Te E eS z angielskiego aquifier thermal energy storage, czyli akumulator w warstwie wodonośnej, Pe Te E eS z angielskiego pit thermal energy storage - akumulator wodno‑żwirowy zagłębiony w grunt, Ce Te E eS angielskie cavity thermal energy storage - akumulator kawernowy (drążony w skale).
Pod trzecim punktem znajduje się mapa myśli z przedstawionym ogólnym podziałem magazynów ciepła Te E eS. Na głównej chmurce mapu myśli znajduje się napis: magazyn energii. Od chmurki odchodzą dwie odnogi. Pierwsza z napisem u te e es, druga z napisem te i e es. Od pierwszej odnogi odchodzą trzy chmurki: pierwsza z napisem a te e es, druga z napisem be i te es, trzecia z napisem pe i e es oraz czwarta z napisem ce i te es.
Trzecia zakładka ma tytuł: Porównanie typów akumulatorów wraz z ich właściwościami i podchodzi pod pierwszą. Porównanie przedstawione jest za pomocą tabeli.
Pierwszy typ: akumulator wodny te te e es, wypełnianie: woda, ekwiwalent dla metra sześciennego wody to jeden metr sześcienny, wymagania: stabilny grunt, preferowany brak wód gruntowych, głębokość pięć do piętnastu metrów.
Drugi typ: akumulator wodno‑żwirowy pe te e es, wypełnianie: woda‑żwir, ekwiwalent dla metra sześciennego wody to jeden przecinek trzy do dwóch na metr sześcienny, wymagania: stabilny grunt, preferowany brak wód gruntowych, głębokość pięć do piętnastu metrów.
Trzeci typ: akumulator wodonośny a te e es, wypełnianie: piasek ukośnik woda żwir, ekwiwalent dla metra sześciennego wody to dwa do trzech na metr sześcienny, wymagania: naturalnie występujące warstwy wodonośne, nieprzepuszczalne warstwy ograniczające wodę, niski lub brak przepływu podpowierzchniowego, odpowiednie właściwości chemiczne wody o wysokiej temperaturze.
Czwarty to typ akumulatora: gruntowy Ce te e es. Wypełnianie: ziemia ukośnik skały, ekwiwalent dla metra sześciennego wody to trzy do pięciu na metr sześcienny, wymagania: możliwość wiercenia w gruncie, wysoka pojemność cieplna gruntu, wysoka przewodność cieplna gruntu, przepływ wód podziemnych mniejszy niż jeden metr na sekundę, głębokość odwiertów trzydzieści do dwustu metrów.
Czwarta zakładka ma tytuł: Akumulator gruntowy Be Te E eS. Kryją się pod nią cztery punkty:
Pierwszy o treści: Najczęściej zastosowanie znajduje akumulator gruntowy Be Te E eS i to jemu poświęcimy uwagę w poniższym opracowaniu. Ze względu na temperaturę pracy i możliwość sezonowego przechowywania energii (główne parametry konstrukcji) rozwiązanie to pasuje do warunków panujących w Europie. Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe magazyny, ciepło może być w nich przechowywane w zakresie temperaturowym od -czterdziestu stopni Celcjusza do ponad czterystu stopni Celcjusza. Jednak nie każda konstrukcja dedykowana do wymaganego zakresu pracy (np. proces technologiczny), będzie opłacalna. W praktyce przy większych inwestycjach akumulatory Be Te E eS są łączone na przykład w układy równoległe z wodnymi typu Te Te E eS.
Drugi o treści: W akumulatorze typu Be Te E eS ciepło jest magazynowane bezpośrednio w gruncie, najczęściej jest to ziemia gliniasta lub zawierająca iłołupki, gdyż charakteryzują się bardzo dobrą pojemnością cieplną oraz ograniczają (lub całkowicie uniemożliwiają) przepływ wód gruntowych w dolnych częściach układu (które powodują straty ciepła). Odpowiednim podłożem mogą być również skały lub wilgotne gleby.
Pod trzecim kryje się wizualizacja akumulatora Be Te E eS pracującego w kompleksie uniwersyteckim w Ontario. Ilustracja przedstawia model umieszczonego na stojaku o kształcie prostopadłościanu. Pierwsza część makiety jest zielona. Przez zieleń ciągnie się niebieski pasek, przedzielony szarym podłużnym elementem. Na zielonym terenie znajdują się szare bryły. Druga część oddzielona jest od pierwszej podłużnymi szarymi bryłami. Jej powierzchnia jest szara. Na powierzchni znajdują się szare bryły.
Treść pod punktem czwartym: Główna część pracy systemu to ładowanie i rozładowanie, które następuje za pomocą dedykowanych przez projektanta układu pionowych wymienników ciepła najczęściej typu U, sięgających od dwudziestu do nawet dwustu metrów poniżej powierzchni gruntu.
Piąta zakładka podlega pod czwartą, ma tytuł: Podział akumulatorów Be Te E eS. Zakładka podzielona jest na trzy punkty.
Treść pod punktem pierwszym: Magazyny Be Te E eS, ze względu na budowę części magazynującej, możemy podzielić na systemy zamknięte i najbardziej popularne - otwarte. W magazynach zamkniętych (wydzielonych), obszar orurowania jest otoczony dodatkowo izolacją termiczną np. w postaci zbiornika zamkniętego z trzech stron. Rozwiązanie częściej stosowane to wymiana ciepła w całej masie gruntu lub obszarze przygotowanym do tego zadania. W naszej wizualizacji zastosowana właśnie taki otwarty rodzaj magazynu.
Treść pod drugim punktem: Główna część pracy systemu to ładowanie i rozładowanie, które następuje za pomocą dedykowanych przez projektanta układu pionowych wymienników ciepła najczęściej typu U, sięgających od 20 do nawet 200 metrów poniżej powierzchni gruntu.
Pod trzecim punktem znajduje się ilustracja ukazująca ogólny podział Be Te E eS ze względu na obszar magazynujący ciepło ukośnik chłód. Ilustracja przedstawia system otwarty: sześć podłużnych elementów wbitych pod kątem prostopadłym w ziemie jedna obok drugiej w takich samych odstępach, na taką samą głębokość oraz system zamknięty różniący się tym, że równolegle do pierwszej z lewej linii biegnie w dół rura, która skręca w prawo, biegnąć pod zakończeniami każdego z wbitych i ziemie elementów, po czym odbija do góry i kończy swój bieg za ostatnim elementem, na wysokości jego wejścia w ziemię.
Szósta, ostatnia zakładka, podlega pod zakładkę czwartą. Ostatnia zakładka ma tytuł: Zalety i wady akumulatorów Be Te E eS. Pod tytułem znajdują się dwa punkty:
Pierwszy: Zaletą magazynów Be Te E eS jest możliwość rozbudowy wraz ze wzrostem zapotrzebowania na ilość gromadzonego ciepła do wymiany. Przy takiej konstrukcji łatwo jest dołączyć kolejne elementy do już istniejących lub podłączyć je do innego układu. Pojemność cieplna magazynów gruntowych Be Te E eS szacowana jest w zakresie od piętnastu do trzydziestu kilowatogodzin na metr sześcienny.
Drugi: Do wad układów Be Te E eS zalicza się przede wszystkim wysoki koszt wykonania odwiertów i ukształtowania gruntu. W niektórych przypadkach problemem jest również przemieszczanie się wód powierzchniowych, które powoduje straty ciepła w górnych partiach akumulatora. Wpływ tego czynnika nie daje się przewidzieć w stu procentach od początku projektu, obserwacja i pomiary w trakcie pierwszych lat użytkowania umożliwiają korektę konstrukcji i decydują o ostatecznej sprawności procesu magazynowania.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
2. Opis i budowa gruntowego magazynu energii
Przedstawiony obiekt to zakład produkcyjny składający się z hali produkcyjnej oraz części administracyjno‑biurowej. Całość umiejscowiona jest na działce umożliwiającej rozbudowę budynku oraz jego funkcjonalność w zależności od potrzeb produkcyjnych i możliwości inwestycyjnych.
Elementy zaprezentowanego akumulatora ciepła BTES to:
układ rur doprowadzających medium do magazynu,
urządzenie chłodni wentylatorowej,
magazyn ciepła/chłodu.
Do części układu akumulatora ciepła zaliczyć możemy również pomieszczenie kotłowni oraz pomieszczenie szafy sterowniczej.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DHSah42F1
Wizualizacja przedstawia gruntowy magazyn energii. Na zielonym terenie, przy jednej z jego krawędzi, stoi sporych rozmiarów budynek. Budynek posiada przybudówkę złożoną z dwóch pomieszczeń. Od większego z pomieszczeń prowadzą w prawo rury do modułu złożonego z ośmiu części. Rury biegną również korytarzem podziemnym w głąb planszy, skręcają w lewo i prowadzą do zlokalizowanego przy prostopadłej, do krawędzi przy której stoi budynek krawędzi, półkolistego obszaru, na którym znajdują się instalacje biegnące w dół, pod ziemię. Na zielonym terenie znajdują się również drzewa. Na elementach wizualizacji znajdują się znaczniki ponumerowane od jeden do pięć.
Znacznik z cyfrą jeden znajduje się na mniejszej z przybudówek. W pomieszczeniu znajduje się kilka szaf sterowniczych. Pod punktem znajduje się nazwa pomieszczenia, na którym jest znacznik, czyli pomieszczenie sterujące. Poniżej znajduje się pasek odtwarzania, z nagraniem o treści tożsamej z tekstem umieszczonym poniżej: Do sterowania całego układu wykorzystywany jest sterownik Pe eL Ce. Główne zadanie jego algorytmu to kontrola parametrów oraz wizualizacja wypełnienia magazynu gruntowego w zależności od pory roku zima ukośnik lato. Główne urządzenia wykonawcze układu to: pompy ukośnik silniki elektryczne oraz zawory ukośnik elektrozawory. Informacja zbierana jest przy pomocy czujników np. temperatury, ciśnienia, przepływu.
Znacznik z cyfrą dwa znajduje się na większym z pomieszczeń przybudówki. Pod punktem znajduje się nazwa pomieszczenia, na którym jest znacznik, czyli kotłownia. Poniżej znajduje się pasek odtwarzania, z nagraniem o treści tożsamej z tekstem umieszczonym poniżej: Głównym urządzeniem służącym do zamiany energii magazynu na ciepło lub chłód, wykorzystywane w budynku (do ogrzewania, chłodzenia lub jako medium technologiczne) jest wymiennik ciepła. W naszym przypadku zastosowanie znalazł wymiennik płytowy. Całość przepływającego medium od wymiennika do gruntu generuje pompa z możliwością regulacji obrotów oraz kierunku przepływu.
Znacznik z cyfrą trzy znajduje się na wysokości połączenia rur biegnących w głąb planszy z rurami biegnącymi w bok do urządzenia złożonego z ośmiu segmentów. Pod punktem znajduje się nazwa elementu wizualizacji, czyli: Układ rur doprowadzających medium do magazynu. Poniżej znajduje się pasek odtwarzania, z nagraniem o treści tożsamej z tekstem umieszczonym poniżej: Na układ transportujący ciepło pomiędzy magazynem a wymiennikiem ciepła składa się kilka elementów. W zależności od miejsca i warunków, przez jakie przebiegają, zastosowano odpowiednio zaizolowane rury hydrauliczne (na zewnątrz oraz wewnątrz gruntu). Na obiegu układu chłodni oraz obiegu głównego zainstalowano filtry, mające na celu oczyszczanie krążącego medium (najczęściej są to przemysłowe roztwory glikolu lub oleje mineralne), które w wyniku długotrwałego użytkowania oraz zmiennych warunków cieplnych ulegają zanieczyszczeniu. Zawory ręczne, jak i elektryczne jako urządzenia wykonawcze umożliwiają otwieranie lub zamykanie poszczególnych obiegów układu.
Czwarty znacznik znajduje się na półkolistym terenie, na którym znajdują się biegnące w głąb ziemi rury. Pod punktem znajduje się nazwa elementu wizualizacji, czyli: Magazyn energii. Poniżej znajduje się pasek odtwarzania, z nagraną treścią tożsamą z tekstem umieszczonym poniżej: Podłoże na bazie gliny zostało przed wykonaniem instalacji, uzupełnione dodatkowo wyselekcjonowanym żwirem. Odwierty dokonano na głębokość 20 m, a w przypadku rozbudowy istnieje możliwość pogłębienia i wykorzystania większej części gruntu. Elementy w kształcie litery U to dedykowane do tego zadania rury z funkcją wymiennika ciepła, o mniejszej średnicy niż rury doprowadzające. Szczelina pomiędzy odwiertem a wymiennikiem wypełniana jest bentonitem, który charakteryzuje się dobrą przewodnością cieplną. W celu ograniczenia strat ciepła w kierunku pionowym zastosowano odpowiednią izolację gruntu w postaci wełny mineralnej (innym materiałem może być również styropian). Ostatni, piąty punkt, umieszczony jest na elemencie składającym się z ośmiu segmentów, do którego biegną rury, wychodzące z kotłowni. Pod punktem znajduje się nazwa elementu wizualizacji, czyli: Urządzenie chłodni wentylatorowej. Poniżej znajduje się pasek odtwarzania, tożsamy z tekstem umieszczonym poniżej: Moduł chłodni tak zwany suchy, zbudowany jest z sześciu układów wentylatorów umożliwiających dodatkowe schłodzenie medium do wymaganej temperatury np. okresie zimowym.
Ostatni, piąty punkt, umieszczony jest na elemencie składającym się z ośmiu segmentów, do którego biegną rury, wychodzące z kotłowni. Pod punktem znajduje się nazwa elementu wizualizacji, czyli: Urządzenie chłodni wentylatorowej. Poniżej znajduje się pasek odtwarzania, z nagraniem o treści tożsamej z tekstem umieszczonym poniżej: Moduł chłodni tak zwany suchy, zbudowany jest z sześciu układów wentylatorów umożliwiających dodatkowe schłodzenie medium do wymaganej temperatury np. okresie zimowym.
Właściwości gruntu zostały wykorzystane do budowy magazynu energii jako akumulator ciepła typu BTES. W przyszłości istnieje możliwość rozbudowania układu, który podwoi pojemność magazynu.
Do układu akumulatora ciepła nie należy hala produkcyjna oraz silosy. Hala produkcyjna wyposażona jest w centralę nawiewno‑wywiewną zainstalowaną na dachu budynku, która służy do regulacji temperatury obiegu powietrza oraz procesów technologicznych, i która posiada swój własny układ sterowania. Silosy służące do magazynowania materiałów technologicznych zainstalowane zostały za budynkiem.
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści
3. Zasada działania gruntowego magazynu energii
W zależności od wielkości gruntu zastosowanego jako magazyn, systemy BTES osiągają swoje optymalne warunki pracy dopiero po kilku sezonach (trzech/czterech), gdyż duża masa gruntu musi uzyskać odpowiednią temperaturę, oraz jej struktura ulega nieznacznej zmianie pod wpływem różnych temperatur.
W prezentowanym układzie możemy wyróżnić dwa główne etapy w roku: ładowanie (okres letni) oraz rozładowywanie (okres zimowy).
Powrót do spisu treściPowrót do spisu treści