Magazynowanie energii odnawialnej, słonecznej, cieplnej

Większość odnawialnych źródeł energii ma średni bilans energetyczny (uśredniony w cyklu 1 roku) bardzo niski lub wręcz zbliżony do zera.
Wszystkie źródła energii odnawialnej jak wiatr, słońce, ciepło itd. mają charakter chwilowy i potrzeba ich wykorzystania, na ogół jest w czasie znacznie późniejszym niż występuje ich “nadprodukcja”.
Oznacza to, że wykorzystanie nadwyżek dowolnej energii (grzewczej, słonecznej, odnawialnej), wymaga jej magazynowania przez dłuższy okres czasu.

Weźmy np. pod uwagę zamknięty układ kolektora słonecznego. W przypadku gdyby nie następowało magazynowanie energii grzewczej w ocieplonym i izolowanym zasobniku na gorącą wodę, to co byśmy zyskali w upalny dzień i słoneczny, oddalibyśmy z powrotem do atmosfery nocą.
Pomimo czasowego wytwarzania kilowatów czy megawatów energii przez jej odbiornik czy wymiennik, średnia energia odzyskana z ekologicznych źródeł dąży do zera.

Najłatwiejsza i najtańsza do magazynowania jest energia cieplna, gdyż nie wymaga specjalnych technologii przetwarzania na inny rodzaj energii. Może ona być wykorzystana do ogrzewania wody użytkowej (np. do mycia) przez cały rok, oraz do ogrzewania domu przez cały rok. W pierwszej kolejności należy zapewnić sobie możliwość wykorzystania energii na bieżące potrzeby a później magazynować nadwyżki, gdyż magazynowanie jest zawsze związane ze stratami energii.

W zależności od długości czasu magazynowania energii i jej ilości wymagana jest inna objętość “zasobnika energii”. Zależy to, także od orientacyjnej ilości potrzebnej energii do ogrzewania.

Należy uwzględnić też ekonomiczność przedsięwzięcia magazynu energii cieplnej biorąc pod uwagę procent darmowej energii, w stosunku do całkowitej energii włożonej do ogrzewania. Realna wartość jest pomiędzy 70-80%.

Do wytworzenia ciepłej wody użytkowej konieczne jest jej podgrzanie do temperatury powyżej 45 stopni C i magazynowanie bezpośrednio w zasobniku ciepłej wody. Magazynowanie większych ilości ciepłej wody użytkowej na czas dłuższy niż 2-3 dni jest nieopłacalne ze względu na duże straty wynikające z wysokiej temperatury wody.
Bardziej sensowne wydaje się długoterminowe magazynowanie energii o niższych temperaturach (straty są proporcjonalne do różnicy temperatur między zasobnikiem a najbliższym otoczeniem. Wymaga to jednak dużej objętości “zasobnika” na energię oraz dużego współczynnika wymiany ciepła.

Aby pozyskiwać energię cieplną najlepiej wykorzystać do tego celu kolektory słoneczne, które mają stosunkową wysoką sprawność. Czas zwrotu jest także znacznie niższy, niż w przypadku innych urządzeń wykorzystujących odnawialne źródła energii jak pompy ciepła.
Odbiór energii jest też bardzo prosty, przez przepływającą ciecz przez kolektor słoneczny i oddawanie jej do zasobnika, czy magazynu energii poprzez wymiennik ciepła.

W przypadku chęci magazynowania energii cieplnej przez cały rok ilość odbiorników energii słonecznej (cieplnej) ma charakter nadmiarowy, uwzględniając całoroczne zapotrzebowanie oraz szacunkowe straty. Najbardziej optymalne jest łączenie kolektorów słonecznych w niezależne segmenty i ich indywidualne sterowanie, szczególnie w przypadku gdy są one skierowane w różnych kierunkach geograficznych.

Najbardziej sensowne jest ogrzewanie gospodarstw rolnych lub domów na dużych działkach, gdzie dysponujemy dużą przestrzenią, zarówno na rozmieszczenie kolektorów słonecznych jak i instalacje magazynu ciepła. Znane są zasobniki energii (zbiorniki z żelami), które potrafią zmagazynować kilkanaście razy więcej energii cieplnej, niż zbiornik z wodą o tej samej objętości.
Są to jednak rozwiązania bardzo kosztowne i na etapie realizacji magazynu energii cieplnej, razem z budową domu od podstaw, można znacznie prościej i taniej zrealizować taki magazyn. Dodatkowo pozwoli nam to na akumulowanie ciepła przez całą wiosnę, lato, jesień a oddawanie jej przez zimę.

Magazyn taki najlepiej wykonać podczas budowy niepodpiwniczonego budynku na etapie prac fundamentowych.
Biorąc pod uwagę że fundamenty posadawia się na głębokość około 1.5 metrów na naszych szerokościach geograficznych, pomiędzy fundamentami budynku do planowanej podłogi uzyskujemy przestrzeń o objętości zbliżonej do powierzchni posadowienia budynku * (1 do 1.3m).

Najlepiej wykonać go z gliniastej ziemi, która dominuje w Polsce i cechuje się dobrym przekazywaniem energii cieplnej.

W tym celu należy przy okazji prac fundamentowych należy usunąć, ziemię z całego obrysu budynku na głębokość jego posadowienia. Fundamenty i ściany fundamentowe wykonuje się standardowo, ocieplając je tylko od zewnątrz.
Całość od spodu izolujemy przeciw-wodnie folią izolacyjną.
Spód powstałej przestrzeni izolujemy termicznie styropianem i keramzytem (styropian aby zabezpieczyć folię przed przebiciem przez keramzyt. Keramzyt można zastąpić innymi materiałami izolacyjnymi, które wytrzymają nacisk ziemi o wysokości 1-1.3m. Na izolację termiczną kładziemy znowu cienką warstwę styropianu oraz folię izolującą.
Na dnie powstałej przestrzeni usypujemy cienką warstwę gliny i wyrównujemy ją zagęszczarką.
Następnie rozkładamy wężownicę (rurę jak do ogrzewania podłogowego wodnego), która będzie stanowić wymiennik ciepła i przekazywać energię z kolektorów do magazynu energii.
Następnie bardzo ostrożnie zasypujemy wężownicę 20cm warstwą ziemi i ją zagęszczamy.
Po tym momencie dobrze jest przeprowadzić test szczelności wężownicy przy pomocy kompresora i manometru.
Całą przestrzeń między ławami fundamentowymi wypełniamy gliną zagęszczając ją co 20-30cm.
Dla bezpieczeństwa można umieścić więcej niż 1 wężownicę co umożliwi przełączenie się na drugi wymiennik ciepła w przypadku uszkodzenia pierwszego.
Górną część magazynu energii należy zaizolować folią i ocieplić styropianem. Do płaszczyzny planowanej wylewki pod podłogę. Podłogę dla bezpieczeństwa należy dodatkowo zazbroić aby nie pękała bez podparcia rodzimego gruntu.
Zastosowanie kolejnej wężownicy w podłodze pozwoli na bardziej optymalne wykorzystanie energii z kolektorów zimą do niskotemperaturowego dogrzewania domu.

W tak skonstruowanym magazynie energii ciepło jest oddawane przez ściany nośne budynku w górę przez co znacznie zmniejsza się wystudzanie domu przez ściany i grzeje samoistnie budynek przez dodatkowe parę miesięcy w roku.
Dobra izolacja od spodu magazynu energii i od zewnątrz budynku wpływa bezpośrednio na sprawność takiego rozwiązania i czas dogrzewania budynku z darmowej energii słońca.
Ponieważ objętość takiego magazynu jest ograniczona, aby zwiększyć czas darmowego ogrzewania budynku, można co najwyżej zwiększyć powierzchnię czynną kolektorów słonecznych i akumulacja energii do wyższej temperatury.
W tym przypadku może się jednak okazać, że budynek dodatkowo będzie dogrzewany w porach kiedy tego nie wymaga (latem).

Zastosowanie takiego magazynu ciepła zasilanego z wielo-segmentowego źródła energii – kolektorów słonecznych wymaga zastosowania automatyka ogrzewania w postaci RoomManager’a lub dedykowanego sterownik mikroprocesorowy dla kolektorów słonecznych pozwalający uzyskać maksymalną sprawność. Biorąc pod uwagę, że każdy metr kwadratowy kolektora “słono” kosztuje, uzyskanie sprawności 50% zamiast 100% jest równoznaczne z podwojeniem powierzchni kolektorów słonecznych. Należy tu także brać pod uwagę zajętość powierzchni pod kolektorami słonecznymi na działce aby nie zajmowała dużego obszaru działki przy montażu naziemnym.
W przypadku montażu na dachu, aby powierzchnia dachu była wystarczająca. Sprawność i wydajność systemu jest szczególnie ważna w przypadku okresów przejściowych (głównie jesień) optymalne sterowanie takim systemem ogrzewania umożliwia zmagazynowanie dużego zapasu energii przed zimą. W okresie zimy mała sprawność i nieoptymalne sterowanie może wręcz generować straty energii więc jest o co walczyć.
W okresie zimy aby zwiększyć skuteczność ogrzewania z kolektorów słonecznych (farm słonecznych) najlepiej jest zasilić ogrzewanie podłogowe przez wymiennik ciepła, pozwalające na wykorzystanie takiego niskotemperaturowego źródła energii bezpośrednio przy minimum strat.
inteligentny dom
automatyka domu