ProEnergo 2017 Możliwości i Horyzonty Ekoinnowacyjności IV SYMPOZJUM NAUKOWE ProEnergo 2017 Możliwości i Horyzonty Ekoinnowacyjności Magazyny energii,  jako element poprawy efektywności ekonomicznej i samowystarczalności energetycznej, indywidualnych gospodarstw domowych.  Zbigniew GAŁUSZKIEWICZ MEGATECH Technology Sp. z o.o., Kalety, Dariusz CAŁUS Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny, Instytut Elektrotechniki Przemysłowej, Zakład Maszyn i Napędów Elektrycznych Patryk GAŁUSZKIEWICZ MEGATECH Technology Sp. z o.o., Kalety

Magazyny energii, jako konieczny element systemów energii elektrycznej, cieplnej, chemicznej, ……. Wyprodukowana energia elektryczna w okresie szczytowym, wykorzystywana jest niemal w 100%, natomiast w okresie pozaszczytowym istnieją rezerwy w zakresie 60-70%. Energia elektryczna, jako jedyny rodzaj energii, posiada inną cenę w okresie szczytu i poza nim. Różnica cen energii elektrycznej, w połączeniu z magazynem energii, pozwala na bardziej równomierne obciążenie systemu energetycznego. Zmagazynowana energia w okresie pozaszczytowym, pozwala na znaczne obniżenie kosztów eksploatacji domowych i przemysłowych systemów wykorzystujących energię elektryczną. Warunkiem koniecznym takiego systemu, są magazyny energii.

Wymagania stawiane systemom przetwarzania i magazynowania energii. Bezodpadowe i najczystsze formy energii wykorzystywane w domowych systemach, to energia: Elektryczna Solarna fotowoltaiczna Solarna cieplna Geotermalna „Brudne” źródła energii to: Węgiel Olej opałowy Gaz ziemny, propan-butan, itd. Biogaz Drewno

Ogólne założenia dla magazynów elektrycznych i magazynów ciepła Pojemność odpowiadająca potrzebom, ale spełniająca warunek dużej gęstość energii, i małej przestrzeni (pojemności). Moc doładowywania i rozładowywania, dostosowana do czasu ładowania i rozładowania magazynu oraz wymaganego strumienia energii. Wysoka sprawność zapewniająca niskie straty w czasie pracy magazynu. Odpowiednia trwałość i stabilność konstrukcji oraz zapewnienie parametrów pracy w okresie eksploatacji. Korzystna cena.

Porównanie magazynów energii elektrycznej Porównanie magazynów energii elektrycznej. Wybrane typy posiadające znaczenie praktyczne Akumulatory Akumulatory Li-jon , koszt zgromadzonej energii to 1200$/kWh (5040 zł/kWh). Przedstawiony koszt nie zawiera połączeń, kontroli stanu naładowania i rozładowania, obudowy modułów. W tych kosztach brakuje również systemów ładowania. Liczba cykli ładowania, przy głębokości rozładowania do 80% wynosi ok.3000 razy, co w porównaniu do superkondensatorów ponad 0,5 mln, jest niewielką ilością. Sprawność systemu ładowanie/rozładowanie wynosi ok. 70% Superkondensatory Koszt zgromadzonej energii 4930$/kWh 4930$x4,2zł=20 706 zł/kWh Gotowy moduł 63F/125V zawierający 48 szt. superkondensatorów 3000F-2,7V, to koszt 6200$x4,2zł=26 040zł. Zgromadzona energia wynosi 0,1367kWh, co w przeliczeniu na kWh, wynosi 191 654 zł, w tej cenie jest obudowa, połączenia wysokoprądowe, balansery, czujniki oraz uwzględniając zakup hurtowy na poziomie 50% ostateczna cena wynosi ok. 95 800 zł (22 809 $). Sprawność cyklu ładowanie/rozładowanie wynosi ok. 90%

Porównanie magazynów energii Porównanie magazynów energii. Wybrane typy posiadające znaczenie praktyczne Magazyny kinetyczne Nowy typ magazynu kinetycznego opartego na silniku PM BLDC typu outrunner zmienia w zasadniczy sposób podejście do zagadnienia. Z przeprowadzonych symulacji i wstępnych obliczeń wynika, że koszt kompletnego magazynu 1 MWh wyniesie 6-7mln zł. W związku z tym koszt 1 kWh wynosi 6-7 tys. zł., czyli ok. 1 428-1 667 $. Według danych EPRI (Electric Power Research Institute), ten koszt może wynosić nawet 17 000 zł/kWh. Sprawność tego typu systemu wynosi 92- 93%.

Czas ładowania akumulatorów w zależności od mocy systemów ładujących Czas ładowania baterii 40kWh, przy dostępnej mocy 4kW, będzie wynosić ponad 10h dla przeciętnego Kowalskiego i jest to w znacznej części przypadków do zaakceptowania. Trudno natomiast jest sobie wyobrazić, ładowanie w punkcie ładowania w czasie dłuższym niż 0,5h, a w tym przypadku jest już konieczna moc 80kW. Każdy z nas chciałby ładować w czasie podobnym do tankowania paliwa (co jest możliwe) czyli ok. 5min, a to już wymaga 500kW uwzględniając sprawność systemów. To powoduje wzrost napięcia do minimum 500V i przepływu prądu ładowania do 1000A.

Efekty ekonomiczne magazynów kinetycznych Zastosowanie magazynów pozwalana na: Magazynowanie energii w trybie nocnym za 32gr./kWh, a wykorzystać ją w okresie dziennym w cenie np. 1,0 zł. W tym przypadku koszt przejechania 100km wynosi 1złx18kWh=18zł/100km, natomiast w przypadku ładowania domowego może wynosić 0,32złx18kWh=5,76zł/100km. Dużo korzystniej, wygląda sytuacja w przypadku zasilania magazynów w trybie nocnym z wiatraków, ponieważ niezmagazynowana energia przepada bezpowrotnie Zastosowanie magazynów, pozwala na złagodzenie szczytów zapotrzebowania na energię elektryczną oraz lepsze wykorzystanie linii energetycznych, a także bardziej efektywne wykorzystanie węgla do produkcji energii elektrycznej oraz zmniejszenie zanieczyszczenia środowiska

Magazyny energii cieplnej, do wykorzystania w domowych systemach i nie tylko. Sztuczne magazyny Zbiorniki z substancją magazynującą np. woda Zbiorniki z substancją magazynującą z wykorzystaniem przemiany fazowej np. parafina Płyta podłogowa jako magazyn, do wykorzystania w systemie wodnego ogrzewania lub elektrycznego. Naturalne magazyny i źródła energii cieplnej Ciepło ziemi (geotermia, pompy ciepła) Ciepło ziemi ( wentylacja)

Zapotrzebowanie bud./rok w kWh Zapotrzebowanie budynków na energię cieplną w zależności od normy jaka obwiązywała w czasie budowy w kWh/m2 dla domu o pow. 150m2. Lata Zakres w kWh/m2 Wart. Średnia w kWh/m2 Zapotrzebowanie bud./rok w kWh Do 1985 240-380 310 46 500 1985-1992 160-200 180 27 000 1993-1997 120-160 140 21 000 1998-2014 90-120 105 15 750 Od 2014 <79 79 11 850 Eko dom <40 40 6 000

Ceny źródeł energii wykorzystywanych do ogrzewania Źródło energii Wartość opałowa Cena jednostki Cena kWh Sprawność urządzenia Koszt kWh Węgiel kamienny 8 kWh/kg 0,90 zł 0,113 zł 60% 0,19 zł Gaz ziemny W3 10 kWh/m3 2,00 zł 0,20 zł 100% Gaz propan 26 kWh/m3 5,80 zł 0,22 zł EE/ pompa ciepła COP=4 kWh 0,57 zł 400% 0,14 zł EE/grzejniki EE z magazynem 0,32 zł Olej opałowy 10 kWh/dm3 3,00 zł 0,30 zł 90% 0,33 zł Pellet 5 kWh/kg 0,80 zł 0,16 zł 80% Drewno opałowe 4 kWh/kg 0,24 zł 0,06 zł 0,10 zł

Porównanie kosztów ogrzewania eko groszkiem i energią elektryczną w zależności od energochłonności budynku 140 kWh/m2/r 105 kWh/m2/r 79 kWh/m2/r 40 kWh/m2/r 6720 kg 45% 3780kg 80% 5040kg 45% 2835kg 80% 3792kg 2133kg 1920kg 1080kg 6048 zł 3402 zł 4536 zł 2552 zł 3413 zł 1920 zł 1728 zł 972 zł EE bez magazynu Licznik dwustrefowy 7928 zł 5965 zł 3020 zł EE z magazynem 5040 zł 3792 zł

Stosując do ogrzewania węgiel i pellet, pamiętajmy, że mamy problem i koszt związany z: Popiołem Pyłami P-2,5 i P-10 Transportem ze składu węgla do posesji i z posesji do kotłowni CO, CO2, SO2, NOx, itd. Kosztami związanymi z paleniem i czyszczeniem Kominiarzem Kurzem i środkami czyszczącymi, które też kosztują

Wnioski Wraz ze zmianą norm energochłonności budynków zacierają się różnice w kosztach ogrzewania . W chwili obecnej jedynym w 100% czystym ekologicznie systemem ogrzewania jest energia elektryczna. Bardzo oczekiwana jest chwila wprowadzenia specjalnej niższej taryfy energii elektrycznej do ogrzewania, od obecnej nocnej taryfy. Zastosowanie nocnej taryfy do ogrzewania wraz z zastosowaniem magazynu energii, już obecnie powoduje, że jest to rozwiązanie konkurencyjne w stosunku do oleju opałowego.

Wnioski cd. Wprowadzenie specjalnej taryfy do ogrzewania spowoduje, poprawienie efektywności produkcji energii elektrycznej w trybie nocnym przez energetykę zawodową. Uwzględniając system z magazynem energii i zwykły piec węglowy o sprawności ok. 45%, których jest bardzo dużo w naszym kraju oraz dodatkowe koszty przedstawione wcześniej, jest to rozwiązanie konkurencyjne nawet dla węgla, eliminując całą grupę problemów zdrowotnych z tym związanych. W ramach prowadzonych prac w zakresie magazynów energii pojawiło się rozwiązanie wykorzystujące magazyny energii i energię elektryczną o koszcie niższym od obecnego rozwiązania z magazynem o 47%.

Dziękuję za uwagę