1/64 Solární soustavy a tepelná čerpadla pro CZT

Transkript

1 1/64 Solární soustavy a tepelná čerpadla pro CZT koncepce systémů sezónní akumulace ekonomické souvislosti kombinace zdrojů

2 Solární soustavy pro CZT 2/64 od roku 1980 první soustavy ve Švédsku (1984) vývoj v Dánsku, Rakousku, Německu solární soustavy s malým solárním pokrytím demonstrační projekty, Solarthermie2000 (pokrytí do 50 %) současnost komerční projekty (Dánsko) snahy o vyšší pokrytí potřeby tepla na přípravu TV a vytápění (až 50 %) více než 20leté zkušenosti z provozu mediální pozornost v ČR: solární teplárny se 100% pokrytím

3 Proč solární teplo? 3/64 100% obnovitelná energie nevyčerptelná dostupná všude jedna z cest plnění cílů podílu OZE v Evropě systémy v Evropě > 500 m (chlazení)

4 Solární soustavy pro CZT (Dánsko) 4/

6 Dánsko /64 vysoké zdanění zemního plynu daň ve stejné výši jako cena ZP možnost prodeje uspořeného CO2 státní garance půjček CZT jako non-profit bussines rozšíření know-how první solární CZT bez dotací

9 Solární soustavy pro CZT (Dánsko) 9/64 Marstal m 2 Grasten m 2 Braedstrup m 2 Vojens m 2 Ringkobing m 2

10 Solární soustavy pro CZT... 10/64... potřebují plochy Stranby DK, 8019 m2

11 Sluneční energie vs. biomasa 11/64 biomasa výnos 6-10 tun suš./ha.rok, výhřevnost 4,5 MWh/t, účinnost 85 % zisk energie ze zabrané plochy: 2,3 až 3,8 kwh/m 2.rok solární energie dopadající 1000 kwh/m 2.rok, reálný zisk 350 až 450 kwh/m 2.rok, využití plochy 35 až 40 % zisk energie ze zabrané plochy: 140 až 160 kwh/m 2.rok solární teplo: 40 až 50 x více energie z m 2 zabrané plochy

12 Sluneční energie vs. biomasa 12/64 biomasa náhrada současné roční spotřeby uhlí biomasou by vyžadovala plochu cca 4,7 mil. hektarů: 60 % území ČR solární energie náhrada současné roční spotřeby uhlí přímým využitím slunečního záření (teplo + fotovoltaika) by vyžadovala plochu 0,09 mil. hektarů: 1,2 % území ČR sluneční energie: nestabilní, neřiditelný zdroj = nutnost akumulace

13 Solární soustavy pro CZT... 13/64... Marstal, DK m 2, 13 MWt Marstal, DK m 2, 23 MWt

14 Solární soustavy pro CZT... 14/64... Gardsten, SE 1410 m 2, 1 MWt

15 Integrace do CZT 15/64 výtopenský provoz pouze teplo odběrová / produkční část - úspora paliva i emisí teplárenský provoz elektřina & teplo odběrová část - snížení účinnosti KVET produkční část - úspora paliva i emisí SOLAR SOLAR SOLAR pro účinné nasazení solární teplo vždy ve funkci spořiče paliva

16 Solární soustavy pro CZT 16/64 druhy SCZT bez akumulace s krátkodobou akumulací s dlouhodobou akumulací centrální decentrální

17 Koncepce soustav 17/64 Bez akumulace solární tepelné zisky se akumulují v objemu rozvodů celé sítě solární pokrytí potřeby tepla se pohybuje zhruba do 5 %. S krátkodobou akumulací nárazníkový akumulátor slouží pro akumulaci nejvýše několikadenních zisků návrhové solární pokrytí se pohybuje od 10 do 20 %

18 Koncepce soustav 18/64 krátkodobá akumulace denní krytí letní potřeby tepla + ztrát v rozvodu ekonomicky efektivní instalace

19 Koncepce soustav 19/64 S dlouhodobou akumulací velkoobjemové sezónní zásobníky slouží pro akumulaci letních nadbytečných zisků přenesení do zimního období návrhové solární pokrytí se pohybuje do 50 %.

20 Koncepce soustav 20/64 dlouhodobá akumulace sezónní zásobník krytí části otopné sezóny

21 Koncepce soustav 21/64 Centrální solární soustava pracuje jako doplněk vlastního centrálního zdroje tepla C C

22 Koncepce soustav 22/64 Decentrální solární soustava je provozována primárně pro účely krytí potřeby tepla v místě instalace, např. v budově přebytky jsou dodávány do sítě podle smlouvy s provozovatelem

23 Koncepce soustav 23/64 Decentrální výkup tepelné energie na základě tarifu analogie s elektrickou energií

24 Výměníkový uzel 24/64

25 Sezónní akumulace 25/64 TTES (Akumulační nádrž) PTES (Výkopový zásobník) BTES (Zásobník ze zemními sondami) ATES (Zvodněné podloží)

26 Sezónní akumulace 26/64 TTES PTES akumulační látka voda voda voda-štěrk tepelná kapacita v kwh/m 3 60 až až až 50 vhodné geologické podmínky - geologicky stabilní lokalita - geologicky stabilní lokalita - bez podzemních vod - bez podzemních vod - potřebná hloubka 5 až 15 m - potřebná hloubka 5 až 15 m BTES ATES akumulační látka zemina voda voda-písek tepelná kapacita v kwh/m 3 15 až až 40 vhodné geologické podmínky - vhodné geologické podmínky pro - přírodní spodní voda realizaci vrtů - ohraničeno nepropustnými vrstvami - vyšší tepelná kapacita zeminy - minimální pohyb (průtok) spodní - vyšší tepelná vodivost zeminy vody - potřebná hloubka 30 až 100 m - 20 až 50 m zvodněného podloží

27 Vodní zásobník (TTES) 27/64 - železobetonová konstrukce - vnitřní nerezové plechy jsou použity při betonování, následně jsou pak svařeny k zajištění těsnosti - 20 až 70 cm tepelné izolace (pěnové sklo vyšší stabilita)

28 Vodní zásobník (Mnichov, 5700 m 3 ) 28/64

29 Vodní zásobník (Mnichov, 5700 m 3 ) 29/ Kč

30 Výkopový zásobník (PTES) 30/64 konstrukce samonosná konstrukce stěn, vnitřní vrstva z hydroizolační fólie víko zásobníku může být samonosné, podepřené konstrukcí umístěnou v zásobníku nebo plovoucí na hladině tloušťky teplené izolace vychází z velikosti zásobníku obdobné jako u TTES izolace: pěnové sklo, PUR, minerální vlna, extrudovaný polystyren nabíjení/vybíjení otopnou vodou registrem polyetylenových trubek

31 Výkopový zásobník (PTES) 31/64

32 Výkopový zásobník (Eggenstein, 4500 m 3 ) 32/64

33 Výkopový zásobník (Eggenstein, 4500 m 3 ) 33/ Kč

34 Zemní zásobník (BTES) 34/64

35 Zemní zásobník (BTES) 35/64

36 Zemní zásobník (Crailsheim, m 3 ) 36/64

37 Zemní zásobník (Crailsheim, m 3 ) 37/64 BTES Vodní zásobník m 3 (objem zeminy) 480 m 3 (objem vody) Kč Kč

38 Aquifery (ATES) 38/64 ukládání tepla do zvodněného podloží

39 Aquifery (ATES) 39/64 konstrukce vyžadují velmi příhodné hydrogeologické a geochemické podmínky při nabíjení je studená voda čerpána z chladné studny, ohřívána solární soustavou a teplá voda je poté vsakována do teplé studny maximální teploty v aquiferu jsou omezeny na 50 C

40 ATES Rostock, 2000, m 3 40/64

41 ATES Rostock, 2000, m 3 41/ Kč

42 Náklady na zásobník 42/64

43 Případová studie malé sídliště RD 43/64 6 řad x 9 rodinných domů = 54 domů á 150 m 2 běžný standard: 80 kwh/(m 2.rok) 12 MWh/rok (648 MWh/rok) nízkoen. standard 50 kwh/(m 2.rok) 7,5 MWh/rok (405 MWh/rok) pasivní standard: 20 kwh/(m 2.rok) 3 MWh/rok (162 MWh/rok) příprava TV: 50 l/(os.den) 2.4 MWh/rok (129 MWh/rok) 55/45 C 45/37 C 35/30 C 55 C celková plocha jižních střech = 2900 m 2

44 Cíle studie 44/64 pro zadané solární pokrytí 25 % 50 % 75 % 100 % stanovit návrhové parametry plocha solárních kolektorů A k objem sezónního akumulátoru V s stanovit energetické přínosy ekonomické parametry

45 Parametry simulace (TRNSYS) 45/64 Solární kolektory ploché kvalitní kolektory, orientace jih, sklon 45 plocha podle požadovaného solárního pokrytí Sezónní akumulátor nadzemní zásobník tepla tepelná izolace 30 cm / 0,04 W/(m.K) maximální teplota 85 C objem podle plochy kolektorů, požadovaného solárního pokrytí, maximalizace využití tepelné kapacity zásobníku Rozvody solární soustavy lepší izolační standard, světlost podle navržené plochy kolektorů

46 Návrhové parametry příklad PAS 46/64 f A k V q ss,u [-] [m 2 ] [m 3 ] [kwh/m 2 ] 25% % % %

47 Teplota v zásobníku 47/64 25 % 100 %

48 Návrhové parametry 48/64

49 Provozní parametry 49/ až 500 kwh/(m 2.rok) 100 až 200 kwh/(m 2.rok)

50 Provozní parametry 50/64 60 až 75 % 15 až 25 %

51 Diskuse 51/64 snaha o velmi vysoké pokrytí (100 %) v nejnepříznivějším období (březen) musí být v zásobníku teplota pro bezpečnou přípravu teplé vody (65 C) nízké využití akumulační schopnosti zásobníku velký objem celoročně vysoká provozní teplota v zásobníku velký podíl ztrát nízká účinnost kolektorů a celé soustavy (10 až 20 %) příliš velké plochy a objemy investiční náročnost x přínos plocha kolektorů pro 100% pokrytí > plocha střech domů pasivní domy horší provozní parametry větší podíl přípravy náročné teplé vody nižší návrhové parametry (absolutní hodnoty)

52 Cena tepla 52/64 výrobní cena tepla prostá za dobu 15 let (doba odpisu) cena solárního zisku, bez zahrnutí provozních nákladů, obsluhy, údržby

53 SCZT v ČR 53/64 není rozšířené v provozu jen několik malých soustav soustavy jsou umístěné buď přímo na nebo poblíž výměníkových stanic systémů centrálního zásobování teplem vysoké náklady studie pro MPO pro náhradu paliva ve zdrojích CZT na plyn: ekonomicky problematické Provozovatel Rok spuštění Adresa Plocha kolektorů Typ kolektoru [-] [-] [-] [m 2 ] [-] TEREA Cheb s.r.o B. Němcové 11, Cheb 90 ploché TEREA Cheb s.r.o Palackého 16, Cheb 60 ploché TEPO s.r.o Vodárenská, Kladno 24 vakuové trubkové TEPO s.r.o Kladno, Rozdělov 24 ploché - - Nové Ervěnice 66 ploché SATE Hulín, s.r.o Družba 1198, Hulín 209 ploché

54 Studie pro ČR (MPO) 54/64 cíle studie posoudit možnosti využití solárního tepla v soustavách CZT s výtopenským režimem využívajících zemní plyn energetické hledisko ekonomické hledisko optimální koncepce soustavy s ohledem na místní podmínky analýza a vyhodnocení provozního chování solární soustavy pro CZT matematický model v simulačním prostředí TRNSYS

55 Vstupní podmínky 55/64 odběr tepla modelový soubor budov v běžném stavebním standardu roční potřeba tepla na vytápění: 648 MWh/rok potřeba na přípravu TV: 157 MWh/rok tepelné ztráty rozvodu CZT: 6 % pod souborem budov je možné uvažovat např.: sídliště 54 řadových rodinných domů; soubor 3 bytových šesti patrových domů.

56 Sledované parametry 56/64 pro krytí potřeby tepla 25 % 50 % 75 % 100 % plocha solárních kolektorů A k [m 2 ] objem vodního akumulačního zásobníku tepla V w [m 3 ] objem zemního akumulačního zásobníku tepla V g [m 3 ] využité zisky ze solární soustavy Q ss,u [MWh, GJ] měrné zisky solární soustavy q ss,u [kwh/(m 2.rok)] solární pokrytí f [%]

57 Energetická analýza 57/64 varianty vytápění a příprava teplé vody s vodním zásobníkem; vytápění a příprava teplé vody se zemním zásobníkem; vytápění s vodním zásobníkem; vytápění se zemním zásobníkem. + FAKTOR 10 (10 x větší soustava a 10 x větší odběr tepla)

58 Energetická analýza vodní zásobník 58/64

59 Energetická analýza zemní zásobník 59/64

60 Energetická analýza měrné zisky 60/64

61 Ekonomická analýza 61/64 varianty investiční náklady průměrné ceny jednotlivých prvků provozní náklady zkušenosti ze zahraničí: 20 až 42 Kč/GJ cena tepla z hlavního zdroje SCZT: 428 Kč/GJ bez růstu ceny tepla

62 Vytápění a příprava TV - vodní zásobník 62/64 pokrytí prostá návratnost 5 % % % % % 94

63 Vytápění a příprava TV - zemní zásobník 63/64 pokrytí prostá návratnost 5 % % % % % 112

64 Vytápění a příprava TV faktor 10, voda 64/64 pokrytí prostá návratnost 5 % % % % % 57