Zapotrzebowanie na ciepło stanowi znaczącą część całkowitego zapotrzebowania na energię a większość tego ciepła produkowana jest ze spalania paliw kopalnych. Dlatego efektywne i ekonomiczne magazynowanie energii cieplnej jest tak istotne w procesie zmniejszania uzależnienia od paliw kopalnych oraz redukcji negatywnego wpływu wytwarzania ciepła na klimat. W rozmowie z Pawłem Nyczem, doktorantem oraz pracownikiem naukowym Centre for Renewable Energy Systems Technology (CREST) na Uniwersytecie w Loughborough w Wielkiej Brytani, omówiliśmy bliżej wyzwania i problemy tego obszaru.

Nad czym aktualnie prowadzi Pan badania?

Obecnie zajmuję się badaniem sposobów i metod na efektywne krótkoterminowe magazynowanie ciepła za pomocą materiałów zmiennej fazy PCM oraz termochemiczne długoterminowe magazynowanie ciepła (międzysezonowe) w zakresie temperatur do 150 C. Moje badania obejmują symulacje, projektowanie, modelowanie, fizyczną budowę i testowanie magazynów energii cieplnej do zastosowań domowych w celu ogrzewania ciepłej wody użytkowej i ogrzewania przestrzennego.

W pracy doktorskiej zawarłem badania nad zintegrowanym, kompaktowym systemem magazynowania energii w postaci ciepła za pomocą innowacyjnego wysokotemperaturowego magazynu energii, a następnie transport tego ciepła z użyciem sodowych rurek ciepła do silnika Stirlinga w celu produkcji energii elektrycznej i podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Zaproponowany zintegrowany system pozwala na zmagazynowanie w postaci wysokotemperaturowego ciepła energii elektrycznej pobranej z sieci w okresie nocy lub z nadmiaru energii ze źródeł odnawialnych w czasie dnia. Zastosowanie zaproponowanego rozwiązania w warunkach domowych pozwala nie tylko zmniejszyć szczytowe zapotrzebowanie na ciepło i energię elektryczną, ale także zwiększyć sprawność wykorzystania ciepła przy produkcji energii elektrycznej za pomocą silnika Stirlinga. W trakcie swojego projektu doktoranckiego zaprojektowałem i zbudowałem wielosystemowe stanowiska badawcze do testowania wysokotemperaturowych rurek ciepła oraz silników Stirlinga w różnych warunkach. Zaprojektowałem również innowacyjny kompaktowy wysokotemperaturowy magazynu energii cieplnej w celu integracji wszystkich elementów proponowanego systemu.

Rys. 1 Zdjęcie Silniku Stirlinga wykorzystywanego w systemie, źródło: Paweł Nycz, materiały własne

Rys. 2 Zdjęcie systemu transportu ciepła z wykorzystaniem sodowych rurek ciepła, źródło: Paweł Nycz, materiały własne

Z jakimi wyzwaniami mierzy się Pan podczas badań?

Zdecydowanie najwięcej problemów w moim projekcie doktorskim przysporzyła mi wysoka temperatura (do 800 C), a co za tym idzie i wysoki poziom skomplikowania elementów i systemów, które musiałem zaprojektować i zbudować aby przeprowadzić niezbędne badania. Na szczęście mogłem liczyć na pomoc i wsparcie zarówno ze strony uniwersytetu Loughborough jak i partnerów przemysłowych, których udało mi się pozyskać do współpracy, jak Rosenberg Ventilatoren GmbH oraz TranstermHP LTD.

Obecnie zajmuję się badaniem nad systemami magazynowania ciepła w materiałach zmiennej fazy do ogrzewania przestrzennego oraz ciepłej wody użytkowej. Materiały zmiennej fazy cechują się dużą pojemnością na jednostkę objętości, ale ich wadą jest niska przewodność cieplna, co utrudnia transport ciepła z i do systemu. Staram się więc znaleźć odpowiednie rozwiązania i materiały, dzięki którym uda się zwiększyć sprawność wymiany ciepła.

Inną częścią mojej pracy są badania nad materiałami i systemami termochemicznego magazynowania ciepła. W takich systemach ciepło jest magazynowane poprzez fizyczne rozdzielenie dwóch substancji chemicznych, które po ponownym połączeniu wydzielają znaczne ilości energii. Termochemiczne magazyny energii mają szansę stać się rozwiązaniem, które w zimie pozwoli nam ogrzewać nasze domy ciepłem zmagazynowanym latem. Największym problemem w tej części mojej pracy jest znalezienie odpowiednich substancji, które nie będą ulegać procesom degradacji w trakcie użytkowania.

Jak te rozwiązania można wdrożyć na polskim rynku?

Zastosowanie moich badań w Polsce może być dużo łatwiejsze niż np. w Wielkiej Brytanii, ponieważ tradycyjne domowe magazyny ciepła w postaci wodnych zbiorników buforowych w systemach centralnego ogrzewania – które staramy się zastąpić – zajmują sporo miejsca, a o to łatwiej w polskim niż w angielskim budownictwie. Zastosowanie materiałów zmiennej fazy PCM pozwala zmniejszyć straty ciepła poprzez zwiększenie ilości magazynowanej energii w jednostce objętości dzięki fenomenowi zwiększonej pojemności cieplnej substancji w trakcie przemiany fazowej (ciało stałe do cieczy i odwrotnie). Projektowane i badane na moim wydziale modułowe systemy oparte o PCM są dużo mniejsze od tradycyjnych zbiorników z wodą, mają mniejsze straty ciepła i dużo łatwiej je zintegrować z układami ogrzewania w domach w Wielkiej Brytanii. Jednak takie magazyny pozwalają na efektywne przechowywanie zmagazynowanego ciepła maksymalnie do kilku dni.

Aby umożliwić magazynowanie energii między sezonami tak, aby ciepło zebrane i zmagazynowane w okresie letnim wykorzystać zimą, konieczne jest albo znaczące zwiększenie skali magazynowania albo zmiana metody.

Nad wielkokubaturowymi magazynami energii cieplnej również prowadzone są aktualnie rozległe badania na całym świecie, w tym na moim uniwersytecie. Takie rozwiązania są bardziej użyteczne dla zastosowań systemów ogrzewania społecznego (ciepłownie i elektrociepłownie miejskie), które są znacznie powszechniejsze w Polsce niż w Wielkiej Brytani. W takich systemach ciepło pochodzące z różnych źródeł jak panele solarne, ciepło odpadowe z procesów przemysłowych, ze spalania biomasy itp. jest magazynowane w dużych dobrze izolowanych termicznie zbiornikach, w celu wspomagania pokrycia zapotrzebownai szytowego w elektrociepłowniach. 

Termochemiczne magazynowanie energii choć idealnie wpisujące się w strategię długoterminowego magazynowania ciepła nie są jeszcze wystarczająco rozwinięte by możliwe było ich ekonomiczne wykorzystanie na większą skalę, ale prace nad tym trwają.

Jakie są prognozy na przyszłość?

Prognozy rozwoju dziedziny są bardzo optymistyczne, ponieważ wraz ze wzrostem udziału źródeł odnawialnych w ilości generowanej przez nas energii – magazynowanie będzie kluczowe. Najważniejszy jest odpowiedni dobór rozwiązania i technologii do problemu. W zależności od wymaganej temperatury, pojemności, czasu przechowywania i szybkości reakcji będziemy potrzebować różnych rozwiązań na magazynowanie ciepła. Warto zauważyć, iż obecnie prowadzonych jest bardzo dużo prac badawczych i rozwojowych w tym zakresie. Należy tutaj oddzielić marketing od danych technicznych, bo niestety część rozwiązań proponowanych jako ‘game changer’, o których możemy przeczytać poza stricte publikacjami naukowymi, są trochę zbyt optymistyczne, zwłaszcza w kwestii ekonomicznego zastosowania na szersza skalę.

Badania prowadzone przez doktoranta Pawła Nycza w obszarze magazynowania energii cieplnej mają znaczący potencjał, zarówno dla dzisiejszych realiów jak i przyszłościowego rozwoju energetyki.