IV SYMPOZJUM NAUKOWE Pro Energo 2017 Moliwoci i

IV SYMPOZJUM NAUKOWE Pro. Energo 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 1

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. 2

Wymagania stawiane systemom przetwarzania i magazynowania energii. • Bezodpadowe i najczystsze formy energii wykorzystywane w domowych systemach, to energia: ü Elektryczna ü Solarna fotowoltaiczna ü Solarna cieplna ü Geotermalna • „Brudne” źródła energii to: Ø Węgiel Ø Olej opałowy Ø Gaz ziemny, propan-butan, itd. Ø Biogaz Ø Drewno 3

Ogólne założenia dla magazynów elektrycznych i magazynów ciepła üPojemność odpowiadająca potrzebom, ale spełniająca warunek dużej gęstość energii, i małej przestrzeni (pojemności). üMoc doładowywania i rozładowywania, dostosowana do czasu ładowania i rozładowania magazynu oraz wymaganego strumienia energii. üWysoka sprawność zapewniająca niskie straty w czasie pracy magazynu. üOdpowiednia trwałość i stabilność konstrukcji oraz zapewnienie parametrów pracy w okresie eksploatacji. üKorzystna cena. 4

Porównanie magazynów energii elektrycznej. Wybrane typy posiadające znaczenie praktyczne • Akumulatory • Superkondensatory Akumulatory Li-jon , koszt zgromadzonej energii to 1200$/k. Wh (5040 zł/k. Wh). Przedstawiony koszt nie zawiera połączeń, kontroli stanu naładowania i rozładowania, obudowy modułów. W tych kosztach brakuje również systemów ładowania. Liczba cykli ładowania, przy głębokości rozładowania do 80% wynosi ok. 3000 razy, co w porównaniu do superkondensatorów ponad 0, 5 mln, jest niewielką ilością. Koszt zgromadzonej energii 4930$/k. Wh Sprawność systemu ładowanie/rozładowanie wynosi ok. 70% 4930$x 4, 2 zł=20 706 zł/k. Wh Gotowy moduł 63 F/125 V zawierający 48 szt. superkondensatorów 3000 F-2, 7 V, to koszt 6200$x 4, 2 zł=26 040 zł. Zgromadzona energia wynosi 0, 1367 k. Wh, co w przeliczeniu na k. Wh, 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% 5

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 -7 mln zł. W związku z tym koszt 1 k. Wh 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/k. Wh. Sprawność tego typu systemu wynosi 9293%. 6

Czas ładowania akumulatorów w zależności od mocy systemów ładujących • Czas ładowania baterii 40 k. Wh, przy dostępnej mocy 4 k. W, będzie wynosić ponad 10 h 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, 5 h, a w tym przypadku jest już konieczna moc 80 k. W. • Każdy z nas chciałby ładować w czasie podobnym do tankowania paliwa (co jest możliwe) czyli ok. 5 min, a to już wymaga 500 k. W uwzględniając sprawność systemów. To powoduje wzrost napięcia do minimum 500 V i przepływu prądu ładowania do 1000 A. 7

Efekty ekonomiczne magazynów kinetycznych • • Zastosowanie magazynów pozwalana na: Magazynowanie energii w trybie nocnym za 32 gr. /k. Wh, a wykorzystać ją w okresie dziennym w cenie np. 1, 0 zł. W tym przypadku koszt przejechania 100 km wynosi 1 złx 18 k. Wh=18 zł/100 km, natomiast w przypadku ładowania domowego może wynosić 0, 32 złx 18 k. Wh=5, 76 zł/100 km. 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 8

Magazyny energii cieplnej, do wykorzystania w domowych systemach i nie tylko. q. Sztuczne magazyny v. Zbiorniki z substancją magazynującą np. woda v. Zbiorniki z substancją magazynującą z wykorzystaniem przemiany fazowej np. parafina v. Płyta podłogowa jako magazyn, do wykorzystania w systemie wodnego ogrzewania lub elektrycznego. q. Naturalne magazyny i źródła energii cieplnej v. Ciepło ziemi (geotermia, pompy ciepła) v. Ciepło ziemi ( wentylacja) 9

Zapotrzebowanie budynków na energię cieplną w zależności od normy jaka obwiązywała w czasie budowy w k. Wh/m 2 dla domu o pow. 150 m 2. Lata Zakres w k. Wh/m 2 Wart. Średnia w k. Wh/m 2 Zapotrzebowanie bud. /rok w k. Wh 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 10

Ceny źródeł energii wykorzystywanych do ogrzewania Cena jednostki Cena k. Wh Sprawność urządzenia Koszt k. Wh Węgiel kamienny 8 k. Wh/kg 0, 90 zł 0, 113 zł 60% 0, 19 zł Gaz ziemny W 3 10 k. Wh/m 3 2, 00 zł 0, 20 zł 100% 0, 20 zł Gaz propan 26 k. Wh/m 3 5, 80 zł 0, 22 zł 100% 0, 22 zł EE/ pompa ciepła k. Wh COP=4 0, 57 zł 400% 0, 14 zł EE/grzejniki k. Wh 0, 57 zł 100% 0, 57 zł EE z magazynem k. Wh 0, 32 zł 100% 0, 32 zł Olej opałowy 10 k. Wh/dm 3 3, 00 zł 0, 30 zł 90% 0, 33 zł Pellet 5 k. Wh/kg 0, 80 zł 0, 16 zł 80% 0, 20 zł Drewno opałowe 4 k. Wh/kg 0, 24 zł 0, 06 zł 60% 0, 10 zł Źródło energii Wartość opałowa 11

Porównanie kosztów ogrzewania eko groszkiem i energią elektryczną w zależności od energochłonności budynku 140 k. Wh/m 2/r 105 k. Wh/m 2/r 79 k. Wh/m 2/r 40 k. Wh/m 2/r 6720 kg 45% 3780 kg 80% 5040 kg 45% 2835 kg 80% 3792 kg 45% 2133 kg 80% 1920 kg 45% 1080 kg 80% 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 Licznik dwustrefowy 5040 zł 3792 zł 1920 zł 12

Stosując do ogrzewania węgiel i pellet, pamiętajmy, że mamy problem i koszt związany z: üPopiołem üPyłami P-2, 5 i P-10 üTransportem ze składu węgla do posesji i z posesji do kotłowni üCO, CO 2, SO 2, NOx, itd. üKosztami związanymi z paleniem i czyszczeniem üKominiarzem üKurzem i środkami czyszczącymi, które też kosztują 13

Wnioski ØWraz ze zmianą norm energochłonności budynków zacierają się różnice w kosztach ogrzewania. ØW chwili obecnej jedynym w 100% czystym ekologicznie systemem ogrzewania jest energia elektryczna. ØBardzo oczekiwana jest chwila wprowadzenia specjalnej niższej taryfy energii elektrycznej do ogrzewania, od obecnej nocnej taryfy. ØZastosowanie nocnej taryfy do ogrzewania wraz z zastosowaniem magazynu energii, już obecnie powoduje, że jest to rozwiązanie konkurencyjne w stosunku do oleju opałowego. 14

Wnioski cd. ØWprowadzenie specjalnej taryfy do ogrzewania spowoduje, poprawienie efektywności produkcji energii elektrycznej w trybie nocnym przez energetykę zawodową. ØUwzględniając 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. ØW 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%. 15

Dziękuję za uwagę 16