De rol van thermische systemen en thermische opslag in intelligente gebouwen : onderzoek binnen VITO

23/11/2012

De rol van thermische systemen en thermische opslag in intelligente gebouwen : onderzoek binnen VITO Johan Van Bael,

Inhoud » Inleiding » Slimme thermische systemen in een smart grid : testen intelligente warmtepomp » Slimme thermische netten : onderzoek naar gedistribueerde opslag » Alternatieve opslagsystemen » Onderzoeksprojecten » E-Hub » Smart Geotherm

23/11/2012 © 2011, VITO NV

2

Introductie » Beperken van de klimaatveranderingen door reductie van broeikasgassen » EU 20-20-20 doelstellingen. Tegen 2020: 1. Een reductie van 20% wat betreft de broeikasgassen vergeleken met het niveau van 1990; 2. Verhoging van het aandeel door hernieuwbare bronnen geproduceerde energie naar 20%; 3. Een verbetering van de energie-efficiëntie met 20% ten opzichte van het business as usual scenario. »

EU doelstelling voor 2050: reductie van de broeikasgassen met 80-95% ten opzichte van het niveau van 1990

23/11/2012 © 2011, VITO NV

3

Introductie » Roadmap 2050 – een aantal belangrijke paden: » ENERGY-EFFICIENTIE » Transport: brandstof efficiëntie » Gebouwen: energie performantie » Industrie: energie efficiëntie in processen

» ELECTRIFICATIE » Transport: fossiele brandstoffen  hybride & elektrische voertuigen » Verwarming: fossiele brandstoffen  efficiënte ‘elektrische’ technologieën (warmtepomp, WKK...)

» BIJNA VOLLEDIGE DECARBONISATIE VAN DE ELEKTRICITEITSPRODUCTIE » Hernieuwbare energie » CCS

23/11/2012 © 2011, VITO NV

4

Introductie » Echter… » Risico van capaciteitsproblemen op het net bij massale integratie van warmtepompen » Zelfs in lage energie woningen hebben warmtepompen een hoog aansluitvermogen » Bij koude dagen : hoge piekvraag omwille van de warmtepompen

» Risico van capaciteitsproblemen op het net door lokaal geproduceerde hernieuwbare energie » Nadelen van hernieuwbare energie (vb zon, wind) : onvoorspelbaar en oncontroleerbaar » Op zonnige (of winderige) dagen: hoge pieken

» Risico van balanceringsproblemen op het net » Onbalans tussen vraag en aanbod

» Mogelijke oplossingen: » Versterking van het net en voorzien in snel regelbare productie » Demand site management (DSM) » Verschillende studies tonen aan dat DSM goedkoper zou zijn

23/11/2012 © 2011, VITO NV

5

Introductie » Het idee: de warmtepomp als actief systeem in het net, “een intelligent en actief gecontroleerde warmtepomp” » Twee belangrijke doelstellingen: 1. Peak shaving: vermijden van (of minder snel) versterken van het net 2. Eigengebruik van lokaal geproduceerde elektriciteit : vermijden van het verstreken van het net en betere balancering van vraag en aanbod » Bouw van een testopstelling in het labo om de mogelijkheden van een actief gecontroleerde warmtepomp te onderzoeken

23/11/2012 © 2011, VITO NV

6

De testopstelling van de warmtepomp » Het concept:

23/11/2012 © 2011, VITO NV

7

De testopstelling van de warmtepomp » Testprogramma Gemiddelde winterweek

Koudste winterweek

Gemiddelde buitentemperatuur (°C)

4.7

-1.5

Warmtevraag voor ruimteverwarming (kWht)

332

465

Warmtevraag voor sanitair warm water (kWht)

56

56

Niet-controleerbare elektriciteitsvraag (kWhe)

76

76

PV-productie (kWhe)

123

38

» Twee testcycli » Referentietest met klassieke, warmtegedreven controlesysteem » Test met actief controlesysteem

23/11/2012 © 2011, VITO NV

8

De testopstelling van de warmtepomp Om over te gaan van een warmtegedreven controlesysteem naar een actief controlesysteem  thermische energie-opslag nodig Warmtepomp (11kW)

Driewegkraan om de warmtebron te emuleren

Warmtewisselaar om de vraag naar ruimteverwarming te emuleren

Thermische opslag ruimteverwarming (400l) Sanitair warm water (300 l) 23/11/2012 © 2011, VITO NV

9

De testopstelling van de warmtepomp

23/11/2012 © 2011, VITO NV

10

De testopstelling van de warmtepomp » Warmtevraag woning: » Warmtevraagprofiel (via TRNSYS-simulatie) » Sanitair warmt water verbruiksprofiel (gestandaardiseerd profiel van IEA SHC Task 26) » Niet controleerbaar gebruiksprofiel (gemeten) » PV-profielen: via TRNSYS simulatie, herschaald naar een ‘nul energie woning’ (7,7 kWp installatie)

23/11/2012 © 2011, VITO NV

11

Het actieve controle-algoritme Market-based multi-agent system (MAS) » Elk toestel wordt vertegenwoordigd door een agent » Elke tijdsstap geeft elke agent aan hoeveel hij wenst te verbruiken of te leveren aan de markt en dit op basis van een biedingsfunctie kW

producer

kW consumer

priority(price)

priority(price)

» Het evenwicht betrekking tot het vermogen wordt bepaald en vervolgens gecommuniceerd aan de agents » De agent schakelt op basis van deze informatie 23/11/2012 © 2011, VITO NV

12

Het actieve controle-algoritme

23/11/2012 © 2011, VITO NV

13

Resultaten: peak shaving en zelf consumptie

23/11/2012 © 2011, VITO NV

14

Resultaten: peak shaving en zelf consumptie » Belastingsduurcurve van de woning

koudste week

gemiddelde week Referentie (kW)

Intellligente controle (kW)

Verschil (%)

Koudste week

4.874

4.604

-5.5%

Gemiddelde week

4.967

3.947

-20.5%

one-percent power peak (OPP)

23/11/2012 © 2011, VITO NV

15

Resultaten: extra verbruik Parameter

Koudste week

Gemiddelde week

reference 51

smart 210 (+312%)

reference 50

smart 141 (+182%)

Gemiddelde draaitijd van de warmtepomp (min)

73.1

16.7 (-77.2%)

52.0

20.7 (-60.2%)

Elektriciteitsverbruik van de warmtepommp (kWh)

125.6

135.7 (+8.0%)

95.6

103.4 (+8.2%)

Warmte geleverd (condensor WP) (kWh)

558.3

581.6 (+4.2%)

422.8

429.5 (+1.6%)

Gemiddelde temperatuur sanitair warmwatervat (°C)

46.9

43.7 (-6.8%)

46.8

47.4 (+1.3%)

Aantal keren inschakelen

23/11/2012 © 2011, VITO NV

Veel meer schakelingen! Meer opstartverlies : elektrisch + thermisch + hogere draaitijden van de circulatiepompen

16

Resultaten: energie-uitwisseling met het net Injectie in het net

Extractie uit het net

Ref. (kWh)

Smart Control (kWh)

Verschil (%)

Ref. (kWh)

Smart Control (kWh)

Verschil (%)

Koudste week

16.0

12.7

-20.7%

184.0

185.3

0.7%

Gemiddelde week

80.3

67.9

-15.4%

131.6

125.7

-4.5%

» Hoewel de warmtepomp meer verbruikt, daalt toch de injectie in het net  extra verbruik wordt gecompenseerd door lokaal geproduceerde elektriciteit

23/11/2012 © 2011, VITO NV

17


23/11/2012 © 2011, VITO NV

18

Slimme thermische netten » Valorisatie van (laagwaardige) restwarmte : » Industrie : niet altijd mogelijk (gezien lage temperatuur), soms reeds bekeken » Omzetten naar andere energievormen (vb via ORC, ad/ab sorptiekoeling) » Gebouwen als mogelijke afnemers  nood aan thermische netten

» Valorisatie van hernieuwbare thermische bronnen » Biomassa, diepe geothermie, zonne-energie » Mogelijkheden voor omzetting naar elektriciteit » (Rest)warmtestromen : gebouwen als mogelijke afnemers  thermische netten

» Warmtebronnen niet altijd controleerbaar en voorspelbaar » Tendens naar warmtenetten met meerdere bronnen (naast meerdere afnemers)

23/11/2012 © 2011, VITO NV

19

Slimme thermische netten » Balancering van vraag en aanbod cruciaal in een thermisch net met meerder bronnen en meerdere afnemers » Nood aan intelligente sturing van “bronnen” en “afnemers” » Nood aan thermische opslag » Collectieve wateropslagtanks » Warmtenet zelf (grote hoeveelheid water in het net) » Gedistribueerde opslag » Sanitair warm watertanks in de gebouwen / woningen » Warmwatertanks gecombineerd ruimteverwarming / sww » Gebouwmassa actief gebruiken

23/11/2012 © 2011, VITO NV

20

Slimme thermische netten: gedistribueerde opslag » Voordelen van gedistribueerde opslag » Reductie (of wegvallen) van collectieve opslag » Thermisch verlies blijft in de gebouwschil (vooral interessant in winter) » Mogelijke impact naar dimensionering van het warmtenetwerk (vb kleinere leidingdiameters, betere benutting van de hernieuwbare thermische bronnen, uitbreiding aantal gebouwen) » Technologie is welbekend, goedkoop en gekende systeem lay-out » Opslagelement is meestal aanwezig, dus kleine investeringskost om van “passief” element naar actief inzetbare opslag over te gaan

23/11/2012 © 2011, VITO NV

21

Slimme thermische netten : gedistribueerde opslag » Testopstelling

23/11/2012 © 2011, VITO NV

22

Slimme thermische netten : gedistribueerde opslag » Testresultaten

23/11/2012 © 2011, VITO NV

23


23/11/2012 © 2011, VITO NV

24

Thermische energieopslag: technieken

23/11/2012 © 2011, VITO NV

25

Voelbare warmte »

warmteopslag door temperatuurverhoging van materialen » vloeistoffen 1. watertank - goedkoop - eenvoudig te installeren - algemeen toegepast - thermische verliezen

23/11/2012 © 2011, VITO NV

26

Voelbare warmte »

warmteopslag door temperatuurverhoging van materialen » vaste stoffen 1. Thermische massa gebouw (gebouwschil van zware gebouwen) - vertragend - dempend

bron: http://www.daviddarling.info/encyclopedia/T/AE_thermal_mass.html

23/11/2012 © 2011, VITO NV

27


23/11/2012 © 2011, VITO NV

28

Latente warmteopslag: inleiding » Latente warmte = de warmte die uitgewisseld wordt wanneer een stof van fase verandert (vast ↔ vloeibaar, vloeibaar ↔ gas) » Warmte wordt uitgewisseld op constante temperatuur » Latente warmte per kg meestal groot

23/11/2012 © 2011, VITO NV

29

Voordelen PCM’s » Grote energieopslag in compact volume

PCM: 400 kJ/l

water: 84 kJ/l

verwarming op 7050°C regime 23/11/2012 © 2011, VITO NV

30

PCM’s voor opslagtoepassingen

Toepassingsgebied: gebouwverwarming (20-100°C): - Paraffines (organisch) - Zouthydraten (anorganisch) - (Vetzuren)

Bron: Final Report IEA ECES Annex 17 23/11/2012 © 2011, VITO NV

31

Eigenschappen van PCM’s Ideaal PCM voor KT-warmteopslag:

Bron: B. Zalba, J. Marin, L. Cabeza, H. Mehling, Review on thermal energy storage with phase change materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering 23 (2300) p. 251 – 283.

23/11/2012 © 2011, VITO NV

32

Inkapselen van PCM’s » Microcapsules of slurries

Bron: Final Report IEA ECES Annex 17

23/11/2012 © 2011, VITO NV

33

Inkapselen van PCM’s » PCM in buffervat

23/11/2012 © 2011, VITO NV

34


23/11/2012 © 2011, VITO NV

35

Thermo-chemische opslag » Gebruik maken van bindingsenergie van moleculen: A + B ↔ AB + heat

bron: ECN 23/11/2012 © 2011, VITO NV

36

Thermo-chemische opslag »

Gebruik maken van bindingsenergie van moleculen:

bron: ECN

23/11/2012 © 2011, VITO NV

37

Termo-chemische opslag » » » »

Meestal op hoge temperaturen (+100°C) Hoge-opslagcapaciteiten mogelijk (250 – 4000 kJ/kg) Complex en duur (reactoren, verdamper, condensor) maar veelbelovend Seizoenale opslag » Zonne-energie in de zomer opslaan voor ruimteverwarming in de winter » Gemiddelde woning in NL zou voldoende hebben aan een opslag van 10 - 15 m³ (bron ECN) » FP7 project Merits

23/11/2012 © 2011, VITO NV

38


23/11/2012 © 2011, VITO NV

39

E-hub FP7 Onderzoeksproject (Collaborative project) Call : FP7-2010-NMP-ENV-ENERGY-ICT-EeB Titel: Energy-hub for residential and commercial districts and transport Coördinator: TNO Partners (17) : Fraunhofer, Ertzberg, VITO, D’Appolonia, Acciona, ECN, VTT, TPG-DIMSET, Solintel, EDF, ISPE, Mostostal, Cestec, ICAX, HSW » Duur: 4 jaar, startdatum 1/12/2010 » Demonstratie project Tweewaters, Leuven » Website: www.e-hub.org » » » » »

23/11/2012 © 2011, VITO NV

40

E-hub » Waarom een e-hub? » Maximaliseren van het aandeel aan hernieuwbare energie in duurzame wijken door: » Het optimaal balanceren van de energievraag en de energieproductie » Gebruik van geavanceerde energie-opslag » Toepassen van nieuwe business models » Project is een voorbeeld van een grootschalig demonstratieproject en systeemintegratie

23/11/2012 © 2011, VITO NV

41

E-hub » Doelstellingen van e-hub? » Ontwikkeling van E-Hub als een systeem » Ontwikkeling van een ICT Managementsysteem voor de optimale balancering tussen energievraag en energieproductie » Ontwikkeling van nieuwe componenten en systemen (thermochemische opslag, gedistribueerde opslag, …) » Ontwikkeling van nieuwe business modellen en services » Demonstratie » Demonstratie Tweewaters (Leuven) » Scenario Amsterdam » Scenario Frieburg » Scenario Dailin

23/11/2012 © 2011, VITO NV

42

E-hub » Project structuur

23/11/2012 © 2011, VITO NV

43

E-hub » Het demonstratieproject » Een wijk midden in de stad, ontwikkeld door Ertzberg » Op termijn 5000 mensen die er wonen en werken » Hoge densiteit aan gebouwen

» Een holistische, duurzame visie » Lage energiewoningen » Duurzame energieproductie (80% groene warmte, 100% groene elektriciteit) » Energiemanagement (balancering vraag en aanbod) » Thermische opslag » Autovrije straten en parken » Afvalmanagement » Recyclage van water » Alternatieve transportmiddelen

23/11/2012 © 2011, VITO NV

44

E-hub » Het demonstratieproject

23/11/2012 © 2011, VITO NV

45


23/11/2012 © 2011, VITO NV

46

MOBILISEREN VAN THERMISCHE ENERGIEOPSLAG EN THERMISCHE INERTIE IN GRONDGEKOPPELDE CONCEPTEN VOOR DE SLIMME VERWARMING EN KOELING VAN (MIDDEL)GROTE GEBOUWEN

23/11/2012 © 2011, VITO NV

47

Smart geotherm www.smartgeotherm.be

23/11/2012 © 2011, VITO NV

48

23/11/2012 © 2011, VITO NV

49

zonnecollectoren

afgiftesystemen

Thermische buffers

Horizontale warmtewisselaars

Koude warmte opslag

23/11/2012 © 2011, VITO NV

Vertikale warmtewisselaars & energiepalen 50

Vragen?

Johan Van Bael Unit Energietechnologie, VITO  : +32 14 33 58 26  : +32 14 32 11 85 @ : [email protected]  : Boeretang 200, B-2400 Mol

23/11/2012 © 2011, VITO NV

51

De rol van thermische systemen en thermische opslag in intelligente gebouwen : onderzoek binnen VITO

Recommend Documents