Možnosti využití sluneční energie v systémech CZT AQUATHERM 2011 24. 11. 2011 – Praha
IEE 2008 Project Supported by
SDHtake-off - Solar District Heating in Europe
The sole responsibility for the content of this document lies with the authors. It does not necessarily reflect the opinion of the funding authorities. The funding authorities are not responsible for any use that may be made of the information contained therein.
CZT v ČR Podíl jednotlivých paliv na celkové dodané tepelné energie Biomasa a jiné OZE 3%
Topné oleje 2%
Jiná paliva 8%
Zemní plyn 20%
Uhlí 67%
• systémy CZT jsou závislé na uhlí a zemním plynu Zdroj: eru.cz
2
Těžba uhlí v ČR Porovnání možností težby uhlí 50,0
45,0
mil. tun
40,0
35,0 Celkem v UEL Celkem 30,0
25,0
20,0 2008
2010
2012
2014
2016
2018
2020
2022
2024
2026
rok
• pokles těžby v roce 2013 v podstatě odpovídá množství uhlí, které chybí teplárnám v dlouhodobých kontraktech Zdroj: Invicta BOHEMICA, s.r.o
3
Zemní plyn dovoz/těžba Dovoz/těžba zemního plynu v ČR
2010
rok
2009
těžba 2008
dovoz
2007
0
2000
4000
6000
8000 10000
množství ZP [mil. m3]
• 99 % zemního plynu je do ČR dováženo Zdroj: eru.cz
4
Potenciál dřevní štěpky – svozové vzdálenosti
• svozové vzdálenosti realizovaných zdrojů Zdroj: Invicta BOHEMICA, s.r.o
5
Sluneční energie
• tuzemský a v podstatě nevyčerpatelný zdroj • zdroj s vysokou provozní spolehlivostí (malé nároky na údržbu) • zdroj s dlouhou životností • zdroj s velmi nízkými provozními náklady • vyšší využití plochy při porovnání s cíleným pěstováním fytomasy
6
Integrace do CZT 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 7
Základní princip
8
Koncepce soustav Centrální • solární soustava pracuje jako doplněk vlastního centrálního zdroje tepla
9
Koncepce soustav Decentrální • solární soustava je provozována primárně pro účely krytí potřeby tepla v místě instalace, např. v budově
10
Koncepce soustav Bez akumulace • Solární tepelné zisky se akumulují v objemu rozvodů celé sítě. Solární pokrytí potřeby tepla se pohybuje zhruba do 5 %.
S krátkodobou (denní) akumulací • Nárazníkový akumulátor slouží pro akumulaci nejvýše několikadenních zisků. Návrhové solární pokrytí se pohybuje od 10 do 20 %
S dlouhodobou (sezónní) akumulací • Velkoobjemové sezónní zásobníky slouží pro akumulaci letních nadbytečných zisků a jejich přenesení do zimního období. Návrhové solární pokrytí se pohybuje do 50 %.
11
Typy sezónních zásobníků TTES (Akumulační nádrž)
BTES (Zásobník ze zemními sondami)
PTES (Výkopový zásobník)
ATES (Zvodněné podloží)
12
Typy sezónních zásobníků TTES voda
PTES akumulační látka voda
voda-štěrk 3
tepelná kapacita v kWh/m 60 až 80 60 až 80 30 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 zemina
akumulační látka voda voda-písek 3
tepelná kapacita v kWh/m
15 až 30 30 až 40 vhodné geologické podmínky - přírodní spodní voda - vhodné geologické podmínky pro - ohraničeno nepropustnými vrstvami realizaci vrtů - 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 13
Koncepce akumulace tepla - vodní zásobníky
-
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) 14
Mnichov, 2007, 5 700 m3
Mangold, 2010 15
Mnichov, 2007, 5 700 m3
22 750 000 Kč
16
Koncepce akumulace tepla - šterkovodní/vodní zásobníky -
-
-
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 pěnové sklo, PUR, minerální vlna, extrudovaný polystyren je možné přímé nabíjení/vybíjení zásobníku otopnou vodou nebo nepřímé nabíjení/vybíjení registrem polyetylenových trubek
17
Eggenstein, 2008, 4 500 m3
Mangold, 2010 18
Eggenstein, 2008, 4 500 m3
19 125 000 Kč
19
Koncepce akumulace tepla - zemský polomasiv
hustota akumulace: 15 – 30 kWh/m3 20
Zemní zásobník Crailsheim, 2008, 37 500 m3
21
Zemní zásobník Crailsheim, 2008, 37 500 m3 BTES 37 500 m3 (objem zeminy)
13 000 000 Kč
Vodní zásobník 480 m3 (objem vody)
5 750 000 Kč
22
Koncepce akumulace tepla - zvodněná podloží (aquifery)
-
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, 23
ATES – Rostock, 2000, 20 000 m3
4 275 000 Kč
24
ATES – Rostock, 2000, 20 000 m3
http://www.saisonalspeicher.de 25
Náklady
26
Studie Modelové sídliště s CZT (výtopna) 6 řad x 9 rodinných domů = 54 domů běžný standard: 12 MWh/(rok.dům)
á 150 m2
80 kWh/(m2.rok) (648 MWh/rok)
NE standard: 50 kWh/(m2.rok) 7.5 MWh/(rok.dům) (405 MWh/rok) pasivní standard: 3 MWh/(rok.dům)
20 kWh/(m2.rok) (162 MWh/rok)
příprava TV: 50 l/(os.den) 2.4 MWh/(rok.dům) (129 MWh/rok)
celková plocha jižních střech = 2 900 m2 27/65
Cíle studie
pro zadané solární pokrytí 25 %
50 %
75 %
100 %
stanovit návrhové parametry plocha solárních kolektorů Ak objem sezónního akumulátoru Vs
stanovit energetické přínosy
28/65
Parametry • Solární kolektory – ploché, 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 – lepší izolační standard – dimenze podle navržené plochy kolektorů 29/65
plocha kolektor kolektorů
Výsledky – nároky na plochu SK a objem AKU
100 %
50 %
objem zásobníku Zdroj: Jiří Hubka – Solární soustava pro CZT – ČVUT 2011
30
30
Výsledky - měrné zisky (ekonomické kritérium)
měrné rné tepelné zisky
400 – 500 kWh/m2.rok
100 - 200 kWh/m2.rok
solární pokrytí Zdroj: Jiří Hubka – Solární soustava pro CZT – ČVUT 2011
31
31
Výsledky - podíl tepelných ztrát 50 – 80 %
podíl tepelných ztrát
10 - 25 %
solární pokrytí Zdroj: Jiří Hubka – Solární soustava pro CZT – ČVUT 2011
32
32
Solární soustavy v CZT se 100 % solární pokrytím?
•
f
Ak
V
qss,u
[-] 25% 50% 75% 100%
[m 2] 310 650 1 050 3 500
[m 3] 700 2 600 5 000 38 000
[kWh/m 2] 450 423 386 209
varianta nízkoenergetické domy
Značný rozdíl mezi 50% a 100% solárním pokrytím… - Kolektorová plocha roste více než 5 krát! - Objem zásobníku pak 14 krát!
•
Rostou tepelné ztráty soustavy
•
Klesají významně měrné zisky soustavy
•
Taková změna návrhových a provozních parametrů vede k extrémnímu zvýšení investičních nákladů ... a následně ceny vyráběného tepla !!!
Zdroj: Jiří Hubka – Solární soustava pro CZT – ČVUT 2011
33
33
Solární soustavy v CZT se 100 % solární pokrytím? 25% pokrytí
= 100 MWh = 360 GJ (NED standard)
310 m2 x 400 EUR/m2 = 3.1 mil CZK 700 m3 x 300 EUR/m3 = 5.3 mil CZK cena tepla
8.4 mil CZK
1 500 Kč/GJ
100% pokrytí
= 405 MWh = 1460 GJ (NED standard)
3 500 m2 x 210 EUR/m2 = 18.4 mil CZK 38 000 m3 x 50 EUR/m3 cena tepla
}
} = 47.5 mil CZK
65.9 mil CZK
3 012 Kč/GJ
Pozn.: životnost pro stanovení ceny tepla uvažována 15 let Zdroj: Jiří Hubka – Solární soustava pro CZT – ČVUT 2011
34
34
Kontaktní informace
Ústav techniky prostředí Fakulta strojní ČVUT v Praze Technická 4, 166 07 Praha 6
CityPlan spol. s r.o. Jindřišská 17, 110 00 Praha 1
Doc. Ing. Tomáš Matuška PhD. Tomas.Matuska@ Tomas.Matuska @fs.cvut.cz tel.: 224 352 481
Ing. David Borovský david.borovsky@ david.borovsky @cityplan.cz tel.: 277 005 512
35
35
