Magazyn ciepła

IRENA, powołując się na Europejskie Stowarzyszenie Magazynowania Energii (EASE), definiuje magazynowanie energii cieplnej jako czasowe przechowanie energii przez podgrzanie lub schłodzenie medium tak, by można było jej użyć później do wytwarzania prądu, ogrzewania albo chłodzenia. Medium może być woda w zbiorniku, skała lub ceramika, materiał zmiennofazowy albo stopiona sól.

Raport IRENA z 2020 r. dzieli 13 technologii TES na cztery rodziny. Magazyny ciepła jawnego podnoszą lub obniżają temperaturę materiału. Magazyny ciepła utajonego wykorzystują ciepło pochłaniane albo oddawane, gdy materiał topnieje lub zamarza. Magazyny termochemiczne trzymają energię w odwracalnej reakcji chemicznej, a systemy mechaniczno-termiczne łączą magazyn ciepła ze sprężonym albo skroplonym powietrzem. Według tego samego raportu w 2019 r. na świecie działało około 234 GWh magazynów ciepła, a do 2030 r. rynek może wzrosnąć ponad trzykrotnie, do ponad 800 GWh.

W energetyce najczęściej stosuje się stopioną sól, głównie dlatego, że używają jej elektrownie z koncentracją promieniowania słonecznego (CSP). IRENA szacuje zainstalowaną pojemność magazynów solnych na ponad 21 GWh. Pod koniec 2019 r. najwięcej miały Hiszpania, Stany Zjednoczone i RPA. Stabilność termiczna soli ogranicza maksymalną temperaturę pracy do 565°C.

Nowszym zastosowaniem jest ciepło przemysłowe. Instalacja ładuje się z sieci przez grzałki elektryczne, gdy prąd jest tani albo jest go za dużo, trzyma ciepło w izolowanych zbiornikach i oddaje je przez wytwornicę pary, gdy potrzebuje go proces technologiczny albo sieć ciepłownicza. Tak działa Heatcube firmy Kyoto Group: standardowa konfiguracja 52 MWh dostarcza parę o temperaturze 150-300°C, a producent podaje sprawność cyklu powyżej 93% przy jednym cyklu na dobę. Obie wartości sprawności na tej stronie opisują co innego: ponad 98% według IRENA w tabeli poniżej dotyczy magazynów na stopionej soli jako klasy technologii, a 93% to liczba Kyoto dla kompletnego urządzenia Heatcube, które ładuje się przez grzałki elektryczne i oddaje energię przez wytwornicę pary.

Magazyn ciepła to zbiorniki, pompy, zawory, grzałki i wytwornica pary, a ktoś co kilka minut musi decydować, co każde z tych urządzeń ma robić. Oprogramowanie wokół magazynu ma zwykle cztery warstwy i warto wiedzieć, które z nich się kupuje.

Pierwsza to sterowanie i bezpieczeństwo: system sterowania instalacją, który Kyoto nazywa BMS swojej baterii cieplnej, i ekrany SCADA dla operatorów. Odczytuje temperatury i poziomy w zbiornikach, stany pomp i zaworów oraz moc grzałek i pilnuje, żeby sól pozostała w zakresie roboczym. Magazynu solnego nie wolno wychłodzić poniżej dolnej granicy temperatury, dlatego sterowanie grzałkami, alarmy i sekwencje bezpiecznego wyłączenia należą do tej warstwy. Trzeba je testować na prawdziwym sprzęcie i w symulacji.

Druga to interfejs do zakładu. Heatcube firmy Kyoto łączy swój BMS z systemem zarządzania energią (EMS) klienta przez standardowy interfejs przemysłowy. W zapytaniu ofertowym trzeba wskazać ten interfejs i sygnały, które przez niego przechodzą: dostępne ciepło w MWh, maksymalną moc ładowania i rozładowania, zapotrzebowanie na parę, alarmy. Jeśli magazyn ma też świadczyć usługi dla sieci, liczy się czas reakcji. Heatcube zaczyna się ładować w niecałe 3 sekundy.

Trzecia to optymalizacja. Wartość magazynu ciepła bierze się z przesuwania zużycia prądu z drogich godzin na tanie, więc harmonogram potrzebuje cen z rynku dnia następnego i rynku dnia bieżącego, prognozy pogody i prognozy zapotrzebowania na ciepło. Źródła danych rynkowych przestają działać i zmieniają format, dlatego import danych wymaga walidacji, ponawiania i awaryjnego harmonogramu.

Czwarta to dane i symulacja: historian (baza danych procesowych), kokpity i często cyfrowy bliźniak, na którym testuje się strategie ładowania i dobiera wielkość kolejnej instalacji, zanim powstanie.

Stopiona sól występuje też w ogniwach elektrochemicznych, czyli w innej technologii niż opisane tu magazyny ciepła. Obie opisuje artykuł o bateriach ze stopionej soli (po angielsku).

Przez trzy i pół roku pracowaliśmy z Kyoto Group nad oprogramowaniem przemysłowego IoT i cyfrowego bliźniaka dla jej magazynu ciepła na stopionej soli: od MVP UX/UI do opartego na SCADA systemu, który w czasie rzeczywistym monitoruje i steruje przepływem energii.

W 2024 r. zakres obejmował to, co Kyoto nazywa BMS swojej baterii cieplnej: sterowanie zaworami, pompami i przepływem gorącej cieczy w magazynie solnym. Wokół niego zespół pracował nad bezpieczną infrastrukturą chmurową dla urządzeń i czujników instalacji, nadzorem kamerami na podczerwień z rozpoznawaniem obrazu i kokpitami zarządczymi. System zbierał też dane pogodowe i analizował ceny energii. Stack: React.js, Python i AWS, a do infrastruktury Terragrunt i Jenkins. Dwa wnioski z tej pracy przydadzą się w każdym projekcie magazynu ciepła. API danych rynkowych, w tym ENTSO-E, zwracały niespójne formaty plików i nie zawsze były dostępne, więc dane o cenach wymagały walidacji i planu awaryjnego. Jakość danych z instalacji trzeba ustalić na starcie, bo zależą od niej symulacja i harmonogram.