Energetyka odnawialna w budownictwie - ebook

1. Magazynowanie energii podstawą rozwoju energetyki odnawialnej

Dorota Chwieduk

1.1. Rola magazynowania energii

Magazynowanie różnych form energii jest obecnie bardzo istotnym zagadnieniem, w szczególności gdy dane źródło jest dostępne okresowo, a jego moce są silnie zmienne w czasie. Co więcej, magazynowanie energii pomaga osiągnąć samowystarczalność energetyczną i zabezpiecza przed stanem awaryjnym urządzeń i instalacji, w tym brakiem zasilania energią. Magazynowanie energii jest więc konieczne dla bezpieczeństwa energetycznego w mikro-, małej i wielkiej skali. Staje się ono coraz bardziej istotne dla tradycyjnych systemów energetycznych bazujących na paliwach kopalnych w celu uniknięcia tzw. blackoutów. Magazynowanie energii jest też podstawowym problemem współczesnej energetyki odnawialnej .

Ostatnio szybko wzrasta nasycenie rynku technologiami energetyki odnawialnej, a źródła energii odnawialnej mają często charakter stochastyczny. Uważa się, że to właśnie brak wysokoefektywnych i tanich technologii magazynowania ogranicza rozwój wykorzystania odnawialnych źródeł energii. Rozwiązanie choć części problemów związanych z magazynowaniem energii doprowadziłoby do znacznych oszczędności w zużyciu paliw kopalnych, racjonalizacji wykorzystania istniejących zasobów, a w konsekwencji służyłoby zapewnieniu poszanowania energii i ochronie środowiska.

Magazynowanie energii kompensuje lub znacznie zmniejsza okresowe zachwiania w bilansie energetycznym występujące między zapotrzebowaniem na energię – popytem a jej dostarczaniem – podażą. Tak jak w ekonomii dla prawidłowego rozwoju gospodarki niezbędne jest wprowadzanie odpowiednich metod i instrumentów służących do równoważenia popytu z podażą, tak samo jest to istotne dla energetyki, i to zarówno w skali makro, jak i mikro. Jeżeli czas wytwarzania energii i możliwości jej dostarczania do odbiorcy nie są spójne z czasem zapotrzebowania na tę energię, wtedy podstawowym sposobem zrównoważenia bilansu energetycznego, popytu na energię z jej podażą, jest akumulacja energii.

Magazynowanie energii o charakterze krótkoterminowym jest powszechnie stosowane w odniesieniu do ciepła . Przykładem mogą być domowe zasobniki ciepłej wody użytkowej. Magazynowanie krótkoterminowe umożliwia stosowanie systemów o mniejszej maksymalnej mocy zainstalowanej. Jednocześnie dzięki możliwości magazynowania energii można korzystać z tańszej energii, jeżeli występują różnice w taryfach i jest stosowana np. taryfa nocna. W energetyce konwencjonalnej w ciepłowniach i elektrociepłowniach wielkich mocy coraz częściej stosuje się wielogabarytowe zasobniki ciepła .

Stosowanie długoterminowego, w tym sezonowego, magazynowania ciepła jest ciągle znacznie mniej popularne , . Powodem takiej sytuacji nie jest jednak mały potencjał techniczny ciepła nadającego się do długoterminowej akumulacji; wręcz odwrotnie – latem istnieją duże nadwyżki niewykorzystanego ciepła. Możliwość zmagazynowania nadmiaru ciepła umożliwiłaby zbilansowanie wytwarzania energii latem z jej zużyciem zimą. Rzeczywiste wykorzystanie i zmagazynowanie istniejących nadwyżek jest więc bardzo wskazane, ale niestety jeszcze ciągle ograniczone czynnikami ekonomicznymi, a także, chociaż w mniejszym stopniu, trudnościami technicznymi.

Istnieje duży potencjał ciepła odpadowego w wielu procesach przemysłowych. Zwykle nie ma bezpośredniego zapotrzebowania na nie i jest ono bezpowrotnie tracone. Wskazane byłoby więc magazynowanie tego ciepła w celu jego późniejszego wykorzystania zgodnie z istniejącym zapotrzebowaniem, aby poprawić efektywność energetyczną całości zachodzących procesów pozyskiwania, przetwarzania i wykorzystania energii. Na przykład spalarnia śmieci działa w cyklu tygodniowym (jedno- lub dwu-) albo miesięcznym, a wytwarzane ciepło jest wykorzystywane tylko w niewielkiej części w sposób bezpośredni (od razu), większość jest tracona (oddawana do otoczenia). Magazynowanie ciepła powinno więc, w zależności od sytuacji (w tym przypadku częstotliwość pracy spalarni), mieć charakter tygodniowy lub miesięczny. Takie ciepło mogłoby zasilać w trybie ciągłym osiedlową sieć ciepłowniczą. Jednak stosowanie magazynowania jest obecnie mało popularne, co wynika przede wszystkim z wysokich nakładów inwestycyjnych na długoterminowe magazyny ciepła, a także często z kosztów ich eksploatacji lub też po prostu z powodu braku odpowiednich technologii, które proces magazynowania uczyniłyby efektywnym w długim okresie (odpowiedniego dobrze izolowanego ośrodka magazynującego, dużego magazynu, dostępności miejsca na jego lokalizację).

Magazynowanie energii w sposób oczywisty równoważy zapotrzebowanie na energię z jej dostarczaniem. Pozyskiwanie i przetwarzanie energii może odbywać się w innym czasie niż jej zużycie. Jak już wspomniano, magazynowanie energii jest podstawą wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych, szczególnie jeśli wydajność energetyczna systemów energetyki odnawialnej ma być duża –.

1.2. Oddziaływanie promieniowania słonecznego na Ziemię

Magazynowanie ciepła jest procesem powszechnie występującym na Ziemi, a magazynowanie energii promieniowania słonecznego w postaci ciepła w wyniku zachodzącej konwersji fototermicznej decyduje o życiu na Ziemi. Opisy oddziaływania promieniowania słonecznego na bilans cieplny Ziemi można znaleźć w literaturze –.

Strumień energii wysyłany przez powierzchnię Słońca A_(S) wynosi = 3,85 · 10²⁶ W. Emisyjność właściwa Słońca (strumień energii wypływający z jednostkowego pola zewnętrznej gazowej powierzchni Słońca) wynosi 63,11 MW/m². Emisyjność właściwa na powierzchni sfery, na której znajduje się Ziemia, wynosi 1366 W/m² (jest to tzw. stała słoneczna). Natomiast całkowity strumień energii promieniowania słonecznego na zewnętrznych warstwach atmosfery wynosi 1,74 · 10¹⁷ W.

Około 28% strumienia energii promieniowania słonecznego, docierającego do zewnętrznych warstw atmosfery w ilości 0,49 · 10¹⁷ W, jest odbijane (tzw. albedo atmosfery) i powraca w przestrzeń kosmiczną. Pozostała część promieniowania słonecznego, wynosząca 1,25 · 10¹⁷ W, wnika do biosfery ziemskiej. Przez biosferę przechodzi średnio około 264 W/m² strumienia energii promieniowania słonecznego (w odniesieniu do całej powierzchni Ziemi), z czego 34% jest pochłanianie w atmosferze przez gazowe cząsteczki atmosfery, czyli podlega konwersji fototermicznej. W wyniku pochłaniania rośnie energia wewnętrzna cząsteczek atmosfery, ich temperatura wzrasta. Pozyskana energia jest przede wszystkim wykorzystywana do przemian fazowych wody, dzięki czemu na Ziemi występuje zamknięty cykl obiegu wody, w znacznie mniejszym stopniu powoduje ona też ruchy powietrza atmosferycznego (powstanie wiatrów). Ostatecznie do powierzchni Ziemi dociera średnio około 66% całkowitego strumienia energii promieniowania słonecznego przechodzącego przez biosferę. co odpowiada 162 W/m². Całkowity strumienia docierający do powierzchni Ziemi (66% z 125 · 10¹⁵ W), na poziomie około 80 · 10¹⁵ W, jest pochłaniany przez oceany i grunt, powodując przyrost ich energii wewnętrznej. Na wspomniane przemiany fazowe wody przypada 40 · 10¹⁵ W, na ruchy powietrza atmosferycznego 3 · 10¹⁵ W, a około 0,03 · 10¹⁵ W jest wykorzystywane w procesach fotosyntezy. Istnieją też zyski na samej Ziemi:

- zyski na poziomie 1 · 10¹⁵ W wynikające z ciepła wnętrza Ziemi (geotermia),
- 0,012 · 10¹⁵ W pochodzące ze spalania paliw,
- około 0,001 · 10¹⁵ W będące efektem pływów morskich.

Aby bilans energetyczny Ziemi był zachowany, strumień energii wnikający w biosferę w postaci promieniowania słonecznego (krótkofalowego) jest wypromieniowywany w postaci promieniowania długofalowego w przestrzeń kosmiczną (w ilości 125 · 10¹⁵ W).

Jak już wspomniano, promieniowanie słoneczne jest pochłaniane przez oceany i grunt oraz obiekty się na nim znajdujące, co powoduje przyrost energii wewnętrznej gruntów i oceanów. Promieniowanie słoneczne podlega konwersji fototermicznej, a pozyskane ciepło jest zakumulowane w poszczególnych ośrodkach lub wymieniane z innymi obiektami w bliższym i dalszym otoczeniu. Stąd Ziemia i obiekty się na niej znajdujące są swoistymi magazynami ciepła. Akumulacja ciepła w sposób naturalny odbywa się cały czas w różnych ciałach, głównie stałych i ciekłych, w różnym czasie. Stosując planowane metody magazynowania ciepła, człowiek często naśladuje naturę. Problemem jest bowiem zmienny w czasie, często stochastyczny charakter dostępności energii ze źródeł odnawialnych i często występująca niekoherentność (brak spójności) między czasem występowania energii ze źródła odnawialnego i jej strumieniem a czasem i wielkością zapotrzebowania na tę energię.

Problem stochastyczności dotyczy energii promieniowania słonecznego i energii wiatru (będącej zresztą pochodną energii promieniowania słonecznego). Co więcej, mamy nie tylko problem ze zmiennym w czasie natężeniem promieniowania słonecznego i zmienną prędkością i kierunkiem wiatru, lecz także dodatkowo z okresowym brakiem dostępności do tych źródeł energii (noc – brak promieniowania słonecznego, cisza – brak wiatru). Oznacza to, że konieczność magazynowania energii jest szczególnie ważna właśnie w systemach wykorzystujących energię promieniowania słonecznego i wiatru w celu zapewnienia efektywnego, stałego i niezakłóconego w czasie dostarczania energii do odbiorcy końcowego. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że energia promieniowania słonecznego ma także charakter deterministyczny: znane są godziny wschodu i zachodu słońca w kolejnych dniach roku, rozkład dzienny i wielkość natężenia promieniowania słonecznego przy braku zachmurzenia. To właśnie zachmurzenie, a także stan atmosfery związany z jej zapyleniem, obecnością aerozoli i innych zanieczyszczeń, wprowadzają stochastyczność zjawisk i zakłócają możliwość planowego pozyskiwania energii promieniowania słonecznego do celów użytkowych, w konsekwencji narzucając konieczność magazynowania energii.

1.3. Magazynowanie ciepła w systemach energetyki odnawialnej

Jak już wspomniano, wykorzystanie energii promieniowania słonecznego w sposób efektywny jest związane z koniecznością jej magazynowania w krótkim i długim przedziale czasu. Okresowa i zmienna w czasie dostępność promieniowania słonecznego powoduje stosowanie różnych metod magazynowania ciepła. Wykorzystuje się przede wszystkim magazynowanie przez wykorzystanie ciepła właściwego ośrodka magazynującego. W instalacjach słonecznych powszechnie stosowanym medium magazynującym jest woda –.

Problem stochastyczności nie dotyczy natomiast wykorzystania energetycznego biomasy , . Odpowiednie zasoby zmagazynowanej biomasy, jako surowca do procesów energetycznych, takich jak: spalanie, gazyfikacja, fermentacja, piroliza, itp., mogą zapewnić ciągłość, a przez to niezawodność dostarczania energii do odbiorcy. W tym przypadku magazynowanie dotyczy surowca (biomasy przygotowanej do wykorzystania do celów energetycznych), jak również pozyskanego paliwa, np. biogazu czy biooleju magazynowanych w odpowiednich zbiornikach. Można oczywiście akumulować energię końcową pochodzącą z procesów energetycznego przetwarzania biomasy, w przypadku ciepła – w zasobnikach ciepłej (gorącej) wody w ciepłowni lub elektrociepłowni, w przypadku energii elektrycznej – w akumulatorach lub w postaci sprężonego powietrza, co jest jednak ciągle mało popularne.

Problem stochastyczności nie występuje także w przypadku geotermii, czyli przy wykorzystaniu ciepła z głębi ziemi. Ciepłownia lub elektrociepłownia geotermalna może zapewnić ciągłość dostaw energii do odbiorcy , . Często jednak stosowane są wodne zasobniki ciepła w samej ciepłowni, zwłaszcza jeśli występują zmienne w czasie obciążenia grzewcze, co jest typowe dla układów ogrzewania pomieszczeń.

W przypadku płytkiej geotermii, czyli wykorzystania gruntu jako źródła ciepła dla pompy ciepła , za pośrednictwem wymienników poziomych lub pionowych, problem stochastyczności też nie występuje. Grunt jest źródłem ciepła niskotemperaturowego, a tak naprawdę również naturalnym magazynem ciepła pozyskiwanego z otoczenia zewnętrznego i przepływającego z głębi Ziemi, chociaż dla małych głębokości udział ciepła z głębokich warstw jest nieznaczny. Odbiór ciepła z gruntu może teoretycznie odbywać się w sposób ciągły, ale w celu zapewnienia bardziej wydajnej pracy systemu grzewczego stosuje się wodne zasobniki ciepła, a pompa ciepła pracuje okresowo.

Pompa ciepła może też wykorzystywać inne odnawialne źródła energii, których dostępność i koherentność są zróżnicowane , . Temperatura wód gruntowych jest zwykle stała w roku – w tym przypadku również mamy do czynienia z naturalnym magazynem ciepła, jakim są właśnie wody podziemne i warstwy gruntu z nimi sąsiadujące (często w postaci tzw. aquifera). Wody powierzchniowe, rzeki, jeziora, stawy, mogą również być wykorzystywane jako dolne źródła ciepła i stanowią naturalne zasobniki ciepła, ale jest ono zwykle względnie szybko tracone, zwłaszcza zimą, na skutek oddziaływania otoczenia o niskich temperaturach i wiatru. Najmniej stabilnym cieplnie dolnym źródłem pompy ciepła jest powietrze atmosferyczne (otoczenia zewnętrznego) i trudno je traktować jako naturalny magazyn ciepła (szybka zmiana temperatury nawet w krótkim czasie; brak powierzchni ograniczających powietrze jako ośrodek magazynujący, jak w typowych zasobnikach).

Należy podkreślić, że praktycznie wszystkie instalacje grzewcze wykorzystujące odnawialne źródła ciepła są wyposażone w zasobniki ciepła. Co prawda, pompy ciepła w instalacjach grzewczych jeszcze nie tak dawno pracowały, bezpośrednio dostarczając ciepło do systemu ogrzewania pomieszczeń (wodnego lub powietrznego). Obecnie pompa ciepła może dostarczać ciepło zarówno bezpośrednio do ogrzewanych pomieszczeń, jak i do zasobników ciepła. W konsekwencji jej czas pracy może być inny niż czas pracy instalacji ogrzewania (zwykle niskotemperaturowego podłogowego lub ściennego).

W przypadku magazynowania ciepła wykorzystuje się pojemność cieplną ośrodka magazynującego (wyrażaną w kJ/K), która określa zdolność do akumulacji ciepła (w kJ) przy zmianie temperatury ośrodka o 1 K. Magazynowanie może się odbywać dzięki wykorzystaniu ciepła właściwego ośrodka magazynującego (wyrażanego w kJ/(kg K)), które powinno być jak największe. Najczęściej ciepło magazynuje się w ciałach stałych (skałach, gruncie, materiałach budowlanych: fundamentach, stropach, bloczkach betonowych, cegle itp.) oraz w cieczach (wodzie, olejach, ciekłych woskach, niektórych czynnikach chłodniczych).

Najbardziej rozpowszechnione jest magazynowanie ciepła wykorzystujące ciepło właściwe medium magazynującego, jakim jest woda. W przypadku wodnych zasobników grzewczych instalacji niskotemperaturowych, np. z pompami ciepła, kolektorami słonecznymi, ważne jest wykorzystanie efektu stratyfikacji ciepła w zasobniku , . Efekt stratyfikacji, czyli uwarstwienia ciepła, umożliwia magazynowanie ciepła o różnej temperaturze, dostarczanego do odpowiedniej strefy temperaturowej zasobnika (ze wzrostem wysokości rośnie temperatura w zasobniku), oraz odbiór ciepła o różnej temperaturze w zależności od celu, do jakiego ciepło ma być wykorzystywane. Ciepło do zaspokojenia potrzeb c.w.u. ma wyższą temperaturę niż ciepło do ogrzewania pomieszczeń w systemach niskotemperaturowych, czyli przy ogrzewaniu podłogowym lub ściennym. Magazynowanie ciepła w takich zasobnikach ma zwykle charakter krótkoterminowy i umożliwia stosowanie systemów o mniejszej maksymalnej mocy zainstalowanej niż system bez magazynowania.

Magazynowanie może się również odbywać dzięki wykorzystaniu ciepła utajonego, występującego przy przemianach fazowych ośrodka magazynującego, czyli przy przejściu z jednego stanu skupienia w drugi. W budownictwie wykorzystuje się takie przemiany, które zachodzą przy zmianie stanu stałego na ciekły, kiedy zachodzi pochłanianie i magazynowanie ciepła, a następnie przy zmianie stanu ciekłego na stały, kiedy to z kolei ma miejsce uwalnianie zmagazynowanego ciepła, przy czym charakterystyczne jest, że temperatura przemiany fazowej (topnienie, zestalanie) jest praktycznie stała –.

Magazynowanie ciepła może się także odbywać dzięki wykorzystaniu odwracalnych reakcji chemicznych i procesów sorpcyjnych, co nazywane jest akumulacją termochemiczną ciepła. Przemiana chemiczna ma charakter endotermiczny, kiedy zachodzi pochłanianie ciepła i jego akumulacja. Dostarczane ciepło podlega konwersji w energię chemiczną i w tej postaci jest magazynowane. Natomiast uwalnianie zmagazynowanego ciepła odbywa się w przemianach egzotermicznych. Zmiany entalpii w czasie zachodzących przemian chemicznych są znacznie większe niż w przypadku przemian fazowych.

Tabela 1.1 ilustruje różne gęstości magazynowania uzyskane w wyniku stosowania głównych metod magazynowania ciepła dla przykładowych ośrodków .

Analizując dane zamieszczone w tabeli 1.1, można wyraźnie zaobserwować, że najbardziej wydajnymi procesami magazynowania są te zachodzące przy wykorzystaniu reakcji chemicznych. Są one jednak najbardziej złożone, a przez to najmniej powszechne. Natomiast magazynowanie ciepła przy wykorzystaniu ciepła właściwego danego ośrodka jest najprostsze, a dzięki temu najczęściej stosowane; co więcej, jest powszechnym naturalnym sposobem magazynowania ciepła na Ziemi. Drugim powszechnym zjawiskiem magazynowania ciepła jest akumulacja i uwalniane (oddawanie) ciepła w procesach przemian fazowych.

Tab. 1.1. Podstawowe parametry głównych technologii magazynowania ciepłą dla wybranych ośrodków magazynujących wg

Rodzaj technologii magazynowania

Materiał

Energia zmagazynowana objętościowo

Energia zmagazynowana masowo

Zakres temperatur lub temperatura i ciśnienie

Ciepło właściwe

Granit

50

17

ΔT= 20 K

Woda

84

84

ΔT= 20 K

Ciepło utajone

Woda

306

330

T_(t) = 0°C

Parafiny

180

200–250

T_(t) = 5–130°C

Hydraty soli

300

200–300

T_(t) = 5–130°C

Sole

600–1500

300–700

T_(t) = 300–800°C

Reakcje chemiczne

H₂ gaz (utlenianie)

11

120 000

300 K, 1 bar

H₂ gaz (utlenianie)

2160

120 000

300 K, 200 bar

H₂ ciecz (utlenianie)

8400

120 000

20 K, 1 bar

Gaz ziemny

32

45 000

300 K, 1 bar

Benzyna

33 000

44 000

1.4. Magazynowanie energii elektrycznej

Magazynowanie energii elektrycznej, jak i ona sama, w sposób naturalny występuje rzadko. Podstawowym, najbardziej znanym naturalnym zjawiskiem, w którym na skutek różnicy potencjałów zachodzi przepływ energii elektrycznej, jest wyładowanie atmosferyczne. Ma tu miejsce przepływ ładunków między chmurami a ziemią. Przepływ ładunków, ale już przy znacznie mniejszej różnicy potencjałów, zachodzi także w czasie zjawisk elektrostatycznych (pocierania odpowiednich materiałów), jednakże są one o wiele mniej powszechne niż zjawiska przemian cieplnych.

Stosowane obecnie metody magazynowaniu energii elektrycznej dotyczą dwóch podstawowych technologii:

- magazynowania bezpośredniego w polu elektrycznym i magnetycznym,
- magazynowania pośredniego, wykorzystującego konwersję energii elektrycznej na inną postać energii, np. kinetyczną, potencjalną, chemiczną itp.

Najbardziej powszechną metodą magazynowania energii elektrycznej jest gromadzenie jej w akumulatorach. Akumulatory są rodzajem ogniwa galwanicznego z dwiema elektrodami zanurzonymi w elektrolicie. W wyniku odwracalnych reakcji chemicznych zachodzących w akumulatorze energia jest akumulowana (energia elektryczna ulega przemianie w energię chemiczną), a później uwalniana (energia chemiczna podlega konwersji w energię elektryczną). Akumulatory są powszechnie stosowane w autonomicznych, tzw. wyspowych, czyli niepodłączonych do sieci elektroenergetycznej elektrowniach fotowoltaicznych i wiatrowych (różnej mocy) ze względu na wspomniany stochastyczny charakter dostępności do źródeł energii i ich wydajności. Akumulatory mogą też być stosowane w instalacjach podłączonych do sieci, mających równocześnie funkcję własnego magazynowania pozyskanej energii elektrycznej. Istotnym parametrem akumulatorów jest ich pojemność, która opisuje zdolność akumulatora do przechowywania ładunku elektrycznego i zazwyczaj wyrażana jest w amperogodzinach lub w watogodzinach .

Akumulatory stosowane w instalacjach fotowoltaicznych, a także wiatrowych, różnią się od standardowych akumulatorów stosowanych w elektroenergetyce i telekomunikacji , –. Wynika to przede wszystkim ze zmiennych warunków ładowania i rozładowywania akumulatorów, co jest wynikiem stochastycznego charakteru źródeł energii słonecznej i wiatrowej. Akumulatory te pełnią zwykle funkcję bufora i rzadko są w stanie całkowitego naładowania. Mogą natomiast znajdować się przez dłuższy czas w stanie całkowitego rozładowania, jak i przeładowania. Nie pracują w regularnych cyklach ładowanie–rozładowanie i zwykle działają w szerokim zakresie temperatur. Tradycyjne akumulatory kwasowo-ołowiowe (wodny roztwór kwasu siarkowego pełni funkcję elektrolitu, elektrody są wykonane z ołowiu – katoda i tlenku ołowiu – anoda) mogą być stosowane, jeśli są wyposażone w tzw. pancerną płytę anody oraz zawierają tzw. zewnętrzny rekombinator gazów i zewnętrzny system mieszania elektrolitu.

W instalacjach fotowoltaicznych i wiatrowych ze względu na ich nieregularne działanie (brak cykliczności) zwykle stosuje się akumulatory nowszej generacji litowo-jonowe, żelowe i AGM (ang. Absorbent Glass Mat). W akumulatorach żelowych elektrolit o strukturze krzemionki jest w postaci żelu. Akumulatory te charakteryzują się wysoką sprawnością ładowania. Mają także niewielkie wymagania co do ich wentylacji (chłodzenia). Nie występuje w nich zjawisko rozwarstwiania elektrolitu (które może pojawiać się w tradycyjnych akumulatorach kwasowo-ołowiowych, jeżeli proces ładowania zachodzi powoli). Akumulatory te wykazują się zdolnością powrotu ze stanu głębokiego rozładowania do cyklu pełnego ładowania; liczba takich cykli pracy, nawet przy ich dużej nieregularności, może powtarzać się wielokrotnie, co odpowiada charakterowi pracy systemów fotowoltaicznych i wiatrowych.

W akumulatorach typu AGM elektrolit jest umieszczony w separatorach w postaci mat z włókna szklanego. Z kolei maty te znajdują się między ołowiowymi płytami akumulatora. W akumulatorach tego typu jest stosowany jednokierunkowy zawór ciśnieniowy, który otwiera się, gdy następuje zbyt duży wzrost ciśnienia gazów w akumulatorze, co może mieć miejsce, gdy akumulator jest nadmiernie ładowany. Pewną wadą w stosunku do akumulatorów żelowych jest mniejsza możliwa liczba cykli pracy, zwłaszcza tych nieregularnych, czyli krótsza żywotność.

Należy podkreślić, że niezależnie od typu akumulatora każdy z nich musi być wyposażony w odpowiedni regulatora ładowania.

W tradycyjnej elektroenergetyce dużej skali stosowane stosuje się też inne nowe technologie magazynowania, do których należą magazyny sprężonego powietrza CAES (ang. Compressed Air Energy Storage), superkondensatory (kondensatory elektrolityczne wykorzystujące zjawisko magazynowania energii w polu elektrycznym) oraz nadprzewodnikowe zasobniki energii SMES (ang. Superconducting Magnetic Energy Storage). W przypadku energetyki odnawialnej te rozwiązania mogłyby być stosowane w elektrowniach dużych mocy zasilanych biogazem i biomasą. Obecnie takie magazyny nie są stosowane w budownictwie.

Z kolei w przypadku energetyki wodnej można stosować magazynowanie energii w elektrowniach szczytowo-pompowych. Te rozwiązania także dotyczą raczej dużej energetyki i nie odnoszą się w sposób bezpośredni do budownictwa.

Kolejnym nowym sposobem magazynowania energii elektrycznej jest jej akumulacja przy wykorzystaniu wodoru jako ośrodka magazynującego. Zmagazynowany wodór w celu pozyskania energii elektrycznej jest wykorzystywany jako paliwo w ogniwach paliwowych. Energetyka wodorowa może dotyczyć klasycznej energetyki konwencjonalnej dużych mocy, ale także energetyki mikro- i małej skali. W przypadku energetyki odnawialnej stosuje się instalacje fotowoltaiczne, które poza bezpośrednim zużyciem pozyskanej energii elektrycznej mogą tę energię wykorzystywać do procesów elektrolizy wody, a powstały wodór i tlen magazynować. Podobnie jak w makroskali, tak i w tym przypadku w razie potrzeby wodór jest wykorzystywany w ogniwach paliwowych (niskotemperaturowych) do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwsza na świecie instalacja tego typu z bezpośrednim umieszczeniem magazynu wodoru przy budynku powstała w 1991 roku we Freiburgu (Niemcy) w tzw. domu stuprocentowo słonecznym. Jednakże od tej pory, głównie z powodu uregulowań prawnych dotyczących bezpieczeństwa w Europie, nie budowano więcej takich magazynów wodoru bezpośrednio umieszczonych przy lub w budynkach (w Japonii w osiedlach domków jednorodzinnych działają instalacje tego typu). Być może wodór będzie zarówno paliwem przyszłości, jak i medium magazynującym, co pozwoli rozwiązać problemy energetyki odnawialnej w małej i dużej skali.

Literatura

1. Alva G., Lin Y., Fang G., An overview of thermal energy storage systems, „Energy” 2018, t. 144, s. 341–378.

2. Domański R., Magazynowanie energii cieplnej, PWN, Warszawa 1990.

3. Chmielniak T., Technologie energetyczne, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2008.

4. Braun J.E., Klein S.A., Mitchell J.W., Seasonal Storage of Energy in Solar Heating, „Solar Energy” 1981, t. 26, nr 5, s. 403–411.

5. Chwieduk D., Chwieduk M., Idea wykorzystania gruntu jako źródła ciepła i sezonowego magazynu, „Instal” 2016, t. 12 (379), s. 17–22.

6. Cieśliński J., Mikielewicz J., Niekonwencjonalne źródła energii, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1996.

7. Chwieduk D., Budownictwo niskoenergetyczne. Energie odnawialne, Budownictwo ogólne, t. 2, Fizyka budowli, red. P. Klemm, Arkady, Warszawa 2005, s. 1065–1151.

8. Jastrzębska G., Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.

9. Lewandowski W.M., Proekologiczne odnawialne źródła energii, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa 2007.

10. Twidell J., Weir T., Renewable Energy Resources, E & FN Spon, University Press Cambridge, London 1996.

11. Quaschning V., Understanding renewable energy systems, Earthscan, London 2006.

12. Pluta Z., Podstawy teoretyczne fototermicznej konwersji energii słonecznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.

13. Chwieduk D., Energetyka słoneczna budynku, Arkady, Warszawa 2011.

14. Budzyński W., Bielski S., Surowce energetyczne pochodzenia rolniczego, cz. 2, Biomasa jako paliwo stałe, Acta Scientiarum Polonorum, Agricultura 2004, nr 3(2), s. 15–26.

15. Kotowicz J., Bartela Ł., Energetyczne wykorzystanie biomasy drzewnej – przegląd technologii, „Rynek Energii” 2007, nr 6, s. 22–28.

16. Kępińska B., Wykorzystanie wód i energii geotermalnej na świecie i w Europie, „Polska Energetyka Słoneczna” 2011, t. 2–4, s. 55–58.

17. Nowak W., Stachel A.A., Borsukiewicz-Gozdur A., Zastosowania odnawialnych źródeł energii, Wydawnictwo Uczelniane Politechniki Szczecińskiej, Szczecin 2008.

18. Chwieduk D., Analysis of utilisation of renewable energies as heat sources for heat pumps in building sector, „Renewable Energy, An International Journal” 1996, nr 1–4.

19. Chwieduk D., Solar Assisted Heat Pumps, Comprehensive Renewable Energy, t. 3, Solar Thermal Systems: Components and Application, Elsevier, Amsterdam 2012, s. 495–528.

20. Duffie J.A., Beckman W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons Inc., New York 1991.

21. Chwieduk D., Bigorajski J., Chwieduk M., Porównanie modeli stratyfikacji ciepła w zasobnikach ciepła słonecznych instalacji grzewczych, „Instal” 2016, t. 371, nr 3, s. 31–35.

22. Baetens R., Jelle B.P., Gustavsen A., Phase change materials for building applications: a state-of-the-art review, „Energy and Buildings” 2012, t. 42, nr 9, s. 1361–1368.

23. Chwieduk D., Dynamics of external wall structures with a PCM (phase change materials) in high latitude countries, „Energy 59” 2013, s. 301–313.

24. Jaworski M., Materiały zmiennofazowe (PCM) do zastosowań w budownictwie, „Polska Energetyka Słoneczna” 2008, t. 1–4, s. 57–60.

25. Zhou D., Tian Y., Review on thermal energy storage with phase change materials (PCMs) in building applications, „Applied Energy” 2012, nr 92, s. 593–605.

26. Cabeza L.F., Thermal Energy Storage, Comprehensive Renewable Energy, t. 3, Solar Thermal Systems: Components and Application, Elsevier, Amsterdam 2012, s. 211–254.

27. Jastrzębska G., Ogniwa fotowoltaiczne. Budowa, technologia i zastosowanie, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2013.

28. Ftenakis V.M., Nikolakakis T., Storage Options for Photovoltaics, Comprehensive Renewable Energy, t. 3, Solar Thermal Systems: Components and Application, Elsevier, Amsterdam 2012, s. 199–212.

29. Milborrow D., Wind Energy Development, „Polska Energetyka Słoneczna” 2014, t. 1–4, s. 69–72.