Tepelná baterie pro velkokapacitní aplikace jako alternativní úložiště energie

Abstract

Tato práce představuje kritické zhodnocení konkrétního tepelného úložišště energie na bázi sypkých materiálů, přesněji křemičitého písku, jako akumulačního media. Kvůli rostoucímu počtu OZE v ČR v posledních letech, vzniká nerovnováha mezi hrubou produkcí energie z OZE and spotřebou energie, což zvyšuje nároky a poptávku na ukládání energie. Tepelná baterie představuje termodynamicky jednoduché, dostupné řešení, s dlouhodobým a velkokapacitním potenciálem. Nejprve je provedena široká analýza současných trendů v oboru ukládání energie, a na jejím základě jsou zvoleny vstupní parametry pro návrh tepelné baterie pro refernční budovu. Po zjištění energetických požadavků na tepelnou baterii a její kapacitu, jsou provedeny ruční bilanční výpočty. Simulace nabíjecího a vybíjecího cyklu celého systému baterie vede k zjištění termodynamických vlastností v průběhu času. Následně je provedena samostatná účinnsotní simulace objektu tepelné baterie. Model baterie je zjednodušen na 2D geometrii, po úspěšném porovnání se skutečnou 3D geometrií, a pro každý měsíc jedno-ročního cyklu jsou zjištěny tepelné ztráty a energetické stavy baterie (akumulovaná, dodaná, spotřebovaná energie). Výsledky simulace potvrzují uspokojivou účinnost cyklu baterie ve velkokapacitních aplikacích pro dlouhodobé uložení energie, při uvážení techno-ekonomických faktorů. Nicméně je stále doporučeno provést více výzkumu v oblasti tepelných baterií – například schopnosti dodávat nejen teplo ale i elektrickou energie, pro dosažení jejich maximálního potenciálu a zvýšení ekonomické smysluplnosti.

This thesis presents a critical evaluation of a thermal energy storage system using loose materials, precisely silica sand, as an accumulation medium. Due to the rising number of RES in the Czech Republic in the past years, the energy production from RES and the energy demand do not correspond in time, which increases the demand for energy storage. The HB presents a thermodynamically simple, affordable solution, with large-scale and long-term potential. Firstly, an extensive analysis of the current energy storage trends is conducted, and as a result, input parameters of the HB design are introduced for a reference building. After determining the HB energy requirements and capacity, balance calculations of the complete HB system are performed manually. To obtain thermodynamical properties inside the HB variable in time, simulations of the charging and discharging processes are executed. Based on the system characteristics, the body of the HB is simulated individually to explore the energy efficiency. The model is simplified to a 2D analysis, after a successful comparison with the actual 3D simulation, and the values of heat losses and energy states (accumulated, produced, consumed, lost) are determined for each month during a one-year cycle. The results prove the satisfactory efficiency of the HB in large-scale applications for long-term storage while considering the technical-economic evaluation. Nevertheless, more research needs to be done on the TES to fully expand their energetic potential in providing not only heat but also electricity, which could improve their economic rentability.