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

Transcriptie

1 23/11/2012 De rol van thermische systemen en thermische opslag in intelligente gebouwen : onderzoek binnen VITO Johan Van Bael,

2 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 2

3 Introductie» Beperken van de klimaatveranderingen door reductie van broeikasgassen» EU 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 /11/2012 3

4 Introductie» Roadmap 2050 een aantal belangrijke paden:» E N E R G Y - E F F I C I E N T I E» Transport: brandstof efficiëntie» Gebouwen: energie performantie» Industrie: energie efficiëntie in processen» E L E C T R I F I C A T I E» Transport: fossiele brandstoffen hybride & elektrische voertuigen» Verwarming: fossiele brandstoffen efficiënte elektrische technologieën (warmtepomp, WKK...)» B I J N A V O L L E D I G E D E C A R B O N I S A T I E V A N D E E L E K T R I C I T E I T S P R O D U C T I E» Hernieuwbare energie» CCS 23/11/2012 4

5 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 5

6 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 6

7 De testopstelling van de warmtepomp» Het concept: 23/11/2012 7

8 De testopstelling van de warmtepomp» Testprogramma Gemiddelde winterweek Koudste winterweek Gemiddelde buitentemperatuur ( C) Warmtevraag voor ruimteverwarming (kwh t ) Warmtevraag voor sanitair warm water (kwh t ) Niet-controleerbare elektriciteitsvraag (kwh e ) PV-productie (kwh e ) » Twee testcycli» Referentietest met klassieke, warmtegedreven controlesysteem» Test met actief controlesysteem 23/11/2012 8

9 De testopstelling van de warmtepomp Om over te gaan van een warmtegedreven controlesysteem naar een actief controlesysteem thermische energie-opslag nodig Warmtepomp (11kW) Warmtewisselaar om de vraag naar ruimteverwarming te emuleren Driewegkraan om de warmtebron te emuleren Sanitair warm water (300 l) Thermische opslag ruimteverwarming (400l) 23/11/2012 9

10 De testopstelling van de warmtepomp 23/11/

11 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/

12 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/

13 Het actieve controle-algoritme 23/11/

14 Resultaten: peak shaving en zelf consumptie 23/11/

15 Resultaten: peak shaving en zelf consumptie» Belastingsduurcurve van de woning koudste week gemiddelde week one-percent power peak (OPP) Referentie (kw) Intellligente controle (kw) Verschil (%) Koudste week % Gemiddelde week 23/11/ %

16 Resultaten: extra verbruik Parameter Koudste week Aantal keren inschakelen (+312%) Gemiddelde week reference smart reference smart (+182%) Veel meer schakelingen! Gemiddelde draaitijd van de warmtepomp (min) Elektriciteitsverbruik van de warmtepommp (kwh) Warmte geleverd (condensor WP) (kwh) Gemiddelde temperatuur sanitair warmwatervat ( C) (-77.2%) (+8.0%) (+4.2%) (-6.8%) (-60.2%) (+8.2%) (+1.6%) (+1.3%) Meer opstartverlies : elektrisch + thermisch + hogere draaitijden van de circulatiepompen 23/11/

17 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 % % Gemiddelde week % %» Hoewel de warmtepomp meer verbruikt, daalt toch de injectie in het net extra verbruik wordt gecompenseerd door lokaal geproduceerde elektriciteit 23/11/

18 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/

19 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/

20 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/

21 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/

22 Slimme thermische netten : gedistribueerde opslag» Testopstelling 23/11/

23 Slimme thermische netten : gedistribueerde opslag» Testresultaten 23/11/

25 Thermische energieopslag: technieken 23/11/

26 Voelbare warmte» warmteopslag door temperatuurverhoging van materialen» vloeistoffen 1. watertank - goedkoop - eenvoudig te installeren - algemeen toegepast - thermische verliezen 23/11/

27 Voelbare warmte» warmteopslag door temperatuurverhoging van materialen» vaste stoffen 1. Thermische massa gebouw (gebouwschil van zware gebouwen) - vertragend - dempend bron: 23/11/

29 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/

30 Voordelen PCM s» Grote energieopslag in compact volume water: 84 kj/l PCM: 400 kj/l verwarming op C regime 23/11/

31 PCM s voor opslagtoepassingen Toepassingsgebied: gebouwverwarming ( C): - Paraffines (organisch) - Zouthydraten (anorganisch) - (Vetzuren) Bron: Final Report IEA ECES Annex 17 23/11/

32 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 /11/

33 Inkapselen van PCM s» Microcapsules of slurries Bron: Final Report IEA ECES Annex 17 23/11/

34 Inkapselen van PCM s» PCM in buffervat 23/11/

36 Thermo-chemische opslag» Gebruik maken van bindingsenergie van moleculen: A + B AB + heat bron: ECN 23/11/

37 Thermo-chemische opslag» Gebruik maken van bindingsenergie van moleculen: bron: ECN 23/11/

38 Termo-chemische opslag» Meestal op hoge temperaturen (+100 C)» Hoge-opslagcapaciteiten mogelijk ( 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 m³ (bron ECN)» FP7 project Merits 23/11/

40 E-hub» FP7 Onderzoeksproject (Collaborative project)» Call : FP 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: 23/11/

41 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/

42 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/

43 E-hub» Project structuur 23/11/

44 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/

45 E-hub» Het demonstratieproject 23/11/

47 MOBILISEREN VAN THERMISCHE ENERGIEOPSLAG EN THERMISCHE INERTIE IN GRONDGEKOPPELDE CONCEPTEN VOOR DE SLIMME VERWARMING EN KOELING VAN (MIDDEL)GROTE GEBOUWEN 23/11/

48 Smart geotherm 23/11/

49 23/11/

50 zonnecollectoren afgiftesystemen Thermische buffers Horizontale warmtewisselaars Koude warmte opslag Vertikale warmtewisselaars & energiepalen 23/11/

51 Vragen? Johan Van Bael Unit Energietechnologie, VITO : : : johan.vanbael@vito.be : Boeretang 200, B-2400 Mol 23/11/