Warmtepompen bufferen elektriciteit als warmte. Smart Grid School, 8 oktober 2013

Transcriptie

1 Warmtepmpen bufferen elektriciteit als warmte Smart Grid Schl, 8 ktber 2013 Dr. ir. Maarten Surbrn Campus De Nayer Departement Industriële Ingenieurswetenschappen, KU Leuven Wat? Slimme sturing van warmtepmpen = Aan/uit-schakeling i.f.v externe signalen (bijvrbeeld dynamische tarieven)? 2 1

2 Waarm? Optimaal gebruik van hernieuwbare energie (afstemmen aanbd-vraag) Vermijden piekbelasting E-net 3 Warmtepmp: elektriciteit warmte ELEKTRICITEIT WARMTEPOMP COMFORT LAGE TEMP. BRON 4 2

3 Warmtepmp: warmte elektriciteit? ELEKTRICITEIT WARMTEPOMP AFVALWARMTE LAGE TEMP. BRON Hge temperatuur afvalwarmte (>80 C): h max = 24% 5 Werking van een warmtepmp 3 fysische verschijnselen Warmte bestaat p verschillende temperatuur Verdamping van een vleistf warmte in Cndensatie van een vleistf warmte uit Temperatuur en kkpunt stijgen als druk stijgt 6 3

4 (1) Warmte p verschillende temperatuur Van 10 C naar 0 C: 11,4 kwh 1 tn water Van 70 C naar 60 C: 11,7 kwh Bij warmte hrt een temperatuurniveau! Hgere temperatuur = nuttiger! (2) Verdampingswarmte (velbare warmte) (latente warmte) (velbare warmte) (latente warmte) Verdamping 1tn water p 0 C verdampen (bij 0,006bar): 695 kwh 1tn water p 100 C verdampen 8 (bij 1,014bar): 743 kwh [1] 4

5 (3) Kkpunt = functie(druk) Het Mnt Blanc vrbeeld P=0.555 bar T k =83,9 C Hgte 4807m Zeeniveau P=1,013 bar T k =100 C 9 (3) Kkpunt = functie(druk) Typische warmtepmp-vleistffen: kudemiddel Kudemiddel Kkpunt 0 C Kkpunt 40 C R-134a 2,9 bar 10,2 bar R410a 8,2 bar 24,0 bar R-290 (prpaan) 4,7 bar 13,7 bar 10 5

6 Werking van een warmtepmp Warmte p hge temperatuur bv. 35 C Wel bruikbaar Warmte p lage temperatuur bv. 5 C Niet bruikbaar 11 Werking van een warmtepmp Analgie: water - warmte Water hgte pmp Warmte temperatuur - warmtepmp h waterreservir T h 0 mgeving T 0 mgeving wning 12 6

7 Werking van een warmtepmp 35 C : Water in vlerverwarming Bij p H : T cndensatie = 40 C Q H 40 C 10bar 35 C p p P 5 C : Temperatuur van de bdem Q L Bij p L : T verdamping = 0 C 5 C 0 C 3bar 13 Werking van een warmtepmp PRESTATIEFACTOREN COP (Cefficient Of Perfrmance) genblikkelijk eigenschap van het testel (vgl. verbrandingsrendement van ketel) (bepaald in testlab) SPF (Seasnal Perfrmance Factr) ver peride eigenschap van de installatie (vgl. seizensrendement van ketel-installatie) PER (Primary Enery Rati) Primair energieverbruik eigenschap van de installatie 7

8 Werking van een warmtepmp Q H = Q L + P 4 = COP = Q P H W W Cndensr (Q H ) Warmteafgifte p hge temperatuur Cmpressr (P) Elektriciteit als cmpressiearbeid SPF = Q H kwh P kwh Warmtetever p lage temperatuur Verdamper (Q L ) 15 Werking van een warmtepmp SPF PER Elektrische bijverwarming SWW-biler BRON Verdamper Cndensr COP AFGIFTE 16 8

9 Smart grids en warmtepmpen Elektrificatie van verwarming en keling P Q H Kan ng verlagen dr de inschakeling van hernieuwbare energie [5] Q L 17 Warmtepmp: vraaggedreven COMFORT 18 9

10 Warmtepmp: aanbdgedreven? RE + LAGE PRIJS COMFORT 19 Warmtepmp: aanbdgedreven? OPSLAG 20 10

11 Warmtepmp: aanbdgedreven? RE + LAGE PRIJS OPSLAG WARM COMFORT OPSLAG KOUD 21 Types van thermische pslag Velbaar: Water, gebuwmassa,... Latent: fase-verandering Therm-chemisch Ad- f absrptie 22 11

12 Types van thermische pslag [3] 23 Types van thermische pslag [4] 24 12

13 Thermische pslag: vereisten Hge en regelbare vermgenuitwisseling in en uit! OPSLAG 25 Thermische pslag: vereisten Hge en regelbare vermgenuitwisseling in en uit! Velbare warmte: water OK 26 13

14 Thermische pslag: vereisten Hge en regelbare vermgenuitwisseling in en uit! Velbare warmte: betn niet OK 27 Thermische pslag: vereisten Hge en regelbare vermgenuitwisseling in en uit! Latente warmte: PCM niet OK 28 14

15 Thermische pslag = regelverlies OPSLAG Wningtepassing 15

16 Warmteverlies buffer: vrbeeld Uit: IWT-TETRA Znwarm ( Hydraulische aansluitingen en regeling 16

17 Warmtepmp en betnkernactivering Warmtepmp en betnkernactivering Vrbeeld... Gebuw 5000 m² Opslagcapaciteit BKA (120 W/m²) Elektrisch verbruik WP (SPF=4) Znder directe impact p cmfrt Stel: 1 keer per dag Als DT-marge in BKA kwh/m² thermische energie WP bij stap C (lptijd 1u) kwh/m² elektrisch verbruik WP bij stap C (lptijd 1u) kwartier (per m²) kwartier (vlledig gebuw) 47 kwh_e/kwartier kwh_e/jaar 0.1 /kwh 1711 /jaar 17

18 Warmtepmp en smart grids 35 Warmtepmp en smart grids 36 18

19 Warmtepmp en smart grids 37 Warmtepmp en smart grids 38 19

20 Warmtepmp en smart grids Heat pumps, cmbined heat & pwer and cling installatins culd play an imprtant rle in smart electricity grids if thermal prductin can be decupled frm thermal demand. [2] The establishment f an pen surce cmmunicatin prtcl fr Smart Grids / Smart Hmes wuld enable manufacturers t create and cmmercialise devices that are cmpatible with many systems. [2] 39 There is a need t develp, in line with Smart-Grid / Smart-Hmes technlgies, methds t accurately determine the state f charge, cntrls and cntrl algrithms s that heating and cling is ptimally generated frm the RES (e.g. night time excess wind energy / PV) when available, while still prviding the cnsumer with their needs at a time f their chsing. [2] Del van een warmtepmp? 20

21 Warmtepmp en smart grids Opprtuniteiten in cmbinatie met thermische pslag Elektrische verwarming en keling Regelbare elektrische verbruiker (zie eig. pslag) Dubbele functie: waardeverhging Dienst aan gebruiker: cmfrt Dienst aan elektriciteitsnet: balancering 41 Dank u wel! Maarten Surbrn, Warmtepmpen bufferen elektriciteit als warmte, Smart Grid Schl (Smart Grid Flanders), 8 ktber

22 Brnnen 1. Warmtepmpen vr wningverwarming, ODE in pdracht van het Ministerie van de Vlaamse Gemeenschap, Strategic Research Pririties fr Crss-cutting Technlgy, Eurpean Technlgy Platfrm n Renewable Heating and Cling, IEA Technlgy Radmap, Energy-efficient Buildings: Heating and Cling Equipment, IEA Technlgy Radmap, Smart Grids, S.M. Hasnain, Review n sustainable thermal energy strage technlgies, Part I: heat strage materials and techniques, Energy Cnversin and Management, Vlume 39, Issue 11, 1 August 1998, Pages ISSO Handbek Installatietechniek 7. S. Quilin, M. VanDenBrek, S. Declaye, P. Dewallef, V. Lemrt Techn-ecnmic survey f Organic Rankine Cycle (ORC) systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews 22 (2013), Lindsay Sugden (Delta-ee), Why energy cmpanies will need smart heat pumps - and what it means fr the HP industry, IEA Heat Pump Cnference, Mntreal, May