Lód z ciepła, a ciepło z lodu – tak działa Ice Battery System, innowacyjny system akumulacji energii wykorzystywanej do chłodzenia, która jest przechowywana w bateriach lodowych. Rozwiązanie stworzone przez absolwenta PWr i przetestowane przez naukowców z W7 i W9 zostało już wdrożone i spełnia swoje zadanie.

– Pomysł na opracowanie tego typu rozwiązania wziął się wprost z potrzeb rynku. Wrocławska firma Rawplug, z którą współpracuję od wielu lat, miała olbrzymi problem z chłodzeniem swoich układów i instalacji w trakcie letnich upałów, gdy temperatura przekraczała 35 st. C. Początkowo szukaliśmy gotowego rozwiązania, ale okazało się, że na rynku komercyjnym nie ma ogólnodostępnych rozwiązań chodzenia, które nie są wrażliwe na bardzo wysoką temperaturę i wilgotność względną powietrza. Wtedy postanowiłem sam zbudować prototyp systemu, który wykorzystywałby baterie lodowe – mówi Michał Wojsa, absolwent Wydziału Inżynierii Środowiska PWr, pomysłodawca Ice Battery System, właściciel firmy Wentima.

Prace nad prototypem układu prowadzone były przez ponad dwa lata, a ich konsultantem był zmarły w 2022 r. dr hab. inż. Edward Przydróżny, prof. uczelni z Wydziału Inżynierii Środowiska.

Najpierw zamrozić, potem ogrzać

Cały system opiera się na wykorzystaniu rdzeni lodowych. Chcąc zmagazynować energię niezbędną do chłodzenia, wystarczy zamrozić rdzenie przy wykorzystaniu glikolu. Do procesu zamrażania niezbędna jest energia elektryczna, którą można pobierać np. z instalacji fotowoltaicznych lub z sieci, gdy taryfa jest niższa. Proces ładowania rdzeni lodowych w systemie IBS realizowany jest w czasie nadwyżek energetycznych. Gdy lód topnieje, odbiór zmagazynowanej energii, która może być wykorzystywana do chłodzenia następuje z chwilą topnienia lodu.

– Co ciekawe, skutkiem ubocznym procesu zamrażania rdzeni w Ice Battery jest ciepło zwyczajowo wyrzucane z agregatów  wprost do atmosfery. Przy obecnych cenach energii oraz w świetle potwierdzonych zmian klimatycznych nie mogliśmy go zmarnować. Dlatego zmodyfikowaliśmy instalację i teraz ciepłe powietrze z agregatów chłodniczych jest wykorzystywane do ogrzewania hali produkcyjnej. Tym samym nasza instalacja jest świetnym narzędziem do optymalizacji systemów energetycznych w przedsiębiorstwach i wpisuje się w strategię Komisji Europejskiej budynków zwanych: Nearly Zero Energy Building. Szacujemy, że koszt całej inwestycji zwróci się w niecałe trzy lata, a co najważniejsze znacząca część energii pokrywana jest ze źródeł odnawialnych – podkreśla Michał Wojsa.

Możliwość magazynowania energii i wykorzystywania ciepła jest także kluczowa z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego. W przypadku awarii lub nagłych przerw w dostawie prądu naładowane energią chłodniczą akumulatory są w stanie działać samodzielnie nawet przez kilkanaście godzin.

– Kolejną ważną kwestią jest ekologia. W tej instalacji nie wykorzystujemy żadnych kwasów ani innych szkodliwych substancji chemicznych, a jedynie stal, wodę, tworzywo sztuczne podlegające pełnemu recyklingowi i glikol propoylenowy, który jest biodegradowalny. Dodatkowo straty energii przy jej przesyle są znikome. Nasze akumulatory się nie zużywają, jak to ma miejsce w przypadku akumulatorów litowo-jonowych. Serwis ogranicza się jedynie do uzupełniania kilku litrów wody rocznie. Instalacja jest praktycznie bezobsługowa – wyjaśnia Michał Wojsa.

Wysoka efektywność, modułowa budowa

Kwestią przetestowania instalacji i zbadania jej efektywności energetycznej zajęli się naukowcy z Wydziałów Inżynierii Środowiska i Mechaniczno-Energetycznego.

W zakładzie firmy Rawplug zainstalowano sześć modułów Ice Battery o średnicy 1,8 metra i wysokości dwóch metrów każdy. System pobierał prąd głównie w nocy oraz w weekendy, gdy zakład miał zmniejszone zapotrzebowanie na energię elektryczną niezbędną do produkcji. Ice Battery System ma pojemność całkowitą wynoszącą 1,5 megawatogodziny energii wykorzystywanej do ochładzania i ogrzewania.

– System charakteryzuje się przede wszystkim ciągłością uzyskiwania praktycznie niezmiennej energii implikowanej do chłodzenia. Pracuje w trybie dobowym niezależnym od sezonu zimowego czy letniego. Uzyskiwana chwilowa moc chłodnicza wynosi 200kW. W instalacji nie ma miejsca na marnowanie nadmiaru energii lub niedobory chłodu w czasie szczytowych wartości temperatury powietrza zewnętrznego. Jest miejsce na przechowywanie energii cieplnej i wykorzystywanie jej wtedy, kiedy jest potrzebna – podkreśla dr inż. Sylwia Szcześniak z Katedry Klimatyzacji, Ogrzewnictwa, Gazownictwa i Ochrony Powietrza.

Atutem systemu jest także jego modułowa budowa, która pozwala na rozbudowę o kolejne jednostki Ice Battery. Zwiększenie mocy musi jednak być dostosowane do konkretnego zastosowania.

– Chodzi tu o dopasowanie mocy instalacji do cyklu produkcyjnego w przedsiębiorstwie, tak aby zachować ciągłość całego procesu. Zespół z Politechniki wykonał m.in. opomiarowanie systemu, a także pełnił rolę konsultantów w zagadnieniach metrologicznych i sporządził jego bilans energetyczny – tłumaczy dr inż. Piotr Piechota z Katedry Techniki Cieplnej.

Ekologiczny system także dla domu

Chociaż Ice Battery System został wdrożony w przedsiębiorstwie produkcyjnym, to jego konstruktorzy podkreślają, że w przyszłości to rozwiązanie będzie można również zaimplementować w gospodarstwach domowych. Współpracuje bowiem z pompami ciepła i instalacjami fotowoltaicznymi magazynując energię oraz optymalizując koszty jej wytworzenia.

– Wysoki poziom życia przekłada się na zużycie ogromnych ilości energii elektrycznej i cieplnej, która musi być dostarczana do budynków. Wszyscy już doskonale wiemy, że produkcja energii z wykorzystaniem paliw kopalnych wkrótce musi stać się historią. Cały świat podąża w kierunku skutecznego wykorzystywania tzw. odnawialnych źródeł energii, a takie modułowe baterie lodowe są innowacyjnym rozwiązaniem w tym zakresie – zaznacza dr inż. Sylwia Szcześniak.

Rozwój tego typu systemów wpisuje się także w strategię Europejskiego Zielonego Ładu, który ma przekształcić Unię Europejską w nowoczesną i konkurencyjną gospodarkę. Zakłada ona, że kraje UE w 2050 r. osiągną zerowy poziom emisji gazów cieplarnianych i nastąpi oddzielenie wzrostu gospodarczego od zużywania zasobów.

mic