1 Miguel Ramirez Dr Shane Colclough Prof Neil J Hewitt Säsongslagring av termisk energi (STES) Målgrupp: pedagoger, akademisk personal, högre utbilding, offentlig administration med ansvar för energifrågor osv

Innehåll Vad är säsongslägring av termiskenergi (STES)? Varför använder STES? STES historia Hur fungerar det? Sätt att lagra termiskenergi Hur mycket energi kan lagras? Var användas det på bästa sätt? Hur mycket kostar det? Fallstudier 2

Innehåll Vad är säsongslagring av termiskenergi (STES)? Varför använder STES? STES historia Hur fungerar det? Sätt att lagra termiskenergi Hur mycket energi kan lagras? Var användas det bäst? Hur mycket kostar det? Fallstudier 3

 Lagring av köld under vintern för att använda på sommaren.  Lagring av värme under sommaren för att använda på vintern 4 Vad ät STES?

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 5

Varför använda STES? Uppvärmning av byggnader utgör 30-40%av den totala energikonsumtion I EU % används I uppvärmning av bostäder. Det är I vintertid när solen är lågt som behovet av rumsuppvärmning är mest. Lagra solbaserad termiskenergi på sommaren för att använda på vintern. Nordeuropeiska länder har en årsmedeltemperatur av 5°C och en årlig solstrålning av upp till 1000 kWh/år m² (Stockholm) Data source: SoDa-is.com

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 7

 Antika Persien 400 BC användas 20m höga kupoler med vindfångare (Yakhchals) för att kyla och laga is i 40°C utetemperaturer  Rom AD 100 romarna transporterade snö och använde brunnar för att hålla maten och vinet kall på varma dagar  Kylhus På 1700 och 1800 talen, vatten från flodar och pölar brukades för att hålla låga temperturer i sådana strukturer I mat bevaringssyfte (Middleton, England – Glen River, Northern Ireland) 8 STES historia - kallagring Source: Griffiths & Colclough Source: awesci.com

 Tyskland efter WWI Första förstudier började I 1920 på grund av landets begränsade resurser.  USA Keck “glas” hus i 1933 och MIT hus i 1939 var båda gjorda av glas och material med högt termiskkapacitet för lagring av termiskenergi  Denmark, Sweden Oljakrisen under 70-talet tvingades regeringar att leta efter alternativ. Små och storskaliga termisk lagringsytem byggdes I kombination med fjärrvärmesystem. 9 STES historia – värmelagring

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 10

Hur fungerar det - KOMPONENTER Värmekälla Sol Biomassa Industriell spillvärme.. Termisklagring Högt termiskkapacitet Stor volym Låga termiska förluster Distributionssystem Panna, Värmepumppump Fjärrvärmenätverk 11

Parallel Värmepump, solfångare och STES arbetar oberoende för att fylla värmebehov I Serie Solfångare eller STES fungerar som en källa för värmepump eller eller med andra källor därtill Serie/Parallel Värmepumpen eller solfångaren ger värme till byggnaden tillsammans eller oberoende av varandra 12 HUR FUNGERAR DET - KONFIGURATIONER Source: Solites

Parallel Solfångarna är kopplade direkt till lagringstanken och laddar den med termiskaenergi under hög solstrålningsperioder. STES levererar varmt vatten för tappvärmevatten och rumsvärmesystem under uppvärmningsperioden (vinter). När STEStemperaturen är lägre än vad som krävs, värmepumpen levererar den nödvändiga värmen till båda tappvärmevatten och rumsvärmesystem. Värmepumpens termiska källa är externt och kan vara antigen luft, mark eller fjärrvärmeåtervinning. 13 HUR FUNGERAR DET - KONFIGURATIONER Solar Collectors STES Heat Pump (Air/Ground source) DHW LOAD

Serie Solar fältet, STES tanken och värmepumpen är seriekopplade. Värme lagras under höga solstålningsperioder. Solfångaren kan agera som en direkt källa för en värmepump eller direkt via värmelagring. Värmepumpen måste vara vatten-till-vatten och kan tilllgodogör varmvattensbehov från både tappvärmevatten och byggnaderna. Lagringstankenstemperatur kan hållas inom en lägre temperaturskala enligt värmepumpenskällas driftområde. Termiskaförluster är minskade om man har en lägre temperatur I STES-tanken. 14 HUR FUNGERAR DEN - KONFIGURATIONER Solar Collectors STES Heat Pump DHW LOAD

Serie/Parallel STES-tanken laddas av solfångarna och ger värme till tappvärmevattnet och byggnader. När temperaturen I STES-tanken är under minimi som behövs av belastningen sätter värmepumpen igång. Värmepumpen drar ut värmen som är kvar i lagret och levererar tappvärmevatten och rumsvärme till byggnaderna. I alla tre fall, kan värmepumpen gå under perioder med lågkostnadsel och värma tappvärmevattenstank på ett kostnadseffektiv sätt. Dessutom, ett hjälpsystem (t ex en gaspanna) måste användas för att täcka värmeefterfrågan som inte täckas av STES-systemet. 15 HUR FUNGERAR DET - KONFIGURATIONER Solar Collectors STES Heat Pump DHW LOAD

EXEMPEL AV SERIE/PARALELL STES DRIFTSLÄGEN (EINSTEIN PLANTS CASE)

Laddning Ett STES-system börjar ladda när termiskenergi från källan (solen) är tillgänglig. Termisksolenergi kan samlas under sommarmånaderna och lagrad I STES-tanken för senare användning. Det är också möjligt att lagra och leverera termiskenergi bara när tanken har oberoende kretsar för laddning och urladdning. HUR DEN FUNGERAR - Serie/Parallel

Direkt Laddning Direktladdning av ett STES-system börjar med uppvämningssäsongen. Tanken levererar värme direkt till byggnaderna genom fjärrvärme eller direkt rörledning. Temperaturen av varmvattensutloppet reguleras enligt belastningens värmekurva. Maximi STES utloppstemperaturer är typiskt 80°C, (med trycksatta tankar är >100°C möjliga). T STES > 50°C HUR DEN FUNGERAR – Serie/Parallel

Värmepumpsdrift Värmepumpen går när STES utmatningstemperatur är lägre än temperaturen erfordrad av belastningen för att helt täcka värmebehövet. Vatten från STES ger värme till värmepumpens avdunstningcykel och kondenseringscykeln ger varmvatten en tillräckligt högt temperatur till att övervinna det som belastningen kräver. 10°C < T STES < 50°C HUR DEN FUNGERAR – Serie/Parallel

Hjälpsystem – Panna När vattentemperaturen i tanken sjunker (10°C) till en nivå som är utanför effektiv drift av värmepumpen, sätter hjälpsystemet igång. Den termiska energin från STES-tanken är då helt urladdad och belastningen är helt beroende på hjälpsystemet. T STES < 10°C HUR DEN FUNGERAR – Serie/Parallel

21 Hjälp system – Panna/Värmepump Ett hjälpsystem är absolut nödvändig för att täcka toppbelastning och perioder när lagringstanken är urladdade. Värmepumpar brukar vara tre/fyra gångar mer effektiva än vanliga uppvärmare för samma mängd värme. Vatten till vatten värmepumpar har en låg returtemperatur till källan. Denna temperaturskillnad hjälper till med stratifieringen I lagringstanken. En lägre temperatur i botten av lagringstanken orsaker en högre solfångare effektivitet och minskar termiska förluster genom marken. HUR DEN FUNGERAR – Serie /Parallel

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 22

Latent Värme Kemisk Värme Kännbart Värme 23 SÄTT ATT LAGRA TERMISKENERGI

Latent Värmelagring Solid-flytandefasförändringmaterial (Phase Change Materials PCM) är vanligast för att lagra latentvärme. Termiskenergi kan absorberas av denna i både solid och flytande former. Dock de aborberae stora värmemängder när de konverteras från solid till flytande (smälttemperatur). PCMs kan lagra 5 till 14 gånger mer värme per volymenhet än konventionella lagringsmaterial som vatten, murverk eller sten. När termiskenergi absorberas från PCM-lagringen den ändras från flytande till solid och den lagrade latentvärme är frisläppt. SÄTT ATT LAGRA TERMISKENERGI

Termokemisklagring Kemiska och sorberande värmelagringssystem (termokemiska) är lovande teknologier med avsevärda fördelar, jämfört med både kännbart och latentvärme lagringssystem. Lagringsdensitet kan teoretiskt vara upp till 10 gånger mer än mellanvattnet så att konstruktionsvolym är minskad. Termiska förluster nästan elimineras på grund av processens karaktär och de låga temperaturer av den lagrade materialer. Kombinationen av både fördelar underlättar den effektiva tidsbaserade transport och lagring av termiskenergi. SÄTT ATT LAGRA TERMISKENERGI

Kännbart Värmelagring Kännbart värme är den termiska energi överfört till eller från en substans vilket resulterar i en temperaturändring. Det är den vanligast och mest direkta sätt att lagra värme. Nackdelen är att det krävs stora kvantiteter material och det blir värmeförluster när lagringsmaterialen är omgiven av lägre temperaturer. Att använda vattentankar for termisklagring är en välkänt teknologi. Innovativa lösningar kan minska värmeförluster genom att ha optimala vattenstratifiering och högeffektivt termiskisolering. SÄTT ATT LAGRA TERMISKENERGI

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 27

Q= m.c p.ΔΤ Q: Lagrad termiskenergi m: Massan av materialet använt för att lagra värme c p : Specifik värmekapacitet av lagringsämnet ΔT: Temperaturändring av lagringsämnet före och efter laddningen 28 HUR MYCKET ENERGI KAN LAGRAS?

Exempel: Solfångarna värmar 100 m 3 vatten från 25 to 50°C, som lagras I en isolerade lagringstank. Hur mycket energi är lagrad I vattnet? Q = m.c p.ΔΤ m = ρ.V = 1000kg/m 3 x100m 3 = kg c p = 4.18 kJ/kg.K) ΔΤ= 25°K Q= x 4.18 x 25 = MJ = 2.9 MWh 29 HUR MYCKET ENERGI KAN LAGRAS

Hot Water tank thermal energy store (HW) Pit Thermal Energy Store (PTES) Borehole Thermal Energy Store (BTES) Aquifer-Thermal Energy Store (ATES) ~70 kWh/m³ 1) ~55 kWh/m³ 2) kWh/m³ kWh/m³ 1) max =90 °C, min =30 °C without heat pump 2) max =80 °C, min =10 °C gravel-water TES with heat pump HOW MUCH ENERGY CAN BE STORED

LAGRINGSFÖRLUSTER Kan vara stora förluster från STES- tankar. 31 A: conventional insulation material: λ = 0,05 W/(m·K), insulation thickness s = 0,2 m B: conventional insulation material : λ = 0,05 W/(m·K), insulation thickness s = 2 m C: Vacuum insulation: λ = 0,005 W/(m·K), insulation thickness s = 0,2 m Time in days Cooling down curve of a hot water store with a net volume of 10 m 3 (cylindric shape: Ø 2 m, height 3,18 m). Start temperature 80 °C, ambient temperature 5 °C PGA lägre yta-till- volym förhållande, stora tankar kylar ner mer långsamt och är därför bättre. Det har blivit en fokus på STES I kombination med fjärrvärme.

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 32

VAR ANVÄNDS DEN BÄST? Hus typ Enstaka Hus Flerfamiljshus Newly built (helst) Existerande byggnader Klimatförhållanden Högt årlig solstrålning & måttlig värmebehov på vintern Uppvämningssätt Fjärrvärme Låg temperatur 33 Source: Asko professionals

STES markförhållanden Geologisk struktur Markplats för lagring Hydrogeologiska egenskaper (akviferer) Termisk energikälla Tillräckligt utrymme för solfångarna (mark, tak) Industriellt termisk avfall källor (temperaturvariation, distans till värmebehovspunkt och tillgänglighet, befintlig fjärrvärme Användningssätt Enkel belastning – (stabil nätwerk) Oberoende bostad användning (komplex kontrollsystem) 34 VAR ANVÄNDS DEN BÄST? - Överväganden

WHERE IS IT BEST USED? – EINSTEIN resources Location within the EU Space heating energy demand in the EU vary significantly from country to country. The main factors depend on the building stock, the construction period, building density and the local climatic conditions. 35 The best potential for STES system application in Europe are highlighted in the report: “Classification of EU building stock according to energy demand requirements.” “Classification of EU building stock according to energy demand requirements.” Residential energy demand vs. average ambient temperature. (ACC4: Bulgaria, Romania, Turkey, Croatia; EFTA3: Iceland, Norway and Switzerland; NMS 10: new ten member states since May (Source: ECPHEATCOOL).

VAR ANVÄNDAS DEN BÄST? – EINSTEIN resurser STES integration Med tanke på de senaste energiprestande förordningar i EU- länder, förväntas byggnader att ha lägre energibehov (<50kWh/m²yr). I så fall är det möjligt att använda lägre tillskottstemperatur för rumsvärmesystem och på det viset minska de termiska förluster. Detta gör att STES-system passar bättre till integrationen av låg-energi uppvärmnigssystem. Integrationen av STES med olika typ av värmegenererande teknologiier, som gaspannor, värmepumpar, kombinerade värme och energi (Combined Heat and Power (CHP)) och distributionsystem diskuteras I denna dokument: “Technology assessment HVAC and DHW systems in existing buildings throughout the EU”“Technology assessment HVAC and DHW systems in existing buildings throughout the EU” 36

VAR ANVÄNDAS DEN BÄST? – EINSTEIN resurser Design av STES-system och EINSTEIN plants Planering av en STES-system har många moment. Det är för det mesta tekniska utmaningar och beslut angående dimensionering av lagringstankar, lokalisering, storleken av solfältet och anpassning av värmesystem måste studeras. Om man har en övergående system som påverkas mest av väderföhållanden då är det möjligt att förutse och fastställa beteendet med stationär kalkyl. Här finns en utförlig guide för design och planläggning av en STES-system: “Design guidelines for STES systems in Europe”.“Design guidelines for STES systems in Europe” 37 För en översikt av design och installation av EINSTEIN demonstration plants klicka här.

Decision Support Tool För att utvärdera hur man ska börja med en preliminär design och CAPEX/OPEX av säsongslagring av termiskenergi I existerande byggnader, en Decision Support Tool (DST) har utvecklats som en del av EINSTEIN projektet. Med hjälp av denna kan man identifiera de mest lämpliga teknologier och hur de fungerar under specifika förhållande. Väderförhållanden Utrymmesbehov Utrustning och integrationsbehov (Solfångare, STES, fjärrvärme, värmepump och hjälpsystem) Användare Lämpliga användare av DST är ingenjör-och konstruktionsbolag med baskunskaper av HVAC system och ingen erfarenhet av STES-system installering. För mer information om modellen klicka here.here 38 VAR ANVÄNDS DEN BÄST? – STES Design Tool

DST Beskrivning Den består av tre huvuddelar: Val av indata Kalkyldelen Resultatdelen Designing cases Såväl som en utväljande och utvärdering av STES-system kan användare också analysera och jämföra olika situationer. Centraliserade och distrbuerade konfigurationer can studeras för varje läge och varje värmebehov för både existerande och ickeexisterande byggnader. För tillgång till DST klicka: 39 DECISION SUPPORT TOOL VAR ANVÄNDS DEN BÄST? – STES Design Tool

VAR ANVÄNDS DEN BÄST? – Kombination av ökad energieffetivitet och användning av förnybar energi. Energistrategi För att STES-system ska uppnå höst effektivitet, måste de vara del av en helhets energistrategi. Detta inkluderar: Att minska energibehovet av den existerande byggnader genom att uppgradera den. Integrera nyttjandet av förnybar energi. Integrera speciallösningar som STES Besluten måste vara optimerad beroende på de olika variabler som tillhör varje fall t ex: Klimat Kostnad Byggnadstyp En “Evaluation Tool” (utväderingsverktyg) har utvecklats för att utvärdera de mest kostnadseffektiv åtgärdskombination 40

41 VAR ANVÄNDS DEN BÄST? – Evaluation Tool(utvärderingsverktyg) Configuration of the Evaluation tool 1.Definitionav studiebyggnad Utväljande av klimatområde Utväljande av bynnadstyp Byygnadsyttre 2.Önskad minskad energiförbrukni ng Välja besparingstyp 3.Beräkna den mest kostnadseffekti va lösningen Fråga till resultatsdatabasen - Matcha med den optimala fall (s) som uppfyller de valda besparingar. - Identifiera den mest kosnadseffektiva kombination av passiva och aktiva aågärdar (inklusive STES) 4. Resultat Den bästa kombinationsoption vald Primär energibesparingar. (-kWh/year) Investeringsom krävs (€)

42 EVALUATION TOOL – Den mest kosnadseffektiv lösning Typ av programvara för bedömning av energibeteende I existerande byggnader Passiva efermonterings strategier STES bidrag till kostnadseffektivi tet Evaluation Tool för det mest kosnadseffektiv eftermonterings- sätt. Decision tool för design och utvädering av STES HUVUDMÅL “To develop a methodology evaluation tool for de most cost –effective global energy intervention framework for building retrofitting” EVALUATION TOOL

43 VAR ANVÄNDS DEN BÄST? – Reference single family house SFH: Single Family house(enkelfamiljshus) SFH84,5m2

44 VAR ANVÄND DEN BÄST? – Reference Multi family house MFH: Multifamily house (flerfamiljshus) (block of flats) MFH676m2

45 WHERE IS IT BEST USED? – Sample outputs Curves of best ratios results (Pareto distribution)

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 46

HUR MYCKET KOSTAR DET? 47 Kostnaderna och ekonomiska födelarna av säsongslagring av termiskenergi varierar kraftigt. Variabler inkluderar: Storlek Klimat (solstrålningen,utomhustemperatur) Värmebehov STES-typ Fjärrvärme integration Ekonomiska variabler som inflationstakten, bränsleinflationstakten, internt avkastning, osv.

HUR MYCKET KOSTAR DET? – STES-tanken Exempel på STES-tankkostnader Det finns olika sätt att analysera den ekonomisa resultat av STES-installationer. Denna diagram visar kostnaderna av ett brett spektrum av STES-tankar i olika storlekar som används för stora fjärrvärmesystem. Investeringskostnaden minskar med sorleken. Kostnaden för både stora och små EINSTEIN STES-tankar presenteras I tabellen. 48 Site STES Size {m 3 } Cost {€} Cost/m 3 {€} Sweden Poland800 Spain180 Source: Solites

Passivt hus med solbaserad DHW (tappvärmevatten) och rumsvärme med STES Snabbast återbetalning var för solbaserad DHW och rumsvärme exkl. STES (lägsta kostnadsoption i år 16 och sedan i år 24 efter renovering). När man räknade in STES till solbaserad DHW & rumsvärme system den lägsta kostnadsoption var i år 33. Observera att STES måste utgöra en integrerad del av systemet annars kan det bli tekniska problem pga stagnation. 49 Source: Colclough & Griffiths, Applied Energy Journal 2016 HUR MYCKET KOSTAR DET? – Totala uppvärmningskostnad Exempel på en en-familjsbostad STES-installation Costs presented include systems, operating costs and fuel and are adjusted for inflation and company discount factor (Net Present Value).

50 DescriptionMultiunit development Number of units 10 (4 commercial, 6 residential) Total floor area {m 2 }381 plus 390 = 781 Total Solar Array {m 2 }50 Diurnal Store {m 3 }3.3 STES Size {m 3 }23 Space heating energy demand {kWh} 53,422 DHW energy demand {kWh} 7,417 Total NPV cost over 40 years {€} 405,415 Payback peiod {Years}17 Saving compared with non Solar STES 27% Byggnaden renoverad till Passiv Hus standard Solbaseradvärmesystem med STES Återbetalning uppnått efter 17 år HUR MYCKET KOSTAR DET? Exempel på en småskalig STES installation 10-enhets projekt med solbaserad DHW (tappvärmevatten) och rumsvärme med STES i Lysekil, Sverige

51 Den totala kostnaden av DHW och rumsvärme visas mittemot. Kostnaderna inkluderar system, driftskostnader och bränsle och är justerade för inflation och company discount factor (Net Present Value). Uppvärmningskostnaderna med fjärrvärme (€514,492) överstiger uppvärmningskostnaderna när man använder solbaseradvärme med STES och DH som backup (€405,415) under de beräknade 40 år. Fullständiga analysen tillgänglig here (insert link to Del 7.5) HUR MYCKET KOSTAR DET? Exempel på en småskalig STES installation 10 enhets projekt med solbaserad DHW (tappvärmevatten) och rumsuppvärmning med STES i Lysekil, Sweden

Contents What is Seasonal Thermal Energy Storage (STES)? Why use STES? History of STES How does it work? Ways to store thermal energy How much energy can be stored? Where is it best used? How much does it cost? Case Studies 52

Centralvärmean läggning Solfångare Termiskenergi säsongslager Solar nätverk Värmedistributio ns nätverk Värmetransfer eringstransfor mator CASE STUDIES

STES-tankar under Hus 1 ste Europeisk 100% Solar Hus Oberburg, Switzerland In operation since January CASE STUDIES Source: Jenni Energietechnik

Oberburger Sonnenhaus Första flerfamiljshus helt uppvärmd av solbaserade energi Oberburg, Switzerland 276m² solfångare termisklagringstank 55 CASE STUDIES Source: Jenni Energietechnik

 m²  Flat plate coll.  4500 m³  Water tank Hamburg (1996) Friedrichshafen (1996) Neckarsulm (1997) Steinfurt (1998) Rostock (2000) Hannover (2000)  m²  Flat plate coll.  m³  BTES  m²  Solar-roof  m³  ATES  m²  Flat plate coll.  m³  Water tank  510 m²  Flat plate coll.  m³  Pit TES (Gravel/Water)  m²  Flat plate coll.  m³  Water Tank Source: USTUTT CASE STUDIES

Chemnitz, 1. phase (2000) Munich (2007) Eggenstein (2008) Attenkirchen (2002) Crailsheim (2007)  540 m²  Vacuum tubes  m³  Pit TES (Gravel/Water)  m²  Flat plate coll.  m³  Water tank  m²  Flat plate coll.  m³  Pit TES (Gravel/Water)  800 m²  Solar-Roof  m³  Water tank & Boreholes  m²  Flat plate coll.  m³  BTES Source: USTUTT CASE STUDIES

58 Seasonal Thermal Energy Storage (STES) for EDUCATORS (Academic Staff, Higher Education, Public Administration in Charge of Energy, etc) Miguel Ramirez Dr Shane Colclough Prof Neil J Hewitt