SWAC Coastenergy 2021, Projekt Coastenergy fokusiran je na korištenje toplinske energije mora u priobalnom području, lukama te posebno u sklopu postojeće i buduće infrastrukture urbanih zona s posebnom analizom potencijala primjene energija mora s tehnologijama dizalice topline za grijanje i hlađenje.
Analizirati dostupne tehnologije korištenja toplinske energije mora te odabir tehnologija koje imaju potencijal ugradnje u predmetnom području Dubrovnika. Projekt Coastenergy fokusiran je na korištenje toplinske energije mora u priobalnom području, lukama te posebno u sklopu postojeće i buduće infrastrukture s posebnom analizom potencijala primjene tehnologije dizalice topline na upravo navedeni način, posebno uzimajući u obzir buduće projekte (infrastrukturne i sl.) predviđene prostornim planovima i ostalim relevantnim dokumentima gradova i općina koje pripadaju predmetnom području Dubrovnika.
Porast potražnje za grijanjem i hlađenjem dovodi do potrebe za učinkovitijim rashladnim rješenjima koja se temelje na obnovljivoj energiji. Klimatizacija s morskom vodom (SWAC) može pružiti usluge hlađenja s osnovnim opterećenjem u obalnim područjima koristeći duboku hladnu morsku vodu. Dodatno se centralni sustavi mogu proširiti uporabom spremnika toplinske energije koji bi stabilizirali odnos proizvodnje i potražnje za toplinskom energijom.
Duboka mora gotovo su neograničen hladnjak (izvor hlađenja) koji stvara priliku za razvoj jeftinijih sustava daljinskog hlađenja u blizini mora. Klimatizacija s morskom vodom (SWAC) je tehnologija daljinskog hlađenja koja za hlađenje koristi duboku hladnu morsku vodu koja može biti hladna i do 3-5 °C na dubinama između 700 i 2000 m.
SWAC se počeo razmatrati 1970-ih, a zamah je dobio početkom 1990-ih. Predlaže se za regije gdje batimetrija morskog dna dopušta razumno kratak cjevovod za unos hladne morske vode. SWAC zamjenjuje rashladne uređaje koji se koriste u konvencionalnim AC sustavima, uvelike smanjujući potrošnju električne energije i troškove hlađenja. Trošak električne energije SWAC sustava obično je 50-80% niži od konvencionalnih sustava. SWAC također doprinosi smanjenju toplinskih otoka zbog klimatizacije.
SWAC sustavi sa skladištenjem toplinske energije mogu se proširti sa sustavima generiranja obnovljivim izvorima električne energije. Prekomjerna proizvodnja električne energije iz varijabilnih obnovljivih izvora energije (VRE), odnosno energije vjetra i sunca, može se uravnotežiti s varijacijama u protoku morske vode u cjevovodu postrojenja SWAC. Ova hladna voda bi se zatim pohranila u spremnike toplinske energije kako bi se zadovoljila potreba za hlađenjem u bilo kojem trenutku.
Konvencionalna SWAC postrojenja sastoje se od:
- dovod morske vode je cjevovod koji služi za transport morske vode do obale
- pumpa za morsku vodu isporučuje vodu iz mora preko izmjenjivača te natrag u more
- izlaz za morsku vodu je cjevovod koji se koristi za vraćanje morske vode natrag u ocean
- izmjenjivač topline ili postrojenje za proizvodnju rashlađene vode koristi se za izmjenu topline iz morske vode i sustava daljinskog hlađenja ili grijanja
- distribucijska mreža distribuira hladnu slatku vodu iz postrojenja SWAC do toplinske podstanice grijanja i hlađenja lokalne zgrade
Ulaz hladne morske vode sastoji se od cjevovoda i tunela koji povezuju more na oko 700 do 2000 m dubine s izmjenjivačem topline na obali. Duljina cijevi može varirati od 1 do 20 km. Što je ulazni cjevovod duži, veći su njegovi kapitalni troškovi, opterećenje električne energije za crpljenje i gubici energije u okolini. Troškovi ugradnje i troškovi održavanja cjevovoda ne variraju značajno s promjenom promjera cjevovoda. Ulazni cjevovod obično se sastoji od polietilena visoke gustoće (HDPE), koji ima nekoliko prednosti u odnosu na alternativne materijale (čvrstoća, izdržljivost, fleksibilnost, inertnost, izolacija, otpornost na visoki tlak, isplativost i blagi negativan uzgoj). HDPE cjevovod je balastiran korištenjem raznih konstrukcija betonskih težina, najčešće varijacije betonskog sidra čvrsto stegnutog oko HDPE cjevovoda. Fleksibilnost cjevovoda je kritični faktor pitanje, jer može biti izložen stresu zbog morskih struja, seizmičkih aktivnosti, kao i širenja te kontrakcija zbog temperaturnih promjena. HDPE cijevi također zahtijevaju manje izolacije jer je plastika inherentno manje vodljiva od metala.
Izlaz tople morske vode trebao bi vraćati duboku morsku vodu na otprilike polovici duljine ulaznog cjevovoda ili na dubini od najmanje 50 m. Time se smanjuje utjecaj hladne, slane vode na morski okoliš. De Profundis propisuje izlaz na minimalno oko 200 m kako bi se izbjeglo cvjetanje algi. Studije okoliša obalnih područja Havaja razvijene su kako bi se pružilo razumijevanje uvjeta prije ugradnje na budućem mjestu SWAC i omogućila točnija procjena okoliša. Alternativno korištenje toplijeg ispusta morske vode, koji može biti bogat hranjivim tvarima, je za proizvodnja algi, ribe i rakova u kontroliranim spremnicima ili na otvorenom oceanu.
Izmjenjivač topline omogućuje hladnoj morskoj vodi da ohladi recirkulaciju svježe rashladne vode koja se koristi za klimatizaciju. U tipičnom SWAC sustavu, hladna morska voda se pumpa na 5 °C, dolazi na 7–8 °C u izmjenjivač topline, prolazi kroz izmjenjivač topline i izlazi na 12–13 °C. Slatka voda klimatizacijskog sustava dolazi na 13 °C i izlazi na 8 °C. Izmjenjivači topline od titana se često koriste jer kombiniraju otpornost na koroziju u slanoj vodi s visokom toplinskom vodljivošću. Izvještava se da su dugotrajna ispitivanja izmjenjivača topline pokazala da onečišćenje nije ozbiljan problem s dubokom morskom vodom. Nakon što morska voda prođe kroz izmjenjivač topline, vraća se kroz izlaz tople morske vode.
Daljinsko hlađenje se koristi za distribuciju rashladnog opterećenja iz SWAC postrojenja na zahtjeve hlađenja. Daljinsko hlađenje je obično manje održivo od sustava daljinskog grijanja. To je zato što je para bolji energetski nositelj od vode, a temperaturna razlika dovodne i povratne vode u sustavima grijanja obično je mnogo veća nego kod rashladnih sustava. To rezultira većim promjerom cijevi i većom potrošnjom električne energije u crpnim sustavima daljinskog hlađenja nego u sustavima daljinskog grijanja. Međutim, s obzirom na to da troškovi hlađenja sa SWAC procesima mogu biti prilično niski, daljinsko hlađenje na kratkim udaljenostima postaje održiva alternativa. Ponekad su troškovi daljinskog hlađenja veći od troškova projekta SWAC. To se može dogoditi tamo gdje je potražnja za hlađenjem vrlo fragmentirana.
Hibridni dizajn konvencionalnog SWAC postrojenja sastoji se od:
(1) ulaz hladne morske vode
(2) izlaz tople morske vode
(3) pumpa za morsku vodu, koja se iskopava na razumnoj dubini kako bi se omogućilo buduće povećanje protoka bez kavitacije
(4) izmjenjivač topline
(5) spremnik toplinske energije
(6) rashladni sustavi ili sustav daljinskog hlađenja
(7) obnovljivi izvori energije.
SWAC velike brzine koristi se da se protok SWAC sustava može povećati bez potrebe za izgradnjom novih ulaznih i izlaznih cjevovoda morske vode, koji imaju velike kapitalne troškove. Umjesto toga, brzina morske vode može se povećati kako bi se povećao protok i, na taj način, povećalo opterećenje hlađenja SWAC sustava. Međutim, kako bi se omogućila nadogradnja sustava, pumpa za morsku vodu mora se zakopati kako bi se spriječila kavitacija s povećanjem brzine protoka u cjevovodu. Kavitacija je čest problem u SWAC postrojenjima, pa su čak i sustavi zatvorene petlje predloženi za smanjenje utjecaja kavitacije. Sljedeći dio predstavlja promjene u dizajnu pumpe za morsku vodu kako bi se omogućilo povećanje rashladnog opterećenja u SWAC postrojenju i izbjegla kavitacija.
Crpna stanica za morsku vodu obično je projektirana pomoću mokre ili suhe jame na kopnu u blizini obale i mora biti instalirana dovoljno duboko kako bi se izračunao ukupni gubitak u usisnoj cijevi od obale. Dubinski dovodni cjevovod i crpna stanica morske vode iskopavaju se do 2 do 5 m od razine mora. Morska voda u cjevovodu tijekom rada ima konstantan salinitet ekvivalentan dubini morske vode u kojoj se nalazi. Ova gustoća je veća od prosječnog profila gustoće do dubine u kojoj se crpi morska voda. Drugi čimbenik koji pridonosi dubini iskopa crpke za morsku vodu je gubitak visine uslijed strujanja u cjevovodu tijekom rada SWAC sustava. Glavni aspekt koji utječe na gubitak glave je trenje u cjevovodu.
Za pokretanje pumpe potrebno je dodati svježu vodu u ulaz za morsku vodu na kraju pumpe kako bi razina ulazne glave morske vode mogla porasti i doći do pumpne stanice za morsku vodu. Zatim će pumpa raditi tako što će usisati morsku vodu iz ulaza vodene pumpe. Morska voda na 7 °C (temperatura na crpki tijekom normalnog rada) ima tlak pare od 0,00982 bara tako bi maksimalna teoretska visina usisa bila oko 10 m na ovoj temperaturi. Ako se snaga usisavanja poveća iznad doći će do kavitacije zadane vrijednosti, što bi oštetilo crpku i cjevovod.
SWAC postrojenja velike brzine dimenzioniraju se s projektima iskopa crpnih stanica velike dubine. S povećanjem dubine crpne stanice za morsku vodu, u cjevovodu se mogu postići veće brzine morske vode. Povećanje brzine u cijevima je korisno jer proporcionalno povećava rashladno opterećenje i smanjuje vrijeme zadržavanja vode u cjevovodu i može smanjiti gubitak topline u okolinu. Međutim, to bi moglo povećati kapitalne troškove zbog povećanja potreba za iskopom ulaznog tunela za morsku vodu i pumpne stanice za morsku vodu te povećati gubitak glave trenja, a time i potrošnju električne energije. Sve ove parametre potrebno je izjednačiti kako bi se pronašao najoptimalniji i najisplativiji dizajn SWAC postrojenja.
Kako SWAC projekti imaju visoke kapitalne troškove, cijevi, crpke i izmjenjivač topline trebaju raditi s visokim faktorima opterećenja kako bi opravdali ulaganje u tehnologiju, pod pretpostavkom da su cijene električne energije konstantne. Međutim, potražnja za uslugama hlađenja može značajno varirati u dnevnim ciklusima; obično je niža ili ne postoji tijekom noći i visoka tijekom dana, a vrhunac je tijekom poslijepodneva. Dnevno skladištenje toplinske energije važno je kako bi se omogućilo da ulazne cijevi za morsku vodu, pumpe i izmjenjivač topline SWAC sustava rade konstantno i jamče potrebu za hlađenjem tijekom različitih sati dana. Tijekom razdoblja slabog hlađenja opterećenja (tj. noću), spremnik za pohranu toplinske energije se puni hladnom morskom vodom. Tijekom dana, uskladištena ohlađena morska voda koristi se za snižavanje temperature sustava daljinskog hlađenja.
S obzirom na to da cijene električne energije mogu varirati u skladu s dostupnošću izvora za proizvodnju vjetra i Sunca te tijekom vršnih i izvan vršnih razdoblja, količina električne energije koja se koristi za crpljenje može varirati s troškovima električne energije. Slično kao u gornjem odjeljku, kada su troškovi električne energije niski, a pumpana hladna morska voda osigurava veće opterećenje hlađenja nego što je potrebno, dio vode se pohranjuje. Kada su troškovi električne energije visoki, a pumpana morska voda osigurava manje rashladno opterećenje od potražnje, uskladištena voda se koristi za dopunu preostalih potreba za hlađenjem.
Ako je potražnja za hlađenjem sezonska, veliki spremnik slatke vode može se koristiti za pohranu toplinske energije zamrzavanjem vode. Tijekom mjeseci kada hlađenje nije potrebno, hladna morska voda iz SWAC postrojenja koristi se za povećanje učinkovitosti rashladnog uređaja za zamrzavanje slatke vode u spremniku. Tijekom mjeseci kada je potražnja za hlađenjem velika, i SWAC sustav i energija pohranjena u obliku leda u spremniku slatke vode koriste se za opskrbu potražnje za hlađenjem.
Trenutačno sektor proizvodnje električne energije prolazi kroz temeljne promjene s namjerom smanjenja emisije CO2 i ovisnosti o fosilnim gorivima s prodiranjem na tržište obnovljivih izvora energije poput vjetra i sunca. Međutim, električna energija proizvedena iz ovih izvora može biti isprekidana, teško je predvidjeti i ne odgovarati vremenu potražnje. Stoga je skladištenje energije važan aspekt koji omogućuje susret povremene i nepredvidive obnovljive energije potražnje za električnom energijom i za povećanje održivosti ovih obnovljivih izvora energije.
Uspoređujući pumpnu pohranu, standardnu tehnologiju koja se koristi za skladištenje energije, sa SWAC sustavima za pohranu toplinske energije, potonji ima nekoliko prednosti kada se razmatra za usluge hlađenja za skladištenje energije. Volumen vode s temperaturnom razlikom od 10 °C pohranjuje istu količinu energije kao pumpno skladište s 2092 m (pretpostavljajući učinkovitost od 80% i rashladno sredstvo s 2,5 COP).
Crpno skladište zahtijeva dva rezervoara (gornji i donji); tunel koji povezuje oba rezervoara; elektrana s turbinom, generatorom i pomoćnom opremom; dalekovod koji povezuje crpno skladište i potražnju za hlađenjem; i rashladni sustav za pretvaranje električne energije u hlađenje. Uobičajeni kapitalni troškovi projekata crpnog skladištenja su u rasponu od 2000 USD/kWe instalirane tj. 800 USD/kWt instalirane (pod pretpostavkom da je rashladno sredstvo s 2,5 COP). Zbog povećanja razmjera, crpna pohrana obično je održiva s kapacitetom od 100 MWe ili više.
Crpka je jedina električna komponenta SWAC sustava. Pohranjivanje hladne vode pumpane u trenucima viška proizvodnje električne energije iz obnovljivih izvora jednako je skladištenju električne energije u operativnoj perspektivi mreže. Ako se projekt SWAC gradi prema prijedlozima u ovom radu, sustavi za pohranu toplinske energije zahtijevali bi samo hladnu morsku ili slatku vodu. Gubitak topline u sustavu za pohranu toplinske energije iznosi 0,5 °C što čini sustav učinkovitim od ~ 95%, uz pretpostavku da se temperaturna razlika pohranjene hladne vode od 10 °C koristi u proces hlađenja.
Kapitalni trošak skladištenja toplinske energije SWAC-a procjenjuje se na 585 USD/ kWt što je znatno manje od troškova pumpnog sustava skladištenja. Osim toga, sustavi za pohranu toplinske energije održivi su sa zahtjevima za hlađenjem od čak 20 MWt.
Osim toga, projekt SWAC sa spremnicima za pohranu toplinske energije i sustavom daljinskog hlađenja mogao bi se poboljšati toplinskom pumpom koja troši električnu energiju u razdobljima kada su cijene električne energije niske kako bi zamrznula dio svježe vode u sezonskom spremniku toplinske energije. To bi značajno povećalo kapacitet skladištenja energije u spremniku topline i povećalo sinergije za optimizaciju sustava. SWAC procesi sa pohranom toplinske energije imat će važnu ulogu u podržavanju širenja obnovljivih izvora energije u nadolazećim godinama u regijama u kojima je SWAC održiva alternativa za hlađenje.
Glavni aspekti koji utječu na cijenu SWAC sustava su udaljenost od obale do dubine oceana u kojoj je temperatura morske vode 5 °C ili manje (što je udaljenost manja, to bolje), dubina potrebna za postizanje ove temperature, koja varira od 700 do 2000 m (što je manja dubina to bolje), potražnja za hlađenjem (što veća potražnja to bolje), troškovi sustava daljinskog hlađenja (što je manje defragmentiran, to bolje) i troškovi električne energije (što veći, to bolje). Prosječna investicija potrebna za SWAC sustave je oko 4000 USD/kW klimatizacijskog opterećenja, a prosječni nivelirani trošak toplinske energije je 0,055 USD/ kWh, a razdoblje povrata je između 5 i 11 godina. Međutim, ovi se troškovi znatno smanjuju s povećanjem potražnje za hlađenjem.
Sinergije između VRE, poput sunca i vjetra, i SWAC-a sa pohranom toplinske energije posebno su vrijedne daljnje analize. To je zato što bi rad SWAC postrojenja mogu varirati ovisno o dostupnosti solarne i vjetro generacije kao alternative upravljanja potražnjom za smanjenje utjecaja isprekidanosti u mreži. Stoga će SWAC procesi sa skladištenjem toplinske energije imati važnu ulogu u podršci integraciji obnovljivih u regijama u kojima je SWAC održiva alternativa za daljinsko hlađenje i gdje je udio obnovljivih visok u mreži.
Autor strojarske tehničke studije
Dario Hrastović, dipl.ing.stroj.
