Wobec coraz uboższych zasobów paliw kopalnych, jak i rosnącego popytu na energię, rodzi się pytanie, jak zaspokoić potrzeby energetyczne ludzkości. Jako że obecny stan techniki i technologii pozwala na coraz efektywniejsze wykorzystanie źródeł energii odnawialnej, wydawać by się mogło, iż problem deficytu energii zostanie w skuteczny sposób zażegnany. Polityka energetyczna Unii Europejskiej zmusza nas jednak, do 2030 roku, do ograniczenia zużycia energii i to aż o 20 %, w stosunku do roku 1990. Aby w efektywny sposób zmniejszyć zużycie ciepła, nowe budownictwo musi być wysoce energooszczędne, a w przypadku budynków już istniejących należało by przeprowadzić gruntowną termomodernizację. Zmniejszenie zużycia energii elektrycznej wymaga dyscypliny mieszkańców oraz zastosowania nowoczesnych technologii, jak np. oświetlenie ledowe, czy systemy inteligentnego sterowania.
Niniejszy artykuł omawia pokrótce zasady budownictwa energooszczędnego, a także możliwości wykorzystania energii odnawialnej w układach grzewczych stosowanych w tego typu budownictwie.
Energetyka odnawialna
Zarówno w Polsce jak i na świecie, większość konsumowanej przez człowieka energii produkowana jest z paliw kopalnych, które powoli ulegają wyczerpaniu. Obecnie z węgla, ropy i gazu produkuje się przeszło 80% energii światowej i aż ponad 90% energii w naszym kraju. Unia Europejska, prowadząc proekologiczną politykę energetyczną, wprowadza coraz to nowe ograniczenia dotyczące wytwarzania energii z tzw. źródeł konwencjonalnych, stawiając przy tym na rozwój energetyki odnawialnej.
Odnawialnym źródłem energii możemy nazwać takie źródło, które przy racjonalnej eksploatacji jego zasobów, jest w stanie zregenerować się w na tyle krótkim czasie, aby nie uległo wyczerpaniu. Prawie wszystkie odnawialne źródła energii mają swój początek w energii promieniowania słonecznego. Jedynie energia geotermalna pochodzi z wnętrza Ziemi. Pozostałe źródła odnawialne to: woda, słońce, wiatr i biomasa. Większość tych źródeł można z powodzeniem wykorzystać zarówno do produkcji prądu jak i ciepła. Istnieją oczywiście różnego rodzaju ograniczenia co do możliwości zastosowania niektórych rodzajów energii odnawialnej. Jest to jednak związane z ich ograniczoną dostępnością w niektórych regionach świata.
Jak już wspomniano, energię odnawialną wykorzystać można w dwojaki sposób. Do produkcji prądu stosuje się zazwyczaj turbiny wiatrowe (energia wiatru), panele fotowoltaiczne (energia słońca), czy turbiny wodne (energia wody) oraz biomasę, na przykład poprzez popularne ostatnimi czasy współspalanie biomasy w elektrowniach węglowych. Ciepło uzyskuje się natomiast za pomocą kolektorów słonecznych (energia słońca), pomp ciepła (energia geotermalna) czy kotłów na biomasę, a także wykorzystując wody geotermalne do bezpośredniego zasilania układów grzewczych. Są to oczywiście tylko niektóre przykłady zastosowania energii odnawialnej do produkcji ciepła i energii elektrycznej. Poszczególne urządzenia mogą pracować samodzielnie bądź możemy je łączyć w układy hybrydowe, wykorzystujące więcej niż jedno źródło energii.
Rys.1 Struktura generacji energii elektrycznej na świecie do 2050 roku wg raportu Power Choices z 2010 roku
[Źródło: http://www.pke.pl/media/stanislaw-tokarski-dlaczego-potrzebna-jest-duza-energetyka-w-perspektywie-roku-2050]
W ostatnich latach nastąpił bardzo dynamiczny rozwój energetyki odnawialnej. Prognozuje się, iż udział źródeł odnawialnych w energetyce światowej będzie stale rósł. Rys. 1 przedstawia prognozę wykorzystania energii odnawialnej, na tle innych źródeł energii, do roku 2050.
Rys. 2. Prognoza światowej produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych
do roku 2050 wg raportu Power Choices z 2010 roku.
[Źródło: http://www.pke.pl/media/stanislaw-tokarski-dlaczego-potrzebna-jest-duza-energetyka-w-perspektywie-roku-2050]
Jeśli zaś chodzi o rozwój samej energetyki odnawialnej, prognoza do 2050 roku zakłada ponad trzykrotny wzrost jej wykorzystania (Rys.2)
Polska przygotowała własną prognozę rynku energii elektrycznej do 2050 roku. Jak przedstawia Rys. 3, dążyć będziemy do znacznego ograniczenia użycia paliw kopalnych, przy jednoczesnym rozwoju energetyki odnawialnej.
Rys. 3. Model generacji do roku 2050, przygotowany przez firmę Badania Systemowe „EnergSys” Sp. z o.o., na zlecenie Polskiego Komitetu Energii Elektrycznej.
[Źródło: http://www.pke.pl/media/stanislaw-tokarski-dlaczego-potrzebna-jest-duza-energetyka-w-perspektywie-roku-2050]
Urządzenia służące do wykorzystania energii odnawialnej
Energię słoneczną wykorzystuje się zarówno do produkcji ciepła jak i prądu. Różnią się jedynie urządzenia służące do konwersji energii promieniowania słonecznego w pożądany przez nas rodzaj energii.
Do produkcji energii elektrycznej służą ogniwa fotowoltaiczne. Baterię ogniw fotowoltaicznych przedstawia rysunek 4. Zasada działania ogniwa fotowoltaicznego jest dość prosta. Jest to złącze typu p-n, w którym pod wpływem promieniowania słonecznego powstaje różnica potencjałów. Obecne ogniwa fotowoltaiczne osiągają sprawność rzędu nawet ponad 40%, co oznacza, że są w stanie przetworzyć ponad 40% docierającej do nich energii słonecznej na prąd. Jest to dość duży współczynnik konwersji – dla porównania, sprawność fotosyntezy wynosi ok. 1%. Większość ogniw fotowoltaicznych produkuje się na bazie krzemu, spotyka się jednak ogniwa selenowe, a ostatnio badane są ogniwa barwnikowe i polimerowe. Ogniwa krzemowe możemy podzielić na polikrystaliczne, monokrystaliczne i amorficzne. Klasyczne ogniwo krzemowe osiąga sprawność rzędu 14-17%. Ogniwa nowej generacji działają z dużą sprawnością dzięki innowacyjnemu pomysłowi – składają się mianowicie z trzech warstw, częściowo przepuszczalnych, co umożliwia “absorpcję” energii słonecznej na konkretnych warstwach i w sumie ponad 50 % wzrost dotychczasowej maksymalnej sprawności.
Rys. 4. Panele fotowoltaiczne
Energia słoneczna jest przetwarzana na ciepło za pomocą kolektorów słonecznych. Kolektor odbiera ciepło z promieniowania słonecznego poprzez czynnik roboczego (ciecz lub gaz),
a dalej czynnik oddaje energię na potrzeby produkcji ciepłej wody użytkowej lub do ogrzewania wody basenowej, czy wspomagania centralnego ogrzewania. Najczęściej stosuje się kolektory płaskie lub próżniowo-rurowe. Dla zwiększenia sprawności, pod kolektorem próżniowym montuje się zwierciadło doświetlające. Schemat kolektora płaskiego przedstawia rysunek 5, zaś na rysunku kolejnym (rys. 6) przedstawiono kolektor próżniowo-rurowy. Z kolei na rysunku 7 przedstawiono schemat przykładowego układu grzewczego opartego na kolektorach słonecznych.
Wykorzystanie kolektorów i ogniw fotowoltaicznych jest najbardziej opłacalne w miejscach o dużym nasłonecznieniu. Z racji małej liczby godzin słonecznych w okresie jesienno – zimowym, w naszych szerokościach geograficznych należy je traktować raczej jako okresowe źródło energii.
Rys. 5 Schemat kolektora płaskiego
[Źródło: http://pl.wikipedia.org/wiki/Plik:Kolektor_plaski.svg]
Rys. 6. Kolektor próżniowo-rurowy ze zwierciadłem doświetlającym.
[Źródło: http://pl.wikipedia.org]
Rys. 7. Schemat układu grzewczego z kolektorami słonecznymi.
[Źródło: http://www.agro.viessmann.com]
Energię wiatru wykorzystuje się do produkcji energii elektrycznej za pomocą turbin wiatrowych. W największym skrócie, energia kinetyczna wiatru powoduje obrót łopat, które poprzez sprzęgła przekazują energię na generator, ten zaś wytwarza prąd elektryczny. Turbiny wiatrowe dzieli się na dwie zasadnicze grupy – o pionowej bądź poziomej osi wirnika. Turbiny o poziomej osi wirnika dzielimy na śmigłowe i wielołopatowe, zaś turbiny o osi pionowej mogą przyjmować różne formy, a najpopularniejsze z nich to turbina rotorowa Savoniusa i turbina Darrieusa. Przykładowe rodzaje turbin przedstawiono na rysunkach poniżej (rys.8 i rys.9). Najbardziej rozpowszechnione są turbiny śmigłowe trójpłatowe o poziomej osi obrotu. Całość zamontowana jest w gondoli, na wysokości do 100 m nad ziemią. Elektrownię wytwarzającą prąd elektryczny za pomocą turbiny wiatrowej nazywamy elektrownią wiatrową. Zespół elektrowni wiatrowych określa się zaś mianem farmy wiatrowej. Farmy wiatrowe powinny być lokowane w miejscach o dobrych warunkach wiatrowych, gdzie średnia roczna prędkość wiatru przekracza 4m/s. Jest to niezbędne minimum potrzebne do pracy turbiny wiatrowej.
Rys. 8. Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu
[Źródło: http://pl.wikipedia.org]
Lokowanie elektrowni wiatrowych jest możliwe zarówno na lądzie, jak i na morzu. Obydwa rozwiązania mają oczywiście swoje plusy i minusy. Mówiąc o elektrowniach wiatrowych możemy zastosować jeszcze jeden podział, a mianowicie klasyfikować je na podstawie ich mocy jako mikroelektrownie o mocy do 100W, małe elektrownie wiatrowe o mocy od 100W do 50kW oraz duże elektrownie wiatrowe, o mocy powyżej 50kW. Turbiny wiatrowe mogą być stosowane zarówno do zasilania indywidualnych gospodarstw domowych, jak i wchodzić w skład dużych farm wiatrowych do celów komercyjnych. W domach jednorodzinnych mogą stanowić doskonałe uzupełnienie dla paneli fotowoltaicznych, w okresie jesienno-zimowym. Mogą także współpracować z innymi źródłami energii odnawialnej lub stanowić uzupełnienie dla źródeł konwencjonalnych. Jako że są to źródła energii wysoce zależne od warunków meteorologicznych, a przez to bardzo niestabilne, nie zaleca się wykorzystywania elektrowni wiatrowych jako jedynego źródła zasilania układów w energię elektryczną
Rys. 9. Typowa elektrownia wiatrowa o poziomej osi obrotu.
[Źródło: http://www.przydomowe-elektrownie.waw.pl]
Woda jest najczęściej wykorzystywanym źródłem energii odnawialnej. Do wytworzenia energii możemy wykorzystać energię naturalnego spadku wody, bądź energię prądów morskich, pływów i falowania. Najczęściej wykorzystuje się energię spadku wody budując elektrownie na rzekach. Powstają w ten sposób elektrownie szczytowo-pompowe oraz przepływowe. Wodne elektrownie szczytowo pompowe służą dostosowywaniu produkcji energii elektrycznej do jej chwilowego zapotrzebowania. W czasie małego zapotrzebowania na energię, wykorzystują jej nadmiar do pompowania wody do zbiornika znajdującego się na dużej wysokości. W czasie dużego zapotrzebowania energetycznego, woda jest uwalniana i jej energia potencjalna jest z powrotem przetwarzana na energię elektryczną. Aktualnie elektrownie szczytowo-pompowe stanowią największe akumulatory energii potencjalnej umożliwiające wykorzystywanie niestabilnych źródeł energii, takich jak elektrownie wiatrowe i elektrownie słoneczne. Z kolei elektrownie przepływowe nie spiętrzają dodatkowo wody i nie wymagają tworzenia zalewów. Ich moc jest ograniczona przez moc płynącej naturalnie wody.
Rys. 10. Przykładowy schemat elektrowni wodnej
[Źródło: http://www.zielonaenergia.eco.pl]
Elektrownie wodne są wykorzystywane raczej do celów komercyjnych. Indywidualne wykorzystanie energii wody w gospodarstwie domowym byłoby trudne ze względu na konieczność usytuowania domu w pobliżu cieku wodnego. Przy obecnych warunkach pogodowych mogłoby to być dość niebezpieczne ze względu na ryzyko okresowych podtopień i powodzi coraz częściej nawiedzający duże obszary naszego kraju.
Biomasę wykorzystuje się obecnie zarówno do produkcji prądu, przede wszystkim poprzez współspalanie w konwencjonalnych elektrowniach węglowych, jak również do celów grzewczych w indywidualnych gospodarstwach domowych, czy to w specjalnie dedykowanych do tego celu kotłach, czy też w kominkach. Mówiąc o biomasie mamy do dyspozycji drewno odpadowe oraz o niskiej jakości technologicznej, odchody zwierzęce, osady ściekowe, słomę i inne odpady produkcji rolniczej, wodorosty specjalnie uprawiane w celach energetycznych, odpady organiczne po produkcji spożywczej, oleje roślinne, tłuszcze zwierzęce, czy specjalne uprawy szybko rosnące jak wierzba energetyczna lub trawy wieloletnie. Wadą stosowania biomasy do uzyskiwania energii jest wydzielanie szkodliwych substancji podczas spalania białek i tłuszczów.
Oprócz bezpośredniego spalania biomasy prowadzi się także proces zgazowania, w wyniku czego powstaje gaz generatorowy, który możemy spalić w kotle lub wykorzystać jako bezpośredni napęd turbiny gazowej. Ponadto stosuje się estryfikację, której produktem jest biodiesel, a także prowadzi się fermentację prowadzącą do powstania biogazu, metanolu, etanoli, bądź innych substancji mogących służyć jako paliwo.
Rys. 11. Opalany w 100% biomasą blok energetyczny o mocy 205MW, elektrownia w Połańcu
[Źródło:http://wydawnictwo.inzynieria.com/cat/93/mag_id/9/art/36921]
Energię geotermalną wykorzystuje się zazwyczaj do produkcji ciepła. Możemy w tym przypadku mówić o wykorzystaniu naturalnego ciepła skał wewnątrz ziemi oraz ciepła tzw. wód geotermalnych.
Wody geotermalne mogą być stosowane do bezpośredniego zasilania instalacji grzewczych, ale także do ogrzewania basenów, stawów do hodowli ryb, a wody o wysokich temperaturach można wykorzystać w przemyśle papierniczym, czy do produkcji prądu elektrycznego (rys. 12). Schemat podziału możliwości wykorzystania wód geotermalnych ze względu na ich temperaturę przedstawia Rys. 12.
Rys. 12. Diagram Lindal’a.
[Źródło: http://www.energetykacieplna.pl/artykuly/]
Zarówno wody geotermalne, jak i energię skał można wykorzystać do zasilania urządzenia zwanego pompą ciepła. Zasada działania pompy ciepła (rys. 13) jest taka sama jak lodówki. Urządzenie „pompuje” ciepło z otoczenia o niskiej temperaturze do pomieszczeń o temperaturze wyższej. Pompy ciepła najlepiej sprawdzają się jako zasilanie niskotemperaturowych układów grzewczych, przez co najlepiej współpracują z ogrzewaniem podłogowym. Mogą jednak pracować z obiegami o wysokiej temperaturze, co odbywa się jednak kosztem efektywności urządzenia.
Rys. 13. Zasada działania pompy ciepła
Poza energią geotermalną pompy ciepła mogą wykorzystywać także inne źródła energii. Ze względu na rodzaj dolnego źródła pompy ciepła można podzielić na powietrzne, wodne i gruntowe. Zaś pompy gruntowe dzielimy na te z kolektorem pionowym i poziomym (Rys.14).
Ze względu na warunki klimatyczne panujące w naszych szerokościach geograficznych bardzo trudno zastosować do celów grzewczych, w okresie zimowym, powietrzne pompy ciepła. Najczęściej są one używane do podgrzewania wody użytkowej oraz do klimatyzowania pomieszczeń w lecie.
Najefektywniejsze spośród wszystkich są wodne pompy ciepła, jednak problem z ich zastosowaniem (konieczność usytuowania nieruchomości w pobliżu dużego zbiornika wodnego) sprawia, iż do celów grzewczych najpowszechniej stosowane są gruntowe pompy ciepła.
Rys. 14. Pompa ciepła z kolektorem pionowym (A) i z kolektorem poziomym (B)
[Źródło: http://www.ogrzewamy.pl ; http://www.info-ogrzewanie.pl]
Pompy ciepła mogą być stosowane w systemach monowalentnych – jako jedyne źródło ciepła, bądź w układach z dowolnymi generatorami energii, zarówno opartymi o źródła odnawialne, jak i konwencjonalne.