Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (OZE) jest ważnym warunkiem realizacji budownictwa energooszczędnego oraz pasywnego. Urządzenia i systemy OZE znajdują zastosowanie we wszystkich obszarach zużycia energii w budynkach.

W warunkach polskich w budynku można rozważyć wykorzystanie:

• ogniw fotowoltaicznych (PV) do produkcji energii elektrycznej,
• kolektorów słonecznych do podgrzewania ciepłej wody użytkowej i ogrzewania,
• pompy ciepła do produkcji ciepła,
• kotła na biomasę w instalacji grzewczej,
• siłowni wiatrowej do produkcji energii elektrycznej,
• rekuperatorów do pozyskiwania energii odpadowej z wentylacji lub ścieków,
• układu hybrydowego, np. ogniw fotowoltaicznych z pompą ciepła.

Najczęściej wykorzystywanymi technologiami OZE w miastach są: kotły na biomasę, kolektory słoneczne, ogniwa fotowoltaiczne, małe turbiny wiatrowe, pompy ciepła oraz układy hybrydowe. Pomimo lokalnych zanieczyszczeń powietrza oraz wymogów dużych przestrzeni do magazynowania paliwa drzewnego, kotły na biomasę w miastach są najczęściej wykorzystywanymi technologiami OZE.

Na co warto zwrócić uwagę przy zakupie instalacji

Przed podjęciem decyzji o wyborze odpowiedniej technologii, należy w fazie projektu uwzględnić wiele warunków, gwarantujących zyski energetyczne. Prosty okres zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych zależny od wielkości pozyskanego dofinansowania.

Pompy ciepła

Przy rozważaniu instalacji pompy ciepła należy kierować się zasadą największego uzysku ciepła przy najniższym zużyciu energii elektrycznej. Urządzenia o wysokim współczynniku COP (współczynnik wydajności cieplnej, podawany przez producenta) charakteryzują się większą ilością dostarczanego ciepła do odbiorcy przy małym zużyciu energii elektrycznej. Dla przykładu pompa ciepła o współczynniku COP równym 5 dostarcza 5 kW ciepła zużywając 1 kW energii elektrycznej. Zatem im wyższy współczynnik COP, tym prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych (SPBT) jest krótszy, a oszczędności są większe. Średnia wartość współczynnika SPBT, bez dotacji, dla małych pomp ciepła (poniżej 10 kW) wynosi 20 lat, dla instalacji 10-20 kW wynosi ok. 18 lat, zaś dla instalacji poniżej 40 kW ― ok. 17 lat.

Biomasa

Przy projektowaniu instalacji wykorzystującej biomasę, ważnym aspektem jest dobór odpowiedniego kotła pod względem przede wszystkim rodzaju paliwa drzewnego oraz mocy nominalnej. Zastosowanie zbyt dużego kotła generuje niepotrzebne koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne. Moc nominalną kotła należy oszacować na podstawie ekstremalnych lub średnich warunków klimatycznych oraz strat ciepła (przez przenikanie oraz na wentylację). Projektując kotłownię, należy również dokonać wyboru rodzaju paliwa. Najlepszym rozwiązaniem jest biomasa formowana w postaci peletów lub brykietów (materiał opałowy uzyskany poprzez sprasowanie odpadów drzewnych lub słomy), które gwarantują zwiększoną wartość opałową, a ze względu na większą gęstość do ich magazynowania niezbędne jest mniejsze pomieszczenie. Paliwa te są znacznie droższe od nieprzetworzonych (zrębków), jednakże łatwiejsze w użyciu oraz mają lepsze właściwości decydujące o dłuższej żywotności kotłów. Ważnym czynnikiem jest również dostępność paliwa w pobliżu miejsca zamieszkania. Prosty okres zwrotu nakładów na instalację z kotłem na biomasę, zastępującą konwencjonalny system, zależy od obecnie wykorzystywanego paliwa kopalnego. Wcześniejsze przeprowadzenie termomodernizacji w istniejącym budynku ogranicza zużycie paliwa oraz wymaganą moc kotła. Niższa cena biomasy zwiększa opłacalność inwestycji. Prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych dla małych kotłów na biomasę, bez dofinansowania, dla instalacji 10-20 kW średnio wynosi ok. 11 lat, zaś dla instalacji poniżej 40 kW wynosi ok. 10 lat.

Instalacje słoneczne

Do przemiany energii słonecznej w ciepło użyteczne wykorzystuje się słoneczne systemy grzewcze (systemy cieczowe oraz powietrzne). Najbardziej popularne są słoneczne instalacje do podgrzewania ciepłej wody użytkowej. Przy projektowaniu takiej instalacji z kolektorami słonecznymi należy uwzględnić zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową, przypadające na jedną osobę, oraz liczbę osób zamieszkujących dom. Niezbędnymi elementami planowania instalacji słonecznych są: określenie wielkości energii słonecznej docierającej do instalacji – zależnej od lokalizacji (warunki meteorologiczne) i od usytuowania odbiorników energii słonecznej (kolektorów) – oraz rodzaj i parametry istniejącego systemu grzewczego. W fazie projektu instalacji kolektorów słonecznych należy pamiętać, aby były one skierowane na stronę południową, a pochylenie względem poziomu powinno wynosić 45°. Prosty okres zwrotu poniesionego nakładu, bez dofinansowania, dla kolektorów słonecznych o mocy poniżej 10 kW wynosi średnio ok. 17 lat, dla instalacji 10-20 kW – ok. 15 lat, zaś dla instalacji poniżej 40 kW – ok. 13 lat.
Przy projektowaniu instalacji ogniw fotowoltaicznych należy zwrócić uwagę na sprawność ogniw, ponieważ im jest ona wyższa, tym więcej energii elektrycznej można wyprodukować. Ogniwa fotowoltaiczne obecnie dostępne na rynku charakteryzują się sprawnością wynoszącą 11-19%. Prosty okres zwrotu poniesionych nakładów inwestycyjnych dla mikroinstalacji ogniw fotowoltaicznych, bez dofinansowania, poniżej 10 kW średnio wynosi ok. 18 lat, dla instalacji 10-20 kW – ok. 15 lat, zaś dla instalacji poniżej 40 kW wynosi ok. 14 lat.

Małe elektrownie wiatrowe

Mini- i mikroelektrownie wiatrowe mogą być wykorzystane do wytwarzania energii elektrycznej w miejscach, gdzie zapotrzebowanie na nią jest niewielkie, a koszt podłączenia instalacji do sieci elektroenergetycznej wysoki. Większość małych przydomowych elektrowni wiatrowych o poziomej osi obrotu spełnia normy ochrony przed hałasem w odległości od 20 do 100 m od budynków mieszkalnych. Turbiny o osi pionowej, jak również poziomej osi obrotu, można montować bezpośrednio na dachach oraz w niewielkiej odległości od budynków. Pracująca pod obciążeniem mini- i mikroelektrownia wiatrowa powinna być podłączona do kontrolera, który służy do regulacji obciążenia prądnicy siłowni wiatrowej. Typowy silnik wiatrowy posiada wirnik z łopatami, napędzający prądnicę i ster kierunkowy, zapewniający ustawienie silnika „pod wiatr”. Turbiny o poziomej osi obrotu mają wyższą sprawność w porównaniu do turbiny o pionowej osi obrotu. Na terenach, gdzie występuje mało zwarta zabudowa, najlepiej stosować turbiny o poziomej osi obrotu, zaś na terenach o gęstej zabudowie należy stosować turbiny o osi pionowej, których budowa umożliwia montaż na dachach. Prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych, bez dofinansowania, dla małych elektrowni wiatrowych – poniżej 10 kW średnio wynosi 20 lat, dla instalacji 10-20 kW wynosi 19 lat, zaś dla instalacji poniżej 40 kW – ok. 13 lat.

Hybrydowe systemy wytwórcze

Układy hybrydowe wykorzystują więcej niż jedną technologię wytwarzania energii elektrycznej lub ciepła. Przykładem jest słoneczny kolektor hybrydowy (PVT), służący jednocześnie do podgrzewania wody lub ogrzewania budynków oraz wytwarzający energię elektryczną, stanowiący połączenie tradycyjnego kolektora (cieczowego lub powietrznego) i ogniwa fotowoltaicznego.
W coraz większym stopniu realizowane są układy hybrydowe, wykorzystujące różne źródła odnawialne lub źródła konwencjonalne wraz z odnawialnymi.

Przyłączenie instalacji do sieci elektrycznej

Zgodnie z Prawem energetycznym (nowelizacja z 2013 roku), producent energii elektrycznej z OZE ma możliwość darmowego przyłączenia do sieci elektroenergetycznej mikroinstalacji o mocy do 40 kW. Zamiar przyłączenia urządzania do sieci elektroenergetycznej należy przedstawić w formie zgłoszenia do Zakładu Energetycznego na danym terenie, który ma obowiązek zakupu energii elektrycznej wytworzonej przez prosumenta na poziomie 80% średniej ceny sprzedaży energii elektrycznej w poprzednim roku kalendarzowym. Prosument to nowe określenie kategorii jednocześnie wytwórcy i odbiorcy energii elektrycznej.
Wytwórca energii elektrycznej z OZE może skorzystać alternatywnie z istniejącego systemu „zielonych certyfikatów”, prowadząc działalność gospodarczą w tym zakresie. Przedsiębiorca ma zapewnione pierwszeństwo w świadczeniu usług przesyłania energii elektrycznej oraz zostaje zwolniony z opłat za: udzielenie koncesji, uzyskanie i rejestrację świadectw pochodzenia, potwierdzających wytworzenie energii elektrycznej z OZE.

Dofinansowanie

Wsparcie instalacji OZE można uzyskać w ramach programów Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Jednym z nich jest program Prosument. Program ten, skierowany do osób fizycznych oraz spółdzielni mieszkaniowych za pośrednictwem samorządów terytorialnych, ma na celu dofinansowanie mikroinstalacji OZE. Wsparcie w formie pożyczki dla osób fizycznych możne wynieść maksymalnie do 150 tys. zł (w tym do 40% dotacji), zaś maksymalna wysokość pożyczki dla spółdzielni mieszkaniowych wynosi do 450 tys. zł (w tym do 40% dotacji). Środki finansowe mogą być przeznaczone na zakup i montaż mikroinstalacji lub na sam zakup urządzeń, służących do wytwarzania energii elektrycznej oraz energii elektrycznej i ciepła.

Ochrona środowiska oraz bezpieczeństwo energetyczne

Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii ma ogromne znaczenie dla ochrony środowiska. W odniesieniu do biomasy, szacuje się, że ilość dwutlenku węgla (CO₂), wyemitowanego podczas spalania, jest równa ilości CO₂, pochłanianego w okresie wegetacji rośliny. Inne technologie, które można zastosować w energooszczędnych domach, również charakteryzują się niewielkim wpływem na środowisko. Kolektory słoneczne oraz ogniwa fotowoltaiczne nie zanieczyszczają środowiska podczas procesów podgrzewania ciepłej wody użytkowej, ogrzewania pomieszczeń czy wytwarzania energii elektrycznej. Eksploatacja pomp ciepła nie ma negatywnego wpływu na środowisko w miejscu ich zastosowania. Jednakże energia elektryczna pochodząca z paliw kopalnych, stosowana do napędu pomp ciepła, wpływa na środowisko.

Przykład 1.
Prosty okres zwrotu (SPBT) instalacji słonecznej

Przy cenie 0,60 zł za 1 kWh (dla wielkości przyjętych jak poniżej) koszt podgrzewania wody energią elektryczną wyniesie 2500 zł. Przy założeniu, że system słoneczny pokrywa 65% rocznego zapotrzebowania, oraz przy wartości inwestycji rzędu 9000 zł, wraz z dotacją, inwestycja zwróci się po ok. 5 latach.
Ogólnie koszt paliwa konwencjonalnego do podgrzewania ciepłej wody użytkowej w ciągu całego roku jest iloczynem następujących wielkości i wynosi:

K - koszt paliwa [zł/rok]
Z - zużycie ciepłej wody użytkowej, [kg/osobę/dzień]
L - liczba osób, [-]
∆T - różnica temperatur wody ciepłej i zimnej, [deg]
cp - ciepło właściwe wody, [kJ/(kg•K)]
N - liczba dni w roku, [-]
C - cena energii ze źródeł konwencjonalnych, [zł/kg]
η - sprawność urządzenia konwencjonalnego podgrzewania wody użytkowej,
W - wartość opałowa paliwa konwencjonalnego, [J/kg]

W przypadku wykorzystania bezpośrednio energii elektrycznej do podgrzewania wody (ogrzewanie oporowe), wyliczenie kosztów będzie następujące:

Przykład 2.
Eksploatacja pomp ciepła

Koszty eksploatacji pompy ciepła są niższe w porównaniu do paliw kopalnych. Koszty przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ciepła za pomocą pompy ciepła są prawie trzykrotnie niższe od produkcji ciepła oraz ciepłej wody użytkowej z wykorzystaniem gazu płynnego. Koszty eksploatacji pompy ciepła zależą przede wszystkim od jej parametrów (współczynnika wydajności cieplnej) oraz ceny energii elektrycznej. W przeprowadzonym obliczeniu porównano koszty ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej za pomocą instalacji konwencjonalnej oraz przy wykorzystaniu pompy ciepła. Obliczenia wykonano dla budynku o zapotrzebowaniu na energię użytkową równym 19 800 kWh/rok. Poniżej w tabeli przedstawiono zestawienie kosztów ogrzewania w zależności od nośnika energii.

Tab. 1. Zestawienie kosztów ogrzewania w zależności od nośnika energii

Instalacje odnawialnych źródeł energii powinny być zaprojektowane z uwzględnieniem indywidualnych potrzeb użytkownika. Ich koszt nie jest mały, ale w pewnych przypadkach można go zmniejszyć. I tak przy realizacji instalacji słonecznej podgrzewania ciepłej wody użytkowej lub służącej do ogrzewania, jeśli jest to możliwe, należy wykorzystać istniejące zasobniki magazynujące lub inne istniejące elementy konwencjonalnej instalacji. Zmiany klimatu oraz wciąż rosnące ceny konwencjonalnych nośników energii będą istotnie oddziaływać na atrakcyjność ekonomiczną urządzeń OZE.

Źródła:

• D. Chwieduk, Energetyka słoneczna budynku, Arkady 2011.
• M. Ligus, Efektywność inwestycji w odnawialne źródła energii, Wydawnictwo CeDeW 2010.
• A. Stefaniak, Wpływ wykorzystania odnawialnych źródeł energii na stan środowiska naturalnego, Wydawnictwo Rady Kół Naukowych Uniwersytetu Ekonomicznego w Krakowie 2012.
• R. Tytko, Odnawialne źródła energii, Wydawnictwo OWG 2011.
• R. Wnuk, Instalacje w domu pasywnym i energooszczędnym, Przewodnik budowlany 2007.

 

Bartłomiej Asztemborski, Ryszard Wnuk
Krajowa Agencja Poszanowania Energii SA

ChronmyKlimat.pl
Energooszczędne 4 kąty