Dom samowystarczalny energetycznie - czy to możliwe?

Czym wyróżnia się dom niezależny energetycznie?

Poziom uniezależnienia się od dostaw energii zewnętrzne może dotyczyć tylko niektórych rodzajów nośników energii lub sposobu jej wykorzystania, a całkowita samodzielność energetyczna choć teoretycznie możliwa, w praktyce wymagać będzie jednak – przynajmniej w postaci awaryjnego zasilania – z konwencjonalnych źródeł jej pozyskania.

Do normalnego funkcjonowania współczesnego domu konieczne jest zapewnienie stałego dopływu energii cieplnej oraz elektrycznej. Dzięki temu utrzymamy odpowiednią temperaturę w pomieszczeniach, przygotujemy posiłek czy skorzystamy z kąpieli lub prysznica, a prąd elektryczny będzie niezbędny do oświetlenia, zasilania sprzętu AGD, RTV, komputera itd. Oczywiście pozyskiwaną energię można przekształcać na inną jej formę, przy czym stosunkowo najłatwiej pozyskamy energię cieplną, ale najbardziej uniwersalne zastosowanie znajduje energia elektryczna, choć trudno ją wytworzyć jak i przechowywać. W praktyce, większość funkcjonujących domów autonomię energetyczną wykorzystuje do zaspokojenia najbardziej energochłonnych zadań – głównie ogrzewania i przygotowania ciepłej wody użytkowej, ale obecnie coraz większy udział w wytwarzaniu energii mają ogniwa fotowoltaiczne, choć głównie w powiązaniu z siecią elektroenergetyczna. Jako pierwotne źródło „darmowej” energii wykorzystuje się:

• promieniowanie słoneczne (cieplne i świetlne),
• siłę wiatru
• biomasę pozyskiwaną z własnych upraw.

Zbilansowanie potrzeb energetycznych domu z podziałem na wymagane postacie zużywanej energii, będzie podstawą do oceny możliwego uniezależnienia się od energii zewnętrznej, doboru odpowiednich systemów jej pozyskiwania i oczywiści kosztów inwestycyjnych.

Najczęściej wykorzystywanym źródłem ekologicznej energii elektrycznej jest promieniowanie słoneczne fot. Depositphotos

Potrzeby energetyczne domu

Ocenę wymagań energetycznych w budowanym dopiero domu można w praktyce przeprowadzić na postawie teoretycznie przyjętych założeń projektowych i przybliżonych wartości zużywanej energii na cele eksploatacyjne budynku. Dokładniejsze parametry uzyskamy w już użytkowanym domu wykorzystując np. wskazania licznika energii elektrycznej i gazu, zużywanego sezonowo opału. Przy analizie tych wartości trzeba także uwzględnić maksymalne zapotrzebowanie mocy, oraz czasokres sezonowego jej wykorzystania z rozróżnieniem jej form w postaci energii cieplnej lub elektrycznej. 

Standardową, przybliżoną analizę potrzeb energetycznych domu możemy prześledzić na poniższym przykładzie posługują się przeciętnymi wskaźnikami zużycia energii końcowej dla zaspokojenia potrzeb mieszkańców. Analizowany obiekt to dom jednorodzinny o powierzchni 150 m² zamieszkiwany przez cztery osoby (dwoje dorosłych i dwoje dzieci), o planowanej energochłonności rocznej na cele grzewcze, przygotowania c.w.u. oraz wentylacje o wartości 9 000 kWh, i rocznym zużyciu energii elektrycznej na inne cele w wysokości 5 000 kWh. Szczytowe zapotrzebowanie na moc grzewczą to 8 kW, a na moc elektryczną 6 kW. W przypadku energii cieplnej może być ona pozyskiwana bezpośrednio lub po przekształceniu z energii elektrycznej z wykorzystaniem pompy ciepła.  

Energetyczny potencjał wytwórczy

Jako podstawowe źródło odnawialnej energii - zwłaszcza w skali mikroenergetycznej – wykorzystywane jest promieniowanie słoneczne. W mniejszym stopniu może być wytwarzana w generatorach wiatrowych, a na potrzeby grzewcze przeznacza się biomasę np. z własnej uprawy wierzby energetycznej. Jednak globalne OZE (słońce, wiatr) charakteryzują się okresowością i nieprzewidywalnością swojego działania i z reguły wymagają współpracy z systemami zasilania awaryjnego. 

Całkowita energia słoneczna docierająca do Ziemi wynosi średnio ok. 1000 kWh na m² powierzchni w ciągu roku, przy mocy szczytowej sięgającej 1000-1100 W/m². Jednak jej dopływ w poszczególnych miesiącach jest bardzo różny - ponad 3/4 tej wartości przypada na miesiące "ciepłe"  maj – wrzesień,  a więc w okresie, gdy  zmniejsza się  ogólne zapotrzebowanie na energię użytkową. Znaczne zróżnicowanie występuje też w cyklu dobowym – w porze nocnej zanika przekazywanie energii z promieniowania świetlnego.

Poziom nasłonecznienia w Polsce w 2020 roku fot. Growatt New Energy

Oczywiście nie całą potencjalnie dostępną energię słoneczną udaje się wykorzystać, gdyż zależy to od efektywności przejmowania przez urządzenia solarne i fotowoltaiczne. Przeciętny zysk energetyczny bezpośredniego przejmowania ciepła przez kolektory słoneczne w skali roku wynosi 300-400 kWh/m² powierzchni kolektora, z czego większość przypada na ciepłe miesiące roku, co zaspakaja głównie zapotrzebowanie na przygotowanie c.w.u. 

Promieniowanie Słońca pozwala również na wykorzystanie energii świetlnej przetwarzanej w ogniwach fotowoltaicznych na prąd elektryczny. Efektywność konwersji światła na prąd elektryczny jest stosunkowo niewielka i wynosi 15-18%, a panele fotowoltaiczne uzyskują maksymalna moc w optymalnych warunkach nasłonecznienia i określaną parametrem MPP/STC, ale dla analizy możliwości energetycznych przyjmuje bardziej realistyczną wartość oznaczaną jako moc NMOT/NOCT. W praktyce przy odpowiedniej lokalizacji i systematycznym oczyszczaniu powierzchni roczne zyski energetyczne szacowane są na poziomie ok. 800 kWh z 1 kW mocy nominalnej zainstalowanych paneli.   

Indywidualne wykorzystanie energii wiatrowej nie jest często stosowane ze względu na niekorzystny w pływ na otoczenie (hałas, zagrożenie dla ptaków, „ruchomy cień”) i znajduje zastosowanie głównie w systemowych farmach wiatrowych.

Wykorzystanie biomasy dla zapewnienia autonomii energetycznej domu (tylko na cele grzewcze) może być rozważane przy dużych działkach o odpowiednich warunkach glebowych, a sam proces uprawy, zbioru i przetworzenia jest uciążliwy, czasochłonny i wymaga dostarczenia energii zewnętrznej, choćby w postaci paliwa do zasilania kosiarki i rozdrabniacza. Orientacyjnie pozyskiwana energia końcowa (po spaleniu biomasy) z hektara uprawy przy plonie 15 ton to ok. 25 000 kWh, czyli w przykładowym domu do celów energetycznych wystarczy plantacja o powierzchni 3000-4 000 m².

Konieczna akumulacja energii

Najczęściej wykorzystywana energia słoneczna w charakteryzuje się bardzo dużą nierównomiernością pozyskiwanej mocy zarówno w krótkich przedziałach czasowych jak i w dłuższych okresach. Dodatkowo prognozowanie ilości pozyskiwanej energii utrudnia nieprzewidywalność tych zmian - są okresy, gdy wytwarzany jest nadmiar energii przekraczający aktualne zapotrzebowanie, jak i całkowity brak jej dostarczania. Dlatego w celu zapewnienia równomiernego jej dopływu konieczne będzie magazynowanie energii. W przypadku wykorzystywania kolektorów słonecznych do celów grzewczych akumulacje energii zapewniają zasobniki ciepłej wody o pojemności dostosowanej do jej zapotrzebowania. Z reguły są to zbiorniki z ładowaniem warstwowym, z dwiema wężownicami - jedną współpracującą z kolektorem, a drugą zasilaną z kotła gazowego, węglowego lub z grzałka elektryczną. W skali roku  energia słoneczna zapewnia przeciętnie pokrycie 60-70% ciepła potrzebnego do zasilania instalacji c.w.u. i może niewielkim stopniu wspomagać instalacje grzewczą.

Przy przetwarzaniu energii naturalnej na prąd elektryczny rolę magazynu energii na małą skalę pełnią akumulatory. Jednak do zmagazynowania całej pozyskanej energii z dużej powierzchni ogniw potrzeba wielu akumulatorów, gdyż latem, jeśli energia elektryczna nie jest zużywana na bieżąco np. do zasilania klimatyzacji, z panelami o mocy efektywnej 1 kW powinien współpracować zestaw akumulatorów o pojemności ok. 12 kWh złożony np. z 12 baterii samochodowych o pojemności 100 Ah.

Zbiornik do c.w.u. z zasilaniem hybrydowym (z dwiema wężownicami) fot. OEM Energy

Dlatego jako powszechnie stosowany „akumulator” wytwarzanego prądu, wykorzystywana jest krajowa sieć elektroenergetyczna. Dzięki takiemu rozwiązaniu mamy zapewniony stały dostęp do energii elektrycznej niezależnie od tego czy jest ona „nasza”, czy pochodzi z profesjonalnej elektrowni lub fotowoltaiki u sąsiada.

Przy korzystaniu z tej formy wytwarzania energii na potrzeby własne przez tzw. mikroinstalacje o mocy do 50 kW, operator sieci dystrybucyjnej zobowiązany jest do przejmowania nadmiaru wytwarzanej energii i rozliczenia w ramach umowy prosumenckiej. W efekcie prosument może odebrać „za darmo” z sieci elektroenergetyczne do 70% lub 80% przekazanej wcześniej energii (przy mocy instalacji do 10kW).

W przykładowym domu roczne zapotrzebowanie na energię elektryczną jako jedynego źródło zasilania, teoretycznie może zapewnić własna instalacja fotowoltaiczna o mocy nominalnej 10 kW zakładając, że pompa ciepła będzie uzyskiwać efektywność określoną wskaźnikiem COP nie mniejszym niż 3. Oczywiście takie rozwiązanie nie zapewnia pełnej autonomii energetycznej, a jedynie znaczące zmniejsza koszty jej pozyskania, jednak nakładem dużych wydatków inwestycyjnych. Zatem do czasu znalezienia sposobu na efektywne przechowywanie energii pozyskanej z dowolnego źródła OZE nie można zapewnić całkowitej niezależności energetycznej domu przy jednoczesnym zagwarantowaniu odpowiedniego komfort mieszkańcom i rozsądnych kosztach inwestycyjnych.

Redakcja BudownicwaB2B

Fot. OEM Energy/Depositphotos/Growatt New Energy