Ekologiczna energia ze Słońca, wiatru i biopaliw

Dbałość o środowisko naturalne, dążenie do ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, a także kurczące się zasoby surowców energetycznych sprawiają, że w coraz większym stopniu wykorzystujemy odnawialne źródła energii. Pierwotnym źródłem tej energii jest zawsze Słońce i może być wykorzystywana bezpośrednio lub z udziałem innych form energetycznych - wiatru czy masy biologicznej w formie biopaliwa.

Ekologiczna energia ze Słońca, wiatru i biopaliw

Potencjał wytwórczy

Całkowita energia słoneczna docierająca do Ziemi na terenie Polski wynosi średnio ok. 1000 kWh na m2 powierzchni w ciągu roku. Jednak jej dopływ w poszczególnych miesiącach jest bardzo zróżnicowany - ponad 3/4 tej wartości przypada na miesiące "ciepłe" maj-wrzesień, co pozwala na efektywne pozyskiwanie energii cieplnej w układach solarnych oraz elektrycznej w ogniwach fotowoltaicznych.

Współpraca VELUX i Schneider Electric na drodze do osiągnięcia przez Velux neutralności węglowej do 2030 roku. fot. VELUX
Współpraca VELUX i Schneider Electric na drodze do osiągnięcia przez Velux neutralności węglowej do 2030 roku. fot. VELUX

Natomiast w formie pośredniej z wykorzystaniem wiatru wytwarzana jest energia elektryczna w wiatrakach, a wiatr powstaje m.in. na skutek ogrzewania przez Słońce powierzchni Ziemi o różnej strukturze i ukształtowaniu, co wywołuje powstawanie prądów powietrznych o zróżnicowanym nasileniu i zasięgu nawet wielu tysięcy kilometrów.

Pośrednią formą pozyskiwania energii ze Słońca jest również umożliwienie wegetacji roślin, wykorzystywanych później jako odnawialne paliwa.

Zależnie od sposobu pozyskiwania energii użytecznej dla człowieka, urządzenia przetwarzające uzyskują zróżnicowaną efektywność w różnych porach dnia czy roku i jej przewidywalność, niezawodność funkcjonowania oraz poziom nakładów inwestycyjnych czy wymaganej powierzchni energotwórczej, w pewnym uproszczeniu zostały ujęte w poniższym zestawieniu.

Energia solarna

Pozyskiwana w formie ciepła z efektywnością do 50%, funkcjonuje praktycznie jedynie w porze dziennej, co przekłada się na wydajne pozyskiwanie energii głównie w okresie długiego dnia.

Zysk energetyczny tych urządzeń w skali roku wynosi przeciętnie 400-500 kWh/m2 powierzchni kolektora. Cechuje się też znaczną zmiennością dobową uzależnioną od warunków pogodowych. 

Elementy instalacji solarnej do przygotowania cwu: 1 - kolektory słoneczne, 2 - bufor dwufunkcyjny, 3 - grupa solarna, 4 - sterownik, 5 - naczynie wzbiorcze fot. OEM Energy
Elementy instalacji solarnej do przygotowania c.w.u.: 1 - kolektory słoneczne, 2 - bufor dwufunkcyjny, 3 - grupa solarna, 4 - sterownik, 5 - naczynie wzbiorcze. fot. OEM Energy

Panele fotowoltaiczne

Efektywność przetwarzania energii słonecznej w elektryczną wynosi ok. 20%, czyli z 1 m2 panelu pozyskuje się moc do 200 W. Umożliwienie zasilania urządzeń elektrycznych mocą 1 kW wymaga więc zainstalowania paneli fotowoltaicznych o powierzchni ok. 5 m2.

16 paneli fotowoltaicznych na dachu budynku mieszkalnego. fot. Columbus Energy
W 2021 roku liczba instalacji fotowoltaicznych pobiła rekord. Zarejestrowano łącznie ok. 850 tys. domów z PV. Tylko w grudniu do sieci przyłączono prawie 54 tys. nowych instalacji. W roku 2020 skumulowana moc zainstalowana w fotowoltaice była prawie o 94% mniejsza! fot. Columbus Energy

Skuteczność pozyskiwania energii uzależniona jest - podobnie jak w instalacjach solarnych - od długości dnia i warunków pogodowych, a przeciętny zysk energetyczny w ciągu roku z 1 kW zainstalowanej mocy wynosi ok. 800 kWh.

Energia wiatrowa

To najmniej przewidywalna forma pozyskiwania energii cechująca się dużą zmienności w cyklu dobowym i w dłuższych okresach, ale - przynajmniej teoretycznie - nie jest uzależniona od pory dnia czy roku. Moc siły wiatru zależy od prędkości wiatru i rośnie wykładniczo wraz z jej wzrostem.

Przykładowo przy prędkości wiatru 4 m/s teoretyczna moc wynosi 39 W/m2 powierzchni skrzydła, przy 7m/s - 210 W/m2 a przy 12 m/s - 1058 W/m2. Ze względu na niska sprawność siłowni wiatrowej rzędu 20-25%, pozyskiwana moc będzie odpowiednio mniejsza. 

Instalacja wiatrowa nie zajmuje dużo miejsca (tyle co maszt), ale jest źródłem hałasu, co ogranicza możliwość instalowania, jeśli zlokalizowana będzie w pobliżu ludzkich siedzib.

Zależnie od rejonu użytkowania, turbiny, wysokości masztu i konfiguracji terenu pozwala na pozyskanie energii elektrycznej na poziomie 400-1400 kWh energii z 1 m2 powierzchni tworzonej przez łopaty śmigła.

Biomasa - paliwa energetyczne

To szczególna forma energii pozyskiwanej z OZE charakteryzująca się koniecznością wykorzystania znacznej powierzchni ziemi pod uprawę roślin energetycznych, ale jako jedyna pozwala na długotrwałe przechowywanie nagromadzonej energii w postaci paliwa, dostępnej do wykorzystania w dowolnym czasie.

Uprawa roślin energetycznych odbywa się w cyklach 3-5-letnich, co pozwala na pozyskanie nawet 20 ton biomasy z 1 hektara. W procesie spalania - po uwzględnieniu sprawności kotła - można wytworzyć z takiej masy do 55 000 kWh energii, co w cyklu rocznym odpowiada pozyskaniu ok. 18 000 kWh, czyli porównawczo ok. 1,8 kWh/m2 uprawy, głównie w formie energii cieplnej. Do rozwiązania pozostaje jednak problem emisji spalin, a także konieczność wykorzystania dodatkowej energii w czasie uprawy i przetwarzania biomasy.

Podstawowy problem z OZE - magazynowanie pozyskanej energii

Korzystanie z energii słońca i wiatru 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, a także zapewnienie współpracy z konwencjonalnymi źródłami ciepła czy prądu.

W przypadku wykorzystywania kolektorów słonecznych do celów grzewczych krótkotrwałą akumulację energii zapewniają zasobniki ciepłej wody o pojemności dostosowanej do mocy cieplnej kolektorów i zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową, do czego są najczęściej wykorzystywane.

Zestaw solarny Premium Standard tworzą m.in. 2 miedziane kolektory płaskie KSG21 Premium GT oraz wydajny wymiennik Tower Biwal 200 l. fot. Galmet
Zestaw solarny Premium Standard tworzą m.in. 2 miedziane kolektory płaskie KSG21 Premium GT oraz wydajny wymiennik Tower Biwal 200 l. fot. Galmet

Z reguły są to zbiorniki z ładowaniem warstwowym, z dwiema wężownicami - jedną współpracującą z kolektorem, a drugą zasilaną z kotła gazowego, węglowego. W skali roku przeciętnie energia słoneczna zapewnia pokrycie 60-70% ciepła potrzebnego do zasilania instalacji c.w.u.

Hybrydowy falownik GEN24 Plus w połączeniu z magazynami energii to doskonałe rozwiązanie do akumulowanie energii, zarówno na rynku systemów jedno- i trójfazowych. fot. Fronius
Hybrydowy falownik GEN24 Plus w połączeniu z magazynami energii to doskonałe rozwiązanie do akumulowanie energii na rynku systemów jedno- i trójfazowych. fot. Fronius

Przy przetwarzaniu energii naturalnej na prąd elektryczny rolę magazynu energii pełnią akumulatory, a współpracujący z nimi układ sterowania automatycznie przełącza zasilanie, gdy wyczerpie się w nich energia.

W fotowoltaice i siłowniach wiatrowych współpracujących z siecią elektroenergetyczną, rolę "akumulatora" może pełnić właśnie ta sieć. Jednak dla bezpiecznego funkcjonowania krajowej sieci elektroenergetycznej udział mocy z takich źródeł nie powinien przekraczać 30-35% całkowitej mocy dyspozycyjnej w sieci.

Inna formą akumulowania energii elektrycznej, wymagającej jednak znacznych nakładów inwestycyjnych, jest system szczytowo-pompowy, w którym nadwyżka energii wiatrowej wykorzystywana jest do napędu pomp przetłaczających wodę na wyższy poziom.

Urządzenia do pozyskiwania energii ze słońca i wiatru

Kolektory słoneczne

Najczęściej montowane są dwa typy kolektorów - płaskie oraz rurowe. Pod względem efektywności w ciepłych porach roku są one bardzo podobne, ale zimą, dzięki zdecydowanie lepszej izolacji termicznej, kolektory rurowe przekazują znacznie więcej ciepła.

Rurowy kolektor słoneczny wśród kilkunastu paneli fotowoltaicznych na części połaci dachu spadzistego domu. fot. BDR Thermea Poland
Rurowy kolektor słoneczny wśród kilkunastu paneli fotowoltaicznych na części połaci dachu spadzistego domu. fot. BDR Thermea Poland

Dobrą izolację zapewnia bowiem dwuścienna rura osłonowa z próżnia między ściankami. W kolektorach rurowych różny też może być sposób przekazywania ciepła.

W modelach CPC energia cieplna przekazywana jest bezpośrednio do czynnika w obiegu grzewczym, a paraboliczne zwierciadła umieszczone z rurą próżniową skupiają promieniowanie w szerokim zakresie kąta padania promieni słonecznych.

Kolektor słoneczny płaski, miedziany KSG 27 Premium GT i aluminiowy KSG 27 GT o powierzchni 2,7 m2. fot. Galmet
Kolektor słoneczny płaski, miedziany KSG 27 Premium GT i aluminiowy KSG 27 GT o powierzchni 2,7 m2. fot. Galmet

W systemie heat-pipe energia cieplna pobierana jest przez ciepłowód - hermetyczną rurkę miedzianą wypełniona cieczą o niskiej temperaturze wrzenia - i przekazywana do kondensatora omywanego przez czynnik w obiegu grzewczym.

Kolektory można łączyć w zestawy o wymaganej powierzchni, przyjmując średnio 1,5-2 m2 na każdą osobę korzystającą z ciepłej wody.

Ogniwa fotowoltaiczne i generatory wiatrowe

Instalacja fotowoltaiczna składa się z zestawu paneli instalowanych na dachu lub stelażach opartych na gruncie, inwertera przekształcającego prąd stały na zmienny o parametrach sieciowych oraz zestawu akumulatorów.

Możliwa jest też współpraca z siecią energoelektryczną na zasadach określonych w umowie przyłączeniowej.

Natomiast lokalizacja siłowni wiatrowej, zwłaszcza o większej mocy, musi uwzględniać wszystkie aspekty wpływające na środowisko, a także wymaga przeprowadzenia pomiarów, określających efektywność pozyskiwanej energii w dłuższym przedziale czasu - przy profesjonalnych siłowniach powinny być prowadzone przynajmniej przez rok.

Produkcja enrgii z wiatru i słońca ma istotny udział w polskim rynku OZE. fot. Viessmann
Według danych ARE, z 55,96 GW mocy zainstalowanych, odnawialne źródła energii w Polsce stanowiły w 2021 roku już 30,3%. Udział energetyki wiatrowej to 7,1 GW i fotowoltaiki 7,7 GW. fot. Viessmann

Problemy, jakie dla otoczenia może stwarzać siłownia wiatrowa to:

  • zagrożenie dla ptaków - zwłaszcza wędrownych,
  • opory aerodynamiczne łopat wytwarzają uciążliwy hałas,
  • monotonność wytwarzanego dźwięku oddziałuje na psychikę człowieka,
  • wytwarzanie infradźwięków szkodliwych dla zdrowia człowieka,
  • ingerencja i deformacja krajobrazu naturalnego.

Siłownie wiatrowe składają się z wieży, generatora prądu napędzanego śmigłem oraz osprzętu przetwarzającego prąd. Wieża, na szczycie której montowana jest obrotowa konsola, umożliwiająca ustawienie łopat turbiny odpowiednio do kierunku wiatru, wykonywana jest w formie rury lub kratownicy.

Turbina najczęściej z poziomą osią obrotu z odpowiednio wyprofilowanymi łopatami w liczbie 3-6 sztuk. Większość z nich startuje już przy wietrze o prędkości ok. 1,5 m/s, a nominalną moc uzyskują przy prędkości 13-15 m/s.

Niekiedy, ze względu na konieczność ograniczenia hałasu lub przy braku dostatecznej przestrzeni, instalowane są turbiny z osią pionową i z odmiennym ukształtowaniem łopat, ale charakteryzują się mniejszą efektywnością energetyczną.

Prąd wytwarzany w małych instalacjach jest przez prądnicę prądu stałego lub generator prądu zmiennego z prostownikiem, z podłączeniem do ładowania akumulatorów lub współpracuje z inwerterem przekształcającym zasilanie na prąd zmienny o parametrach sieciowych.

Autor: Cezary Jankowski

Opracowanie: Aleksandr Rembisz

Zdjęcia: Hewalex, OEM Energy, Fronius, Viessmann, VELUX Polska, Columbus Energy, Galmet. BDR Thermea Poland

Komentarze

FILMY OSTATNIO DODANE
Copyright © AVT 2020 Sklep AVT