Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii w mieszkalnictwie

1.  Wstęp

 

Dotychczasowe uwarunkowania

 

Użytkownik domu jednorodzinnego ma do wyboru kilka możliwości ogrzewania wnętrz i podgrzewania wody. Były czasy, kiedy ten wybór był łatwiejszy. Jedynym dostępnym paliwem był węgiel i każdy mieszkaniec miasta, rolnik, a nawet leśniczy stosowali tylko to paliwo. Później nastąpiła moda na olej opałowy, a jeszcze później na gaz. Te ostatnie paliwa nigdy nie były tanie i łatwo dostępne. Z tego też względu przeważająca większość obywateli kraju dalej stosowała do ogrzewania węgiel. Tylko część mieszkańców wsi, gdy skończyły się przydziały węgla za dostawy żywca, przestawiła się na drewno opałowe. Wybór paliw uzależniony był od zamożności ludności i nie podlegał innym kryteriom, takim jak wygoda obsługi, łatwość dostaw czy ochrona środowiska.

 

W krajach bogatych, na zachód od naszej granicy, proces przechodzenia od węgla do oleju, a następnie gazu, był prostszy, nastąpił w krótszym czasie i był spowodowany głównie dostępnością paliw. Koszty ogrzewania w tych krajach wynosiły ok. 3% dochodów, a u nas 13%.

 

Efekt jest taki, że w krajach starej Unii węgla do ogrzewania domów jednorodzinnych nie stosuje się od kilkudziesięciu lat, a u nas jest on ciągle paliwem podstawowym.

 

Obecnie wychodzimy z tego siermiężnego okresu i każdy użytkownik kotła węglowego, do którego co kilka godzin trzeba dołożyć węgla, aby temperatura nie spadła poniżej znośnych 15°C, rozgląda się za nową instalacją grzewczą i konstatuje, że wybór nie jest łatwy.

 

Jakie systemy grzewcze są dzisiaj godne rozważenia i jaki nośnik energii wybrać na następne 15-20 lat?

 

Zakładamy, że system grzewczy musi być technicznie nowoczesny, czyli zautomatyzowany i wysokosprawny. Czynności obsługowe muszą być ograniczone do niezbędnego minimum.

 

Jeśli chodzi o wybór paliwa, to w grę wchodzą:

- olej opałowy,

- gaz płynny,

- gaz ziemny,

- ekogroszek,

- brykiety i pelety z biomasy

- zrębki drzewne i drewno rąbane

- biopaliwa płynne

- biogaz

 

Tylko cztery ostatnie zaliczane są do zasobów odnawialnych.

 

Inne dostępne i godne uwagi technologie grzewcze to:

- kolektory słoneczne

- pompy ciepła

- elektrociepłownie zasilane biopaliwami

- ogniwa paliwowe.

 

Potencjalnym inwestorom można udzielić kilku rad ułatwiających, ale nie przesądzających o wyborze.

 

•   Olej opałowy, propan – w związku tym, że ceny oleju opałowego i gazu płynnego (propanu) są dwa razy wyższe niż ceny pozostałych nośników, sięgając 100 zł/GJ, i nic nie wskazuje na to, że ta proporcja się kiedykolwiek zmieni, zostawiamy te paliwa tym, którzy niefortunnie już z nich korzystają.

 

•   Gaz ziemny - jeżeli mamy dostęp do gazu sieciowego nie powinniśmy się  zastanawiać, tylko decydować się na jego stosowanie. Gaz jest najbardziej ekologicznym paliwem kopalnym, a jego zasoby wystarczą na dziesięciolecia. Awantury polityczne wywoływane wokół tego paliwa nie powinny mieć decydującego wpływu na  wybór, gdyż bez wątpienia będzie to najlepsze paliwo na lata.

 

•   Węgiel - odpowiedniego asortymentu (ekogroszek) nadający się do automatycznego podawania do małych kotłów, wyposażonych w paleniska retortowe,  powinien być jedyną opcją spalania węgla w małych kotłach. Od producentów ekogroszku trzeba się domagać, aby zawierał minimalne ilości siarki i popiołu. Tylko wtedy będzie go można nazwać ekogroszkiem, niepowodującym  nadmiernej emisji tlenków siarki i pyłów. Jest to zdecydowanie najgorsze paliwo z tutaj omawianych. Nie sposób jednak nie brać go pod uwagę, gdyż jest ono szeroko stosowane.

 

•   Pelety  – wysokoprzetworzona biomasa w paliwo w postaci pelet, to bezsprzecznie najlepsze paliwo z punktu widzenia ekologii (śladowa zawartość siarki, mała zawartość popiołu, zerowa emisja CO₂). Spełnia także wymagania zautomatyzowanych systemów zasilania kotłów oraz jest wygodne w dystrybucji i magazynowaniu. Pelety produkowane są głównie z poprodukcyjnych odpadów drewna, lecz zaczną być także produkowane w masowej skali z innych rodzajów biomasy, takich jak słoma, siano i rośliny energetyczne.

 

•   Brykiety - niewiele gorszym paliwem od pelet są brykiety. Posiadają mniejszą masę nasypową i mniejszą odporność na transport i magazynowanie. Mogą być zatem wykorzystywane tylko w krótkim czasie i w niewielkiej odległości od producenta.

 

•   Zrębki drzewne - suche zrębki są dużo lepszym paliwem niż zrębki mokre. Łatwiejsze jest ich magazynowanie i podawanie do kotłów.

 

•   Szczapy (drewno rąbane), wykorzystywane w nowoczesnych kotłach z wstępną komorą gazyfikacji, nie zapewniają takiego komfortu zasilania kotłów jak pelety, ale kotłownie wyposażone w takie kotły wspomagane przez zbiorniki akumulacyjne (700l na 30 kW) mogą być ładowane trzy razy na dobę i dobrze służyć niezbyt wymagającym użytkownikom.

 

•   Kolektory słoneczne- znane jako płaskie i rurowe (próżniowe). Różnią się od siebie jakością wykonania (przenoszoną na ilość lat pracy) i efektywnością wykorzystania promieniowania słonecznego. Próżniowe, ze względu na własności izolacyjne próżni, są lepsze od płaskich, ale też i znacznie droższe. Prawdziwa jest powszechna opinia, że kolektory słoneczne dobrze wspomagają system podgrzewania ciepłej wody użytkowej (do 60%) a w małym stopniu system grzewczy. Amortyzują się tym szybciej, im większe jest zużycie c.w.u. – w rodzinach wieloosobowych, szpitalach, basenach i domach wczasowych.

 

•   Pompy ciepła przenoszące rozproszone ciepło otoczenia, czyli odnawialne źródło ciepła, do czynników grzewczych. Ponieważ jest to przenoszenie ciepła z miejsca o niższej temperaturze do miejsca o wyższej temperaturze, potrzebne jest wykonanie pracy, co w pompach ciepła realizuje się zazwyczaj poprzez silniki elektryczne napędzające sprężarki tzw. czynników niskowrzących. Pompy ciepła mogą być zaliczane do OZE tylko wtedy, gdy uzyskane z nich ciepło użyteczne jest większe, niż ciepło wykorzystane do produkcji i dystrybucji energii elektrycznej potrzebnej do napędu sprężarek, co w warunkach polskich nie zawsze ma miejsce, gdyż energia elektryczna wytwarzana jest głównie przy użyciu paliw kopalnych.

 

Pompy ciepła mogą pobierać ciepło z gruntu, wody lub powietrza. Najpopularniejszą pompą ciepła jest klimatyzator, który latem chłodzi, a zimą grzeje. Zaleca się ostrożne stosowanie pomp ciepła, tylko w miejscach gdzie inne systemy grzewcze są trudne do wykorzystania.

 

Z tego krótkiego przeglądu wyłania się obraz możliwości zastosowania energii z OZE do ogrzewania domów i  przygotowania c.w.u. głównie w oparciu o biopaliwa stałe, którym zostanie poświęcone najwięcej miejsca w niniejszym artykule. Pompy ciepła powinny być używane tylko w budownictwie pasywnym i bardzo energooszczędnym, a mikroelektrociepłownie zasilane biopaliwem i ogniwa paliwowe znajdą masowe zastosowanie dopiero za kilkanaście lub kilkadziesiąt lat.

 

Energia elektryczna

 

W mieszkalnictwie oprócz ciepła niezbędna jest energia elektryczna. Polska czyni starania, aby udział tej energii ze źródeł odnawialnych w bilansie energetycznym kraju wynosił w 2010 roku 10,4% energii zużytej. Produkcja energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych w małej skali, na użytek własny z możliwością sprzedaży nadwyżek do sieci, jest możliwa z wykorzystaniem:

- mikroelektrowni wiatrowych

- ogniw fotowoltaicznych

- elektrociepłowni zasilanych biopaliwem

- ogniw paliwowych zasilanych biopaliwem.

 

Tylko dwie pierwsze z wymienionych technologii znajdują coraz szersze zastosowanie w krajach europejskich, przy czym energia wiatru jest wykorzystywana bardziej na północy, a energia słoneczna- na południu kontynentu.

 

2. Paliwa biomasowe. Własności fizyczne i chemiczne.

 

Drewno jako paliwo występuje pod wieloma postaciami: szczapy (drewno rąbane), zrębki, trociny i wióry, kora, brykiety, pelety.

Dla ujednolicenia nazewnictwa i łatwiejszego posługiwania się drewnem jako paliwem proponuje się przyjęcie następujących definicji jednostek:

1 m3	jeden metr sześcienny objętości drewna litego (miąższość drewna) – np. 1 m3 wycięty z grubego pnia drzewa
1 mp	jeden metr przestrzenny objętości drewna łącznie z powietrzem znajdującym się pomiędzy kawałkami drewna

 

Co innego oznacza 1 mp szczap i 1 mp zrębków lub trocin, gdyż w tej samej objętości znajdują się różne ilości drewna:

 

1 m3  drewna		ok. 2,5 mp zrębków, wiórów lub trocin lekko zagęszczonych
1 mp drewna opałowego ułożonego w stosie		0,65 - 0,85 m3  drewna w zależności od rozmiaru i kształtu wałków
1 mp drewna kawałkowego w postaci szczap		0,45 - 0,65 m3  drewna

Niejednoznaczne jest również używanie jednostek masy, gdyż 1 kg drewna suchego i 1 kg drewna mokrego oznaczają także zupełnie inne ilości drewna. Ten sam m3 litego drewna nasycony wodą może ważyć 2 razy lub więcej niż m3 drewna suchego.

 

1 kg m.s.	jeden kilogram masy suchej drewna czyli jeden kilogram drewna, z którego odparowano całą zawartość wody
w [%]	wilgotność drewna jako paliwa wyrażona w procentach i określona wzorem: w = [mw / (ms +mw)] x 100%  gdzie: mw - masa wody ms - masa sucha drewna

 

Gatunek drewna	Gęstość [kg m.s./m3]
buk, dąb	570
brzoza	510
modrzew	460
sosna, olcha	420
świerk	400
topola, wierzba	350

 

Najwłaściwszym sposobem oceny ilości drewna wg jego objętości jest przeliczenie z metrów przestrzennych na metry sześcienne drewna, co przy znajomości rodzaju drewna i jego wilgotności pozwoli na oszacowanie jego wartości opałowej za pomocą następującej tabeli:

 

Wartość opałowa drewna [GJ/m3]
Wilgotność [%]	buk, dąb	brzoza	wierzba	modrzew	sosna, olcha	świerk
0	10,83	9,69	6,65	8,74	7,98	7,60
15	10,59	9,47	6,50	8,55	7,80	7,43
20	10,49	9,38	6,44	8,46	7,73	7,36
25	10,37	9,28	6,37	8,37	7,64	7,28
30	10,24	9,17	6,29	8,27	7,55	7,19
35	10,09	9,03	6,20	8,15	7,44	7,08
40	9,92	8,87	6,09	8,00	7,31	6,96
45	9,71	8,69	5,96	7,84	7,16	6,81
50	9,46	8,47	5,81	7,64	6,97	6,64
55	9,16	8,19	5,62	7,39	6,75	6,43
60	8,78	7,85	5,39	7,08	6,47	6,16

 

Przykłady obliczeń energii i ceny

 

 Dokonano zakupu 1 mp drewna bukowego za cenę 85 zł. Jaki jest koszt energii w zakupionym drewnie?

 

Można policzyć objętość każdego wałka drewna korzystając z wymiarów średnic i długości. Można też dokonać szacunku, ile procent objętości stosu zajmuje drewno a ile powietrze.  

                                 

    Dla rozwiązania zadania przyjmujemy, że 1 mp = 0,65 m3. Co oznacza, że cena drewna wynosi 85 zł/mp : 0,65 m3/mp = 130 zł/m3.

 

Jeżeli wysuszymy drewno do 20% wilgotności (18 miesięcy pod zadaszeniem), to z tabeli odczytujemy, że wartość opałowa wynosi 10,49 GJ/m3, co oznacza, że jesteśmy w posiadaniu:

1 mp x 0,65 m3 x 10,49 GJ/m3 = 6,8 GJ energii

 

Cena 1 GJ energii w zakupionym drewnie wynosi: 85 zł : 6,8 GJ = 12,5 zł/GJ

 

Jeżeli spalimy drewno w kotle o sprawności 50 % uzyskamy 6,8 GJ x 0,50 = 3,4 GJ energii użytecznej, a więc cena 1 GJ energii użytecznej wyniesie:

            85 zł : 3,4 GJ = 25 zł/GJ

 

Jeżeli spalimy drewno w kotle o sprawności 80 % uzyskamy 6,8 GJ x 0,80 = 5,44 GJ energii użytecznej, czyli cena 1 GJ energii użytecznej wyniesie:

            85 zł : 5,44 GJ = 15,6 zł/GJ

 

 Wyniki obliczeń wg powyższego przykładu dla drewna opałowego oraz pelet i brykietów zawarte są w poniższej tabeli:

 

 

Paliwo		Cena paliwa			Cena energii w paliwie			Cena ciepła
		z kosztami transportu i rąbania			wilgotność			wilgotność
					10%	20%	50%	10%		20%		50%
								Sprawność kotła, η
								50%	80%	50%	80%	50%	80%
		zł/mp	zł/m3	zł/t	zł/GJ			zł/GJ
drewno opałowe		30 * 65 85 100 120 150 170	75 100 130 155 185 230 260			7,1 9,5 12,5 14,7 17,6 21,9 24,8	7,9 10,6 13,8 16,3 19,5 24,3 27,4			14,2 19 25,0 29,4 35,2 43,8 49,6	8,9 11,9 15,6 18,4 22,0 27,3 31,0	15,8 21,2 27,6 32,6 39,0 48,6 54,8	9,9 13,2 17,2 20,4 24,3 30,3 34,2
brykiety i pelety				200 300 400 500 600 700	11,8 17,6 23,5 29,4 35,3 41,2			23,6 35,2 47 58,8 70,6 82,4	14,7 22 29,4 36,7 44,1 51,5