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:

Wartość energetyczna drewna suchego jest większa niż drewna mokrego. Ponadto spalanie drewna    mokrego powoduje spadek sprawności kotła. 

Z wyników obliczeń zamieszczonych w tabeli widać, że  najtańsze ciepło będzie miał użytkownik, który kupił tanią gałęziówkę za 30 zł/mp i sam ją przewiózł, porąbał i spalił w dobrym kotle (8,9 zł/GJ), a najdroższe — użytkownik, któremu przywieziono mokre, porąbane drewno do domu za 170 zł/mp. Cena  ciepła z takiego drewna może osiągnąć 54,8 zł/GJ.

 Palenie drewnem mokrym

Często praktykowane palenie drewnem mokrym powoduje znaczną utratę energii nie tylko z konieczności odparowania wilgoci w palenisku i odprowadzeniu pary do komina, ale także na skutek obniżenia  sprawności kotła lub kominka.

Wykraplanie się pary w kominie skraca trwałość ceramicznych przewodów kominowych. Popularna     teoria, że podkłada się mokre drewno na noc po to, żeby się dłużej paliło jest prawdziwa tylko wtedy, gdy kocioł lub kominek jest rozszczelniony i niemożliwe jest ograniczenie ilości powietrza doprowadzanego do spalania. W takim przypadku potrzebna jest naprawa kominka.

Drewno kawałkowe – szczapy 

Drewno rąbane w postaci szczap jest najczęściej używanym paliwem. Do spalania w kominkach i kotłach lepsze jest drewno liściaste ze względu na większą gęstość oraz mniejszą zawartość kopcących przy spalaniu żywic.

Drewno kawałkowe używane do spalania powinno być powietrznosuche, co oznacza, że w procesie suszenia w warunkach naturalnych utraciło cały nadmiar wilgoci zawarty w mikroporach miazgi, a      pozostała wilgoć znajduje się w stanie równowagi z otaczającym wilgotnym powietrzem.

Drewno zaraz po ścięciu zawiera ok. 60% wilgoci. Proces utraty wilgoci jest powolny i zależy od warunków pogodowych.

Dla oszacowania zawartości wody w drewnie można się posłużyć następującą tabelą:

Zrębki drzewne

Zrębki stosowane są przede wszystkim do kotłów większych mocy. Można je jednak stosować również do małych kotłów, pod warunkiem, że są to zrębki suche. Zrębki suche (w<20%) uzyskuje się poprzez zrębkowanie przesuszonych gałęzi. Suszenie zrębków mokrych w pryzmach pod zadaszeniem jest nieefektywne i połączone z utratą wartości energetycznych oraz butwieniem zrębków.

 Pozyskiwanie materiału i zrębkowanie zrębków suchych jest trudniejsze, a przechowywanie                 (w zamkniętych silosach lub magazynach) droższe niż zrębków mokrych. Jednak ich stosowanie jest opłacalne, gdyż spalanie zrębków suchych jest łatwiejsze, a kotły i instalacje zasilające znacznie tańsze. Ponadto, rozwiązania technologiczne pozwalają na automatyzację instalacji zasilającej kocioł i jego bezobsługową pracę.

 Trociny i wióry

Trociny i wióry są materiałem odpadowym z tartaków i zakładów przeróbki drewna. Są najtańszym      paliwem pod warunkiem lokalizacji kotłowni w pobliżu zakładu przetwórczego. Trociny są dużo           trudniejsze do spalania niż zrębki, pelety i brykiety, dlatego nadają się głównie do spalania w dużych   kotłach, w których konstrukcja rusztu przystosowana jest do spalania mokrych lub suchych trocin. W   kotłach tych istnieje możliwość spalania mieszanek trocin i zrębków. Należy unikać spalania trocin w   małych kotłach, gdyż zwykle połączone jest to z małą sprawnością i dużymi emisjami szkodliwych gazów i pyłów.

Pelety

Pelety (granulat drzewny) są paliwem przyjaznym dla środowiska i jednocześnie łatwym w transporcie, magazynowaniu i dystrybucji. Charakteryzują się niską zawartością wilgoci, popiołów i     substancji szkodliwych dla środowiska  oraz stosunkowo wysoką wartością opałową.  

Pelety powstają poprzez prasowanie surowca pod wysokim ciśnieniem, bez udziału żadnych chemicznych substancji klejących. Są paliwem nadającym się do wykorzystania zarówno w grzewczych instalacjach indywidualnych jak i systemach ciepłowniczych. Doskonale nadają się do wykorzystania w małych instalacjach, takich jak kotłownie w domkach jednorodzinnych.

·       2,0 kg pelet zastępuje 1 litr oleju opałowego,

·       1,5 t pelet zastępuje 1 tonę węgla,

·       1m3 drewna litego = 2,5m3 zrębków = 0,5 t pelet,

·       z 1000 kg spalonego paliwa zostaje jedynie 10 -20 kg popiołu,

·       przejście na pelety to zmniejszenie emisji CO2 o 2,5 kg na każdym zaoszczędzonym

w ten sposób litrze oleju opałowego,

do ogrzania domu jednorodzinnego potrzeba w przybliżeniu 5 t pelet rocznie.

Słoma

Słomę przeznaczoną do spalania prasuje się w baloty o masie od kilkunastu do kilkuset kilogramów lub w brykiety i pelety. Do spalania nadaje się słoma zbóż i rzepaku. Warunkiem dobrego spalania słomy jest jej niska wilgotność nie przekraczająca 18%. Słoma w porównaniu do drewna zawiera duże ilości chloru i potasu, które niekorzystnie wpływają na proces spalania. Dlatego słoma szara jest lepsza od słomy żółtej, ponieważ deszcz wypłukał z niej wiele pierwiastków i związków chemicznych pochodzących z nawozów sztucznych.

Zwiększona ilość potasu w popiele ze słomy powoduje obniżenie temperatury topnienia popiołu, co jest niekorzystne ze względu na żużlowanie popiołu na ruszcie i zanieczyszczenie  części wymiennikowych kotła upłynnionymi cząstkami popiołu. Aby nie dopuścić  do topnienia popiołu w palenisku kotła na słomę utrzymuje się stosunkowo niską temperaturę w granicach 850˚C. Prowadzenie spalania w takiej temperaturze jest utrudnione i wymaga precyzyjnej automatyzacji doprowadzania słomy i powietrza do komory spalania.

Niska temperatura spalania sprzyja obniżeniu własności korozyjnych chloru, którego w słomie jest kilkanaście razy więcej niż w drewnie.

Cena słomy zależna jest, głównie od kosztów jej zbioru czyli robocizny, paliwa i sznurka a także kosztów przechowywania w stanie suchym i transportu. Wartość samej słomy zależna jest od regionu kraju i warunków atmosferycznych w okresie wegetacji i podczas zbioru. W 2008 r. ceny słomy kształtowały się na poziomie 120 ÷ 150 zł/t, co oznacza cenę energii zawartej w paliwie od 8 zł/GJ do 10 zł/GJ. Dla rolnika używającego słomy do ogrzewania we własnym gospodarstwie przy pominięciu kosztów  logistyki, towarzyszącej masowemu zaopatrzeniu ciepłowni, koszt słomy jest o połowę mniejszy.

 Zboże 

Bardzo podobne właściwości chemiczne do słomy ma zboże. Jeżeli występuje jego nadmiar lub gdy jest uprawiane w celach energetycznych, może być spalane w specjalnie do tego celu dostosowanych      kotłach.

Ze względu na budowę ziarna, a także najniższą cenę najlepiej do spalania nadaje się owies, którego wartość opałowa wynosi 15 GJ/t.

Urządzenia do zasilania kotłów, a także palniki zbliżone są budową do urządzeń przeznaczonych do spalania pelet drzewnych.

3. Technologie spalania

Małe kotły

W Polsce jest w użyciu kilka milionów kotłów służących do ogrzewania domów jednorodzinnych. Paliwem do tych kotłów jest głównie węgiel i drewno opałowe. Istnieje pilna konieczność wymiany tych kotłów o przestarzałej konstrukcji na nowoczesne kotły opalane drewnem opałowym i paliwem przetworzonym w postaci brykietów i pelet.

Użytkownik starego kotła powinien rozważyć, czy opłaca się dalej eksploatować kocioł o sprawności 50%, czy zamienić go na kocioł o sprawności 85% wykorzystując 35% więcej energii zawartej w paliwie i oszczędzając 35% paliwa i pieniędzy.

Jak ocenić sprawność starego kotła? Najlepiej dokonując pomiarów składu i temperatury spalin. Mała zawartość CO2 i wysoka temperatura spalin to w efekcie strata kominowa i niska sprawność. Spaliny opuszczające dobre kotły mają temperatury poniżej 200˚C i zawartość CO2  powyżej 8%. Warto przyjrzeć się też konstrukcji kotła. Kocioł do spalania drewna, czyli paliwa o dużej zawartości części lotnych dochodzących do 80% musi cechować się tzw. spalaniem dolnym polegającym na tym, że uwalniające się w części paleniskowej kotła gazy kierowane są przez obszar najwyższej temperatury na ruszcie, gdzie następuje ich całkowite i zupełne spalenie.

Dzisiaj na rynku znajdują się dwa rodzaje kotłów ładowanych ręcznie, wyposażone lub nie w urządzenia do automatycznego sterowania procesem spalania drewna. Użytkownik powinien wiedzieć, że minimalne wyposażenie kotła w takie urządzenia to wentylator nadmuchowy z rozdziałem powietrza na pierwotne i wtórne, regulator temperatury, tzw. krótki obieg rozgrzewający kocioł wraz z panelem sterującym tymi urządzeniami. Ze względu na brak możliwości dokładnego dopasowania pracy kotła ładowanego ręcznie do zmieniającego się zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania  (w zależności od temperatury zewnętrznej i nasłonecznienia), instalacje winny być wyposażone w zbiorniki akumulacyjne. Taki zasobnik ciepła na tyle poprawia pracę kotła, że roczne oszczędności paliwa sięgają do 20%. Rekomendowana wielkość zasobnika dla kotłów do domów jednorodzinnych o mocy 25 kW wynosi ok. 700 l.

Należy pamiętać, że w związku z nierównomierną pracą kotłów ładowanych ręcznie ich moc nominalna powinna być 2 razy większa niż wynika to z zapotrzebowania budynku na ciepło.

Do spalania pelet, brykietów i suchych zrębków stosuje się kotły z automatycznym podawaniem paliwa oraz ciągłym sterowaniem procesem spalania poprzez regulację ilości powietrza doprowadzanego do kotłów. Kotły takie cechują się sprawnościami przekraczającymi 90%, elastyczną pracą dopasowaną do zmieniającego się zapotrzebowania na ciepło oraz bardzo niskimi emisjami tlenku węgla, nie przekraczającymi wartości 100 ppm (0,01%).

Kotły takie spełniają oczekiwania użytkownika odnośnie minimum wymagań obsługi, upodabniając je pod tym względem do kotłów olejowych. Najlepsze konstrukcje wyposażone w automatyczne odpopielanie wymagają przeglądu 1 raz w sezonie, a te ze zbiornikami popiołu wewnątrz- 1 raz w miesiącu.

Na rynku polskim znajduje się kilku krajowych producentów kotłów godnych polecenia oraz kilku przedstawicieli sprzedających kotły renomowanych firm europejskich. Użytkownik ma możliwość wyboru kotła w zależności do swoich potrzeb i możliwości finansowych.

kocioł zasilany z magazynu paliwa

Kominki

Współczesne kominki z szybą czołową osłaniającą płomień i możliwością regulacji ilości powietrza      doprowadzanego do paleniska coraz częściej stosowane są jako podstawowe systemy ogrzewania     domów jednorodzinnych. Tradycyjnym paliwem do kominków jest drewno rąbane, ale używane są także brykiety i pelety podawane w sposób automatyczny z niewielkich zasobników. Powietrze do spalania zasysane jest  przez ciąg kominowy z zewnątrz budynku lub z ogrzewanych pomieszczeń. W tym   drugim przypadku może wystąpić konieczność otwierania/rozszczelniania okien lub drzwi, a tym samym zwiększenie zapotrzebowania na ciepło. Efektywniejsze jest więc niezależne doprowadzenie powietrza wprost do kominka. Bardzo ważne jest, aby kominek był szczelny. Potencjalne miejsca nieszczelności kominka to zniszczone uszczelki drzwiczek z szybą, a także niedokładne uszczelnienie popielnika, w który wyposażone są niektóre kominki. Często po pewnym czasie eksploatacji kominek rozszczelnia się na stykach elementów konstrukcyjnych ścian wskutek naprężeń termicznych. Nieszczelny kominek, to przyspieszone niekontrolowane spalanie drewna i wyższa strata kominowa. Doświadczony użytkownik może stwierdzić nieszczelność kominka po obserwacji płomienia. Użytkownikowi niedoświadczonemu zaleca się kontrolę temperatury spalin w kominie, która powinna wynosić 150÷180˚C i okresowe wykonanie analizy spalin w celu sprawdzenia współczynnika nadmiaru powietrza i zawartości CO.

Ciepło od  kominka do ogrzewanych pomieszczeń doprowadzane jest przez powietrze cyrkulujące wokół powierzchni zewnętrznych kominka w drodze konwekcji naturalnej, lub w sposób wymuszony dmuchawą od spodu kominka do dystrybutora zakładanego na jego sklepieniu. Z dystrybutora ciepłe powietrze doprowadzane jest giętkimi rurami o średnicach 100÷150 mm do pomieszczeń oddalonych od kominka o kilka do kilkunastu metrów. Ważne jest, aby obudowa kominka umożliwiała swobodny przepływ powietrza cyrkulacyjnego i intensywny odbiór ciepła. O tym, że cyrkulacja powietrza jest odpowiednia, świadczy temperatura spalin. Oprócz kominków podgrzewających powietrze cyrkulacyjne istnieją kominki ogrzewające wodę krążącą w obiegu centralnego ogrzewania i ciepłej wody użytkowej. Systemy te są bardziej skomplikowane i wymagają instalacji rurowo-grzejnikowych współpracujących z obiegami kotłowymi. Użytkownik eksploatujący kominek powinien wiedzieć, że może to być urządzenie pracujące ze sprawnością 70%, ale także znacznie niższą, nawet o połowę. W tym drugim przypadku cały efekt ekonomiczny ogrzewania za pomocą taniego paliwa traci sens. Zdarza się, że użytkownicy eksploatują gorszej jakości nieszczelne kominki pobierające powietrze z pomieszczenia sądząc, że  wspomagają ogrzewanie innego systemu. W takim przypadku może się zdarzyć, że zamierzony efekt cieplny kominka jest całkowicie zniwelowany przez nadmierną wentylację pomieszczeń. Nie powinno się więc stosować obydwu systemów równocześnie.

4. Kolektory słoneczne

Zastosowanie kolektorów słonecznych jest coraz bardziej popularne. Sprzyja temu coraz większa produkcja (ok. 40 producentów i dilerów w Polsce) oraz rachunek ekonomiczny na tyle korzystny, że w sprzyjających warunkach czas zwrotu inwestycji wynosi 8÷10 lat. Roczna sprzedaż w Polsce wynosi około 100 000m², z czego 2/3 to kolektory płaskie, a 1/3 kolektory próżniowe. Koszt inwestycji wynosi ok. 10 000 zł za kompletną instalację dla domku jednorodzinnego. Potencjalny inwestor znajdzie bez trudu pełną informację na temat kolektorów w internecie, na stronach producentów i dilerów. Kolektory słoneczne w polskich warunkach klimatycznych zawsze muszą być wspomagane innymi źródłami ciepła i mogą zaspokoić ok. 60% rocznego zapotrzebowania na ciepło na podgrzanie c.w.u. i do 20% na c.o.

5. Porównanie kosztów ogrzewania

 Decydując się na zmianę sposobu ogrzewania budynku, należy każdorazowo przeanalizować energochłonność budynku, czyli poziom zapotrzebowania na ciepło. Inwestując środki w nowoczesne, wysokowydajne źródło ciepła warto zadbać o to, żeby zmniejszyć straty ciepła wynikające ze źle ocieplonych ścian, starych okien czy źle funkcjonującej, nie dostosowanej do nowych potrzeb instalacji grzewczej. Koszty ogrzewania wynikające ze stanu technicznego budynku oraz rodzaju paliwa przedstawiono poniżej.

Biorąc pod uwagę ceny paliwa, pelety są paliwem szczególnie atrakcyjnym dla dotychczasowych użytkowników gazu płynnego, oleju opałowego, gazu ziemnego oraz koksu, a opalanie peletami stosuje się szczególnie tam, gdzie nie ma dostępu do gazu sieciowego lub sieci ciepłowniczej.

6. Energia elektryczna z OZE

Wiatraki małej mocy

Do wytwarzania energii elektrycznej z OZE na potrzeby własne w naszych warunkach klimatycznych najlepiej nadają się małe wiatraki o mocach 1-2 kW, montowane na dachach budynków.

Są to urządzenia sprawdzone w takich krajach jak Stany Zjednoczone, Wielka Brytania, Hiszpania i Holandia. Urządzenia  te posiadają homologację i są w kompletach gotowych do montażu i podłączenia do wewnętrznej instalacji elektrycznej domu. Takie mikroelektrownie z łopatami zataczającymi koło o średnicy 2m dostosowane są do pracy w terenie zabudowanym, głównie dzięki regulacji prędkości obrotowej uniemożliwiającej nadmierne rozpędzenie się wirnika  przy bardzo silnym wietrze i ograniczenie hałasu do 35 dB.

Instalacja elektryczna składa się z regulatora pracy, przetwornika prądu stałego DC na prąd zmienny AC, liczników energii elektrycznej i bezpieczników, jak na poniższym schemacie.

B1, B2 – bezpieczniki

R – regulator pracy

I – przetwornik

L1 – licznik prądu wytworzonego przez wiatrak

L2 – licznik prądu rozliczeniowy

TR – tablica rozdzielcza

Poniższa analiza przedstawia koszty i korzyści z wybudowania instalacji oraz wskaźniki ekonomiczne inwestycji. Decydujący wpływ na inwestycję będą miały ceny zakupu urządzeń oraz ceny energii.

Ceny urządzeń produkowanych zagranicą zależą od przelicznika walutowego, co przy mocnej złotówce bardzo mocno obniża koszty inwestycji i może obniżyć czas zwrotu inwestycji do 10 lat. Rosnące ceny energii elektrycznej również poprawiają rachunek ekonomiczny.

Ogniwa fotowoltaiczne

Przy dzisiejszych cenach energii elektrycznej instalowanie ogniw fotowoltaicznych w północnej i środkowej Europie nie jest konkurencyjne dla żadnego systemu wytwarzania energii elektrycznej, ze względu na koszty inwestycyjne i zbyt małe nasłonecznienie.

Przy kosztach inwestycji 20 000 zł/kW i produkcji energii 0,7 MWh/kW·rok, cena jednej kWh wyniesie ok. 1,50 zł co czterokrotnie przewyższa cenę energii  z sieci dystrybucyjnej. Nauka i przemysł obiecują kilkakrotnie tańsze (niż dzisiaj) ogniwa PV w perspektywie kliku lat, co może spowodować rewolucję w pozyskiwaniu energii ze źródeł odnawialnych.

Elektrociepłownie

Te źródła ciepła wykorzystujące silniki spalinowe zasilane biopaliwami płynnymi lub gazowymi osiągalne są na rynku również w małych zakresach mocy. Ze względu na wysokie ceny biopaliw płynnych stosowanie EC w domach jednorodzinnych jest nieopłacalne.

Elektrociepłownie biogazowe o mocach powyżej 0,5 MW powoli zdobywają rynek, przy wsparciu funduszy środowiskowych.

7. Wnioski

·       Wykorzystanie odnawialnych źródeł energii chroni środowisko i jest ekonomicznie opłacalne.

·       Najbardziej powszechne jest stosowanie kotłów spalających drewno, jednak należy pamiętać o   tym, że powinny to być kotły specjalne w tym celu skonstruowane, a drewno suche.

·       Coraz powszechniejsze jest wykorzystanie pelet i zrębków zmniejszające uciążliwość załadunku drewna kawałkowego do kotła. Produkcja pelet w Polsce przekroczyła 600 000 t i jest to paliwo coraz bardziej dostępne.

·       Do podgrzewania ciepłej wody użytkowej warto stosować kolektory słoneczne, szczególnie gdy rodzina jest duża i brak innego taniego i ekologicznego źródła ciepła.

·       Użytkownicy, którzy do ogrzewania lub podgrzewania c.w.u. stosują energię elektryczną i nie mają możliwości zastąpienia jej innym, ekologicznym nośnikiem energii powinni rozważyć instalację z pompą ciepła gruntową lub powietrzną.

·       Właścicielom domów wyeksponowanych na wiatr, dbającym o ekologiczny wizerunek poleca się małe elektrownie wiatrowe z których prąd staje się konkurencyjny dla prądu sieciowego.

·       Każde przedsięwzięcie zmiany źródła zasilania domu w energię powinno być poprzedzone dokładnie przemyślanymi działaniami energooszczędnościowymi.

Źródło:

Bałtycka Agencja Poszanowania Energii SA