naszaenerg?a PORADNIK DOBRYCH PRAKTYK ^TJLIa ^ STOWARZYSZENIE Adam MROZiNSKI Wdrazania Instalacji Odnawialnych Zrodel Energii

Transkrypt

1 naszaenerg?a Adam MROZiNSKI PORADNIK DOBRYCH PRAKTYK Wdrazania Instalacji Odnawialnych Zrodel Energii ^TJLIa ^ STOWARZYSZENIE

2 Wojewodzki Fundusz Ochrony Srodowiska i Gospodarki Wodnej u; Toruniu Stowarzyszenie Tilia" ul. Przysiecka 13, Torun tel./fax biuro@szkola-lesna.torun.pl ISBN: i PROGRAM REGIONALNY NARODOWA STRATECIA SPOJNOSCI m WOJEWODZTWO KUJAWSKO-POMORSKIE UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ ROZWOJU REGIONALNEGO Projekt wspotfinansowany ze srodkow Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Regionalnego Programu Operacyjnego Wojewodztwa Kujawsko-Pomorskiego na lata oraz ze srodkow budzetu Wojewodztwa Kujawsko-Pomorskiego. Pronnocja odnawialnych zrodet energii oraz nowoczesnych systemow dywersyfikuj^cych zrodta i sposoby ich wykorzystania jako element ochrony srodowiska przyrodniczego w wojewodztwie kujawsko-pomorskim

3 Recenzent: dr hdb. inz. Marek Macko, prof. UKW ISBN Wydawca lotudio.pl i\rli.acllus2 BartnlK ul. Lyskowskiego 1/ Torun Naklad: 200 sztuk Bydgoszcz, 2015

4 SPIS TRESCI WST^P 4 Str. LABORATORIA I CENTRA POKAZOWE Z ZAKRESU OZE W WOJ. KUJAWSKO-POMORSKIM 8 ROZDZIAL I: INSTALACJE SOLARNE 11 ROZDZIAL II: INSTALACJE FOTOWOLTAICZNE 23 ROZDZIAL III: INSTALACJE DO AGLOMEROWANIA BIOMASY - BRYKIET 38 ROZDZIAL IV: INSTALACJE DO AGLOMEROWANIA BIOMASY - PELLET 54 ROZDZIAL V: INSTALACJE POMP CIEPLA 67 ROZDZIAL VI: MALE SILOWNIE WIATROWE 74 ROZDZIAL VII: MALE ELEKTROWNIE WODNE 85 ROZDZIAL VIII: PODSUMOWANIE 94 O AUTORZE 101 RECENZJA - DR. HAB. INZ. MAREK MACKO 102

5 WSTĘP W dniu 11 marca 2015 roku Prezydent RP podpisał ustawę o odnawialnych źródłach energii (OZE), którą Parlament przyjął w dniu 20 lutego br. Ustawa weszła w życie po 30 dniach od jej opublikowania, zaś zapisy dotyczące systemu aukcyjnego i taryf gwarantowanych, które ustawa wprowadza od 1 stycznia 2016 roku. Wraz z ustawą zostaną wprowadzone tzw. taryfy gwarantowane dla instalacji prosumenckich. W ramach tych taryf właściciele instalacji o mocy do 3 kw otrzymają gwarancję sprzedaży energii po cenie ok. 75 gr/kwh, zaś w przedziale 3-10 kw po cenie do 70 gr/kwh, w zależności od rodzaju danej technologii OZE. Dzięki tym zmianom wprowadza się obowiązek zakupu energii od wytwórcy energii z mikroinstalacji o mocy do 3 kw wykorzystującej różne odnawialne źródła energii po określonej, stałej w okresie 15 lat, cenie (tylko dla pierwszych 300 MW): hydroenergia, energia wiatru, energia promieniowania słonecznego za 0,75 zł za 1 kwh. Dla mikroinstalacji o mocy powyżej 3 kw do 10 kw przewidziano natomiast następujące taryfy gwarantowane (tylko dla pierwszych 500 MW) [6, 7]: - biogaz rolniczy - 0, 70 zł za 1 kwh, - biogaz pozyskany z surowców pochodzących ze składowisk odpadów - 0,55 zł za 1 kwh, - biogaz pozyskany z surowców pochodzących z oczyszczalni ścieków 0,45 zł za 1 kwh, - hydroenergia - 0,65 zł za 1 kwh, - energia wiatru - 0,65 zł za 1 kwh, - energia promieniowania słonecznego - 0,65 zł za 1 kwh. Ustawa będzie prawdopodobnie w zakresie wybranych szczegółów zmieniana. Niemniej jednak podpis pod ustawą kończy ponad trzyletni czas debaty na temat przyszłości rozwoju energetyki odnawialnej w Polsce. Ustawa, po wejściu w życie określi zasady i warunki funkcjonowania energetyki odnawialnej, w tym zasady udzielania wsparcia dla wytwarzania energii elektrycznej ze źródeł wykorzystujących zasoby odnawialne. Z punktu widzenia inwestorów przyjęcie ustawy zamyka pewien etap prac nad rozwojem energetyki odnawialnej, jednak nie kończy kompleksowej debaty nad przyszłością tego rynku. Ustawa, co cieszy inwestorów, wprowadza ramy i zasady dla funkcjonowania energetyki odnawialnej w dłuższej perspektywie. Określa bowiem zasady wsparcia dla istniejących źródeł w oparciu o system zielonych certyfikatów oraz zasady przejścia tych źródeł na nowy system sprzedaży energii elektrycznej wytworzonej w źródłach odnawialnych. Ustawa rozgranicza czasowe instalacje uruchamiane w starym i nowym systemie. Wreszcie ustawa określa także nowy system wparcia dla rozwoju energetyki odnawialnej i nowych źródeł w oparciu o system aukcyjny, w którym inwestorzy konkurować będą ceną energii elektrycznej. Inwestorzy, dla których stabilność i długoterminowa wizja rozwoju to jeden z podstawowych elementów strategii, z dużą satysfakcją przyjęli wskazanie w ustawie 15 letniego okresu wsparcia dla źródeł odnawialnych. 4

6 Prace nad ustawą rozpoczęły się w Polsce kilka lat temu. Ich wydłuzony okres wynikał m.in. ze ścierania się różnych interesów. Z jednej strony Polska jest zobowiązana jako członek Unii Europejskiej obniżać emisję dwutlenku węgla i zwiększać udział energii odnawialnej w mikście energetycznym, a z drugiej strony wsparcie dla OZE jest kosztowne dla budżetu i zwiększa koszty energii w gospodarce. Sprzeczne są też interesy producentów energii z różnych źródeł odnawialnych, a także małych producentów (prosumentów) i dużych spółek energetycznych, które ewidentnie blokowały zapisy o wsparciu mikroinstalacji. Od października 2005 roku funkcjonował w Polsce system "zielonych certyfikatów" sprzedawanych lub kupowanych przez giełdę towarową, na której ustalana jest ich cena. W ramach tego systemu odbiorcy energii (np. zakłady przemysłowe, przedsiębiorstwa energetyczne) są obowiązani zakupić i przedstawić prezesowi Urzędu Regulacji Energetyki "zielone certyfikaty" potwierdzające, że określony procent zakupionej energii pochodzi ze źródeł odnawialnych, lub też uiścić opłatę zastępczą. Certyfikaty otrzymują wytwórcy energii z OZE. Problem w tym, że koszt wytworzenia energii ze źródeł odnawialnych jest bardzo zróżnicowany. Najtańszym sposobem jest współspalanie, czyli palenie w kotłach bloków energetycznych węglem zmieszanym z paliwami pochodzenia roślinnego. Polska jest największym w Unii Europejskiej wytwórcą energii ze współspalania. Zdaniem ekologów współspalanie nie powinno być uznawane za OZE. Największe instalacje tego typu mają elektrownie węglowe należące do największych spółek energetycznych. Instalacje OZE mają tworzyć nowe moce energetyczne, ale wg specjalistów z branży OZE współspalanie takich mocy nie tworzy. Nowa Ustawa taki stan rzeczy z pewnością zmieni. Pytanie czy na lepsze? Sam jeszcze dokument budzi cały czas wiele pytań i kontrowersji. Ministerstwo Gospodarki i Urząd Regulacji Energetyki ma szczególnie dużo uwag do zakresu poprawki ustawy wspierającej mikroinstalacje. Instytut Energetyki Odnawialnej broniąc wsparcia dla mikroinstalacji oszacował, że koszty systemu wsparcia dla prosumentów w ramach przyjętej przez Sejm tzw. poprawki prosumenckiej wyniosą w latach około 550 mln zł, czyli zaledwie ok. 2,2% kosztów, które ma pochłonąć cały system wsparcia wpisany do ustawy o OZE. Sporo jest jeszcze zatem niepewności oraz nieznany jest kształt regulacji szczegółowych, które będą miały znaczący wpływ na rozwój OZE w Polsce. Sama ustawa o OZE to jedynie ramy prawne. To tylko zapisy, które trzeba odpowiednio interpretować. Dopiero poszczególne regulacje, które zostaną wydane w formie rozporządzeń właściwych Ministrów będą niezwykle istotne. Na etapie przygotowywania tychże rozporządzeń będą zapadać decyzje odnośnie dalszych losów energetyki odnawialnej w Polsce. Ten drugi etap prac będzie równie istotny co prace nad samą ustawą o OZE. Na bazie ustawy mają powstać 22 rozporządzenia oraz regulamin aukcji. Reasumując istniejący obecnie system OZE w Polsce ma zostać całkowicie zmieniony. Czeka nas niejako nowe rozdanie na rynku energii odnawialnej. Jedną z najważniejszych zmian, którą ma wprowadzić ustawa jest zastąpienie obecnie istniejącego systemu zielonych certyfikatów tzw. systemem aukcyjnym. Stosunkowo dobrą wiadomością wydaje się fakt, że firmy posiadające już instalacje OZE będą mogły dokonać wyboru, czy chcą dołączyć z nimi do systemu aukcyjnego czy też pozostać przy starym. Ważnym aspektem wydaje się to, że wg przedstawicieli branży OZE dobra ustawa o OZE powinna umożliwiać rozwój energetyki obywatelskiej, która jest istotnym bodźcem rozwoju na poziomie regionalnym i lokalnym. Wspierając budowę małych, lokalnych 5

7 źródeł energii taka ustawa przyczyni się nie tylko do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego regionów i całego kraju, ale także do tworzenia w nich nowych miejsc pracy, powstawania małych i średnich przedsiębiorstw, podnoszenia konkurencyjności zlokalizowanych w nich rodzinnych gospodarstw rolnych oraz ograniczenia zasięgu ubóstwa energetycznego. Miejmy nadzieję, że te postulaty dzięki nowej, tak długo wyczekiwanej ustawie o OZE zostaną spełnione... Potencjał polskiego rynku mikroinstalacji OZE do końca tej dekady to ok. 24,7 GW, z czego 1,9 GW to potencjał instalacji do produkcji zielonej energii elektrycznej. W Polsce mamy obecnie ponad 223 tys. mikroinstalacji OZE, z czego większość stanowią instalacje do produkcji zielonej energii cieplnej: około 120 tys. to kolektory słoneczne, 90 tys. małe kotły na biomasę, a 10 tys. pompy ciepła. Wśród mikroinstalacji do produkcji zielonej energii elektrycznej 3 tys. to małe elektrownie wiatrowe (tylko ok. 30 podłączonych do sieci), a 139 to elektrownie fotowoltaiczne. Potencjał mozliwości generowania energii elektrycznej na domu jednorodzinnym z wykorzystaniem fotowltaiki [5] Za naszą zachodnią granicą liczbę mikroinstalacji OZE szacuje się na ponad 3 miliony! Niemieccy prosumenci dostarczają ponad 1/3 energii odnawialnej produkowanej w Niemczech - więcej niż działające w tym kraju koncerny energetyczne. Zielona energia pokrywa już ponad 20% zapotrzebowania na energię generowanego przez gospodarkę naszych zachodnich sąsiadów. Mikroinstalacje OZE w gospodarstwach domowych są skuteczną metodą redukcji emisji gazów cieplarnianych. Zarówno w przypadku, gdy zastępują energię elektryczną z sieci ogólnokrajowej (wytwarzanej niemalże w 90% w wysokoemisyjnych elektrowniach na paliwa kopalne), jak i sytuacji, gdy mikroinstalacja OZE zastępuje lokalne źródło energii na węgiel kamienny lub gaz. Korzyści z zastosowania mikroinstalacji dla poszczególnych rodzajów inwestorów są następujące: - Osób fizycznych - Niewielkie instalacje fotowoltaiczne mogą radykalnie obniżyć koszty energii elektrycznej dla tysięcy polskich rodzin. - Rynku pracy - Mikroinstalacje pozwolą chronić utworzone miejsca pracy w polskiej branży OZE. Wg różnych szacunków powstanie mikroinstalacji będzie impulsem do powstania do 2020 ponad 43 tys. nowych miejsc pracy w Polsce. - Rolników - to oni znacznie częściej niż inni odbiorcy uskarżają się na przerwy w dostawach energii elektrycznej. Mikroinstalacje zapewniają większe bezpieczeństwo energetyczne dla tej grupy odbiorców energii. - Wspólnot mieszkaniowych - Produkcja energii ze źródeł odnawialnych i oddawanie jej do sieci, to szansa na dodatkowe dochody oraz samowystarczalność energetyczną. Nie 6

8 dotyczy to tylko pojedynczych gospodarstw domowych, lecz całych spółdzielni mieszkaniowych. Zastosowanie układów hybrydowych może znacząco obniżyć koszty spółdzielni oraz wspólnot mieszkaniowych wynikające z zaopatrzenia w ciepło i energię. - Gmin - dla jednostek samorządu terytorialnego stosowanie rozwiązań prosumenckich wpływa na poprawę wizerunku gminy (m.in. słoneczne gminy ). Ponadto rozwój energetyki prosumenckiej powoduje powstawanie nowych miejsc pracy wynikających z rosnącej produkcji elementów instalacji OZE oraz konieczności ich serwisowania. Reasumując należy mieć świadomość korzyści płynących ze zrównoważonego rozwoju energetyki odnawialnej, do których możemy zaliczyć przede wszystkim pozytywny wpływ na dywersyfikację źródeł energii w kraju oraz wzrost bezpieczeństwa dostaw. Schemat idei zrównoważonego rozwoju [1, 5] Tylko taki rozwój OZE jak przedstawiony powyżej gwarantuje funkcjonowanie stabilnego systemu wsparcia OZE, obok spadających kosztów tej technologii oraz zapewnienie akceptowalnych cen energii elektrycznej dla odbiorców końcowych. Bibliografia [1] LEWANDOWSKI W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii. Wydanie IV. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa [2] KRAWIEC F.: Odnawialne źródła energii w świetle globalnego kryzysu energetycznego. Wybrane problemy. Wydawnictwo Difin. Warszawa [3] NOWAK W., STACHEL A.A., BORSUKIEWICZ-GOZDUR A.: Zastosowania odnawialnych Źródeł Energii. Wydawnictwo Naukowe Politechniki Szczecińskiej, Szczecin [4] JASTRZĘBSKA G.: Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne. Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, wyd. II, Warszawa [5] (wejście - sierpień 2015r.). [6] (wejście - sierpień 2015r.). [7] (wejście - sierpień 2015r.). 7

9 LABORATORIA I CENTRA POKAZOWE Z ZAKRESU OZE W WOJ. KUJAWSKO-POMORSKIM W wojwództwie kujawsko pomorskim funkcjonują już jednostki, które realizują badania i prowadzą działalność szkoleniowo-pokazową z zakresu instalacji OZE. Jednym z wyróżniających się przykładów obiektów tego typu jest Centrum Demonstracyjne Odnawialnych Źródeł Energii przy Zespole Szkół Mechanicznych nr 2 - ul. Słoneczna19 w Bydgoszczy. Centrum Demonstracyjne Odnawialnych Źródeł Energii przy Zespole Szkół Mechanicznych nr 2 - ul. Słoneczna19 w Bydgoszczy [3] Centrum Demonstracyjne Odnawialnych Źródeł Energii (CDOZE) oddano do użytkowania w czerwcu 2014 roku. Jest to obiekt wybudowany w technologii domów pasywnych o odpowiednich parametrach charakteryzujących taki typ budynków: bardzo niskie zapotrzebowanie na energię do ogrzewania - poniżej 15 kwh/(m 2 rok). W CDOZE zainstalowano instalacje z zakresu energetyki odnawialnej czyli [3]: - Instalację modułów fotowoltaicznych o mocy 10 kw. - Turbinę wiatrową o poziomej osi obrotu o mocy 3 kw. - Pompy ciepła typu powietrze - woda, pracujące w układzie kaskadowym. - Gruntowy wymiennik ciepła - odzysk ciepła. - Instalację 3 kolektorów próżniowych do podgrzewu c.w.u.. - System monitoringu. Budynek o powierzchni użytkowej 367,26 m 2 jest przykładem prawidłowych rozwiązań w budownictwie energooszczędnym i pasywnym. Centrum służy uczniom 8

10 Zespołu Szkół Mechanicznych nr 2, kształcących się w nowym praktycznym kierunku nauczania Technik Urządzeń i Systemów Energetyki Odnawialnej. Służy również do celów edukacyjnych oraz studentom i osobom zainteresowanym najnowszymi technologiami w branży OZE. Centrum jest wyposażone w instalację automatyki obejmującą wentylację, ogrzewanie oraz monitorowanie, archiwizowanie i raportowanie wartości mierzonych, takich jak: temperatura w budynku, wielkości meteorologiczne (temperatura powietrza, wilgotność powietrza, ciśnienie atmosferyczne, kierunek i prędkość wiatru, promieniowanie słoneczne, opad atmosferyczny), parametry pracy urządzeń, parametry zasilania i ogrzewania. Monitorowana jest również praca zewnętrznych opraw hybrydowych oświetlenia. Zamontowany system monitororowania służy do odczytu i prezentacji mierzonych parametrów. Układ pozyskania energii elektrycznej odnawialnej z jednoczesnym praktycznym zastosowaniem układu do zasilania całości oświetlenia wewnętrznego oraz zewnętrznego składa się z 100 ogniw fotowoltaicznych i turbiny wiatrowej o mocy 3,0 kw. Budynek posiada sale wykładowe i laboratoryjne. W zakresie jednostek badawczych w naszym województwie jednostką zajmującą się aspektami weryfikacji efektywności instalacji OZE jest Laboratorium Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii ( Funkcjonuje ono na Wydziale Inżynierii Mechanicznej - UTP w Bydgoszczy przy ul. Kaliskiego 7. 9

11 Laboratorium Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii ( funkcjonujące na Wydzial Inżynierii Mechanicznej - UTP w Bydgoszczy przy ul. Kaliskiego 7 [1, 2] Jedną działalności dydaktyczno-naukowej na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno-przyrodniczego w Bydgoszczy jest związana z tematyką odnawialnych źródeł energii. Od kilku lat istnieje kierunek studiów inżynierskich pn. Inżynieria odnawialnych źródeł energii, realizowane są studia podyplomowe, szkolenia oraz prace naukowo-badawcze. Narzuciło to potrzebę stworzenia zaplecza dydaktycznobadawczego, umożliwiającego prowadzenie zajęć praktycznych oraz badań laboratoryjnych wzbogacających ofertę dydaktyczną Uczelni oraz jakość prowadzonych prac badawczych. Laboratorium Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii wyposażone m.in. w następujące urządzenia z zakresu OZE [1, 2]: - Podgrzewacz wody zasilany instalacją fotowoltaiczną. - Pompa ciepła typu powietrze-woda do podgrzewania wody użytkowej. - Mobilna instalacja solarna z kolektorem płaskim. - Opomiarowana instalacja z kolektorami próżniowymi. - Pompa ciepła typu powietrze-woda. - Pompa ciepła typu glikol woda z odwiertami pionowymi. - Mobilne stanowisko do badań efektywności modułów fotowoltaicznych. - Dachowa instalacja fotowoltaiczna typu of-grid. - Opomiarowana instalacja brykieciarki hydraulicznej. Bibliografia [1] (wejście - sierpień 2015r.). [2] (wejście - sierpień 2015r.). [3] (wejście - sierpień 2015r.). 10

12 I. INSTALACJE SOLARNE Wprowadzenie - rynek instalcji solarnych w Polsce W ostatnich latach polski rynek kolektorów napędzały unijne dotacje i dopłaty w ramach programu kolektorowego, który był realizowany przez NFOŚiGW. Teraz, gdy dofinansowanie się skończyło (szansą ma być teraz program PROSUMENT), polski rynek kolektorów zwalnia. Brakuje systemowego wsparcia, które zapewniłoby stabilną, wieloletnią perspektywę rozwoju branży instalatorów i polskich producentów. Ustawa o OZE pomija kwestię wspierania produkcji zielonego ciepła i nie wprowadza też wymogów zastosowania OZE w budownictwie. Wydaje się, że polska branża kolektorów najlepsze lata ma póki co za sobą. W ostatnich latach branża kolektorów słonecznych zawdzięczała swój rozwój głównie programowi dopłat do kolektorów z NFOŚiGW oraz dotacjom unijnym. Dzięki tym źródłom dofinansowania polski rynek kolektorów trafił do europejskiej czołówki. Poniżej przedstawiono rozwój rynku kolektorów solarnych w Polsce w latach Na dzień dzisiejszy szacuje się, że łączna moc cieplną wszystkich instalacji solarnych w Polsce przekroczyła 1,2 GW. Pod względem mocy zainstalowanej kolektory słoneczne stanowią drugą, po ciepłowniach na biomasę technologię OZE do wytwarzania tzw. zielonego ciepła w Polsce [2, 3, 7]. Rys Rynek kolektorów solarnych w Polsce w latach [Źródło Instytut Energii Odnawialnej] W 2013 roku Polska była jednym z trzech krajów, obok Danii, Belgii i Grecji, gdzie rynki kolektorów słonecznych zanotowały dalszy wzrost. Na rysunku 1.1 przedstawiono Wielkość zainstalowanej powierzchni kolektorów w Polsce. Przekroczyła ona już 1 mln m 2. Sam rynek europejski charakteryzuje już pewne nasycenie. Zaczęto już bowiem rejestrować spadki rocznych wartości instalowanych powierzchni kolektorów solarnych (rys. 1.2) [2, 3, 7]. Ostatnio NFOŚiGW podał, że dzięki realizacji programu 45-procentowych dopłat do zakupu i montażu kolektorów słonecznych powstało 67,3 tys. tego typu instalacji o łącznej powierzchni 483,8 tys. m 2. Na realizację programu NFOŚiGW wydał w latach kwotę 450 mln zł. Dzięki dotacjom unijnym z budżetu na lata w 11

13 wielu polskich gminach zrealizowano kompleksowe projekty montażu instalacji kolektorów słonecznych. W Polsce działa obecnie około 80 firm zajmujących się produkcją i dystrybucją kolektorów słonecznych, a dzięki realizacji programu NFOŚiGW zatrudnienie w branży wzrosło o 8 tys. miejsc pracy, sięgając poziomu niemal 10 tys. etatów. Realizacja programu przyczyniła się też do rozwoju technologii kolektorów słonecznych i spadku cen. Warto podkreślić, że duża część kolektorów słonecznych była wysyłana przez polskich producentów na eksport, w tym głównie do Niemiec, co może świadczyć o wysokiej jakości oferowanych produktów i konkurencyjności polskiego przemysłu kolektorowego. Rys Coroczny przyrost powierzchni kolektorów w Europie w m 2 [8] Firmy z branży pozytywnie oceniają program 45-procentowych dopłat do kolektorów słonecznych. Z ankiety przeprowadzonej przez Instytut Energetyki Odnawialnej (IEO) wynika, że ponad 75% badanych firm uznało program NFOŚIGW jako potrzebny, a 82% firm wskazało, że powinien być dalej kontynuowany w takiej formie jak poprzednio. W przypadku wielu firm zamówienia realizowane w ramach programu kolektorowego stanowiły 80% wszystkich instalacji. Do 2012 roku rynek rozwijał się dynamicznie, niemal co roku odnotowywano wzrost (średnio 37% - rys. 1.3) i stanowił atrakcyjną branżę dla funduszy i firm na rynku energetyki odnawialnej, mobilizując kapitał prywatny. 12

14 Rys Średnie tempo wzrostu rynku kolektorów solarnych w latach wynosiło 37% W dalszym ciągu, pod względem rocznie instalowanych systemów, polski rynek należy do jednych z największych w Europie. W ubiegłym roku zmniejszyła się sprzedaż instalacji kolektorów słonecznych z udziałem dotacji Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej i wynosiła ok. 101 tys. m 2, co stanowiło 39% całkowitej sprzedaży kolektorów, podczas gdy rok wcześniej udział ten wynosił 55%. W całym 5-letnim okresie trwania programu dopłat z NFOŚiGW przyczynił się on do powstania 35% wszystkich instalacji kolektorów słonczych w Polsce (rys. 1.4). Rys Sprzedaż instalacji solarnych z wykorzystaniem programu dopłat z NFOŚiGW W 2012 r. sprzedaż kolektorów w Polsce przekroczyła 300 tys. m 2, jednak później - zamiast spodziewanego dalszego wzrostu - rynek zaczął się kurczyć. W 2013 r. zamontowano ok. 274 tys. m 2, a w ubiegłym roku ok. 260 tys. m 2. W tym roku możemy nadal obserwować trend spadkowy. Wraz ze spadkiem wolumenu instalowanych kolektorów spada zatrudnienie. Część firm, nie widząc perspektyw do dalszej ekspansji na rynku kolektorów, skupiła się na oferowaniu pomp ciepła czy instalacji fotowoltaicznych. Luki, która powstała na rynku po wygaśnięciu programu 13

15 kolektorowego, nie wypełni kolejny, uruchomiony przez NFOŚiGW program Prosument, z którego można dofinansować montaż kolektorów, ale tylko w połączeniu ze źródłem energii elektrycznej - np. z fotowoltaiką. Dodatkowo wartość dotacji na kolektory w Prosumencie jest dwukrotnie niższa niż na źródła energii elektrycznej. Pierwsze efekty wdrożenia Prosumenta pokazują, że zdominują go głównie instalacje fotowoltaiczne. Program Prosument w obecnej wersji (lipiec 2015r.) nie spełnia oczekiwań branży. Wiele wskazuje jednak na to, że trudno będzie odbudować dynamikę wzrostu, która miała miejsce na rynku w czasie realizacji programu 45-procentowych dopłat do kolektorów. Pod koniec trwania programu kolektorowego, branża oczekiwała szybkiego wprowadzenia nowego programu Prosument, który obejmuje również dotacje na instalacje produkujące ciepło. Jednak jego uruchomienie nie nastąpiło pod koniec trwania programu kolektorowego. Powstała luka, która spowodowała trudną sytuację dla branży. Firmy zaczęły się przebranżawiać, szukając nowych źródeł przychodu. Zostało zlikwidowanych kilka tysięcy miejsc pracy, stracone zostały wiedza i kompetencje. Są to wartości, które będzie bardzo trudno odbudować w krótkim czasie. Szans na ożywienie w branży nie daje przyjęta niedawno ustawa o OZE, która pomija wsparcie dla kolektorów słonecznych i innych źródeł ciepła, koncentrując się na wspieraniu odnawialnych źródeł energii elektrycznej. W ustawie brakuje też wymogów dotyczących zwiększania udziału zielonej energii w zużyciu energii w budownictwie, co mogłoby stworzyć impuls do dalszego i stabilnego rozwoju rynku kolektorów. Ponad 60% energii zużywanej w gospodarstwach domowych, czyli u potencjalnych prosumentów to właśnie ciepło, którego wytwarzanie jest często podstawowym źródłem emisji zanieczyszczeń. W efekcie mniej korzystnych dla kolektorów warunków w ramach Prosumenta i braku wsparcia w ustawie o OZE, szansą na rozwój branży kolektorów pozostają nowe dotacje unijne z budżetu na lata Na uruchomienie konkursów w ramach RPO trzeba jednak jeszcze poczekać. Konkursy zakładające dofinansowanie inwestycji w OZE mogą pojawić się w poszczególnych województwach na szerszą skalę dopiero w przyszłym roku. Same programy dotacyjne nie zapewnią jednak długotrwałego rozwoju i stabilności, co możemy obserwować po wygaszeniu programu 45-procentowych dopłat do kolektorów. Potrzebne są rozwiązania systemowe i stałe ulgi inwestycyjne. Skutecznym instrumentem promocji energetyki cieplnej jest wsparcie systemowe, obejmujące cały kraj z jasnym i znanym wszystkim uczestnikom rynku planem działań, harmonogramem i monitoringiem, którego uzupełnieniem byłyby szkolenie i certyfikacja instalatorów, ogólnokrajowa kampania edukacyjno-informacyjna, wspieranie prac badawczych dot. energetyki słonecznej. Kierunkiem jest również płynne przejście z programów dotacyjnych na instrumenty ulg podatkowych w późniejszym czasie Sektor kolektorów słonecznych w Polsce ma w dalszym ciągu olbrzymi potencjał i perspektywy wzrostu jako wiodąca technologia tzw. energetyki prosumenckiej. Pomimo tego, że kolektory słoneczne wykorzystuje w Polsce już ponad 110 tysięcy użytkowników, nasycenie rynku (0,032 m 2 na głowę mieszkańca) jest o rząd wielkości niższe niż w krajach europejskich o podobnym nasłonecznieniu (np. Niemcy). Przy utrzymaniu dotychczasowego tempa wzrostu w 2013 roku kolektory słoneczne stały się pod względem mocy zainstalowanej drugą w kraju (po energetyce wiatrowej) technologią OZE [1, 2, 3, 7]. Rozpiętość cenowa kolektorów solarnych jest więc bardzo szeroka, najtańsze kolektory można nabyć już za 346 zł/m 2 powierzchni czynnej kolektora, najdroższe 14

16 to koszt rzędu 4756 zł/m 2. W 2012 roku średnia cena ofertowa za 1m 2 powierzchni czynnej kolektora kształtowała się na poziomie 1282 zł (w 2011roku zł). Średnioroczny wzrost ceny bieżących kolektorów słonecznych wyniósł 0,59% (ponad trzykrotnie mniej niż inflacja). Ceny ofertowe kolektorów płaskich, w 2012 r. wahały się w granicach zł/m 2 powierzchni czynnej kolektora, średnio ok. 870 zł/m 2, natomiast próżniowych w granicach zł/m 2, średnio 1880 zł/m 2. W odniesieniu do powierzchni czynnej średnie ceny kolektorów płaskich były ok. dwukrotnie niższe niż kolektorów próżniowych. Najwyższą cenę miały kolektory próżniowe przepływowe, najniższą kolektory z absorberem harfowym. W przypadku powierzchni całkowitej średnie ceny poszczególnych rodzajów kolektorów były zbliżone, kolektory typu "heat pipe" i były porównane cenowo z kolektorami płaskimi z absorberem meandrycznym. Można więc mówić o stabilne wartości urządzeń solarnych [7]. Większość, ok. 73% kolektorów słonecznych sprzedanych w ubiegłym roku w Polsce, to kolektory płaskie, których produkcja dominuje wśród rodzimych producentów systemów słonecznych. W Krajowym Planie Działań w zakresie OZE rząd zatwierdził dla sektora termicznej energetyki słonecznej cel na 2020 rok na poziomie 14 mln m 2, co jest odpowiednikiem mocy zainstalowanej ponad 10 GW (rys. 1.5). Wg danych dokumentu rządowego wielkość zainstalowanej powierzchni kolektorów słonecznych ogółem w 2012 roku powinna już wynieść ponad 2,2 mln m 2. Producenci systemów słonecznych deklarują, że obecnie posiadają krajowe moce produkcyjne rzędu 0,8-0,9 mln m 2 rocznie (nie licząc importu). Jest to wielkość wystarczająca by móc sprostać wymaganiom dokumentu KPD. Możliwe jest więc nadrobienie obecnego spadku wymaganej powierzchni [2, 7]. Rys Rozwój rynku na tle KPD na rzecz OZE w Polsce [7] Reasumując przeprowadzaną ocenę rynku instalacji solrnych w Polsce można stwierdzić: - W ostatniah dwóch latach można zaobserwoować spadek sprzedaży instalacji solarnych o ok. 5%. - Na polskim rynku zmniejsza się udział kolektorów próżniowych, co powoduje wzrost sprzedaży tańszych kolektorów płaskich o ok. 5%. - Średnie ceny ofertowe kształtują się na podobnym poziomie jak rok temu, ale ceny transakcyjne są dużo niższe - co może wróżyć zwiększeniem popularności tych systemów grzewczych. - Niecałe 40% obecnych w Polsce kolektorów to wyprodukowane na polskim rynku. - Widoczne silne przetasowania na rynku, część firm bankrutuje, nowym firmom trudno wejść na rynek. 15

17 - Rynek instalacji kolektorów solarnych rozwija się pod wpływem krótkoterminowych impulsów, w zależności od oferowanego wsparcia finansowego/dotacji - konieczne jest wypracowanie kompleksowego podejścia do branży. Potrzebny jest ogólnopolski system wspierania inwestycji z zakresu zielonego ciepła. - Instalacja solarna to cały czas jedna z najtańszych technologii OZE, najbardziej powszechna, mająca duży potencjał społeczny. Istnieje krajowy przemysł produkowania klektorów solarnych oraz posiadamy wykwalifikowanych instalatorów w tym zakresie. Nie jest to technologia przestarzała ani małoefektywna. Budowa laboratoryjnej instalacji solarnej Zaprojektowana laboratoryjna instalacja solarna funkcjonująca na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego składa się z następujących części: - zamkniętego, ciśnieniowego obiegu solarnego odbierającego ciepło z kolektorów, w części znajdującego się na zewnątrz budynku (wraz z kolektorami słonecznymi) oraz wewnątrz budynku (wraz z odbiornikami ciepła w postaci pojemnościowego podgrzewacza wody użytkowej oraz chłodnicy systemu), - zamkniętego ciśnieniowego obiegu wody użytkowej przechwytującego ciepło z obiegu solarnego (wraz z pojemnościowym podgrzewaczem wody użytkowej), - automatyki kontrolno-pomiarowej wyposażonej w zaawansowany sterownik układu, moduł rejestracji i transmisji danych z możliwością zdalnej kontroli, zespół zasilania awaryjnego. Schemat technologiczny tej instalacji przedstawiono na rysunku 1.6. Rys Schemat technologiczny laboratoryjnej instalacji solarnej [6] 16

18 Instalacja solarna powstała jako stanowisko dydaktyczne z możliwością prowadzenia ograniczonych badań kolektorów słonecznych cieplnych, cieczowych (fototermicznych). Projekt oraz wykonanie zostało zrealizowane przez firmę Projprzem Eko Sp. z o.o. Sama instalacja wg założeń koncepcyjnych charakteryzuje się tym, że możliwe jest: - badanie mocy kolektorów i ilości wytwarzanego ciepła, - badanie charakterystyki cieplnej kolektorów w zależności od różnych czynników, m.in. ilości napromieniowania słonecznego, temperatury otoczenia, temperatury odbiornika itp., - określanie strat przesyłu ciepła z kolektora do zbiornika solarnego, - wymiana kolektorów na innego typu (np. kolektory płaskie), - dowolna rozbudowa zarówno po stronie hydraulicznej jak i pomiarowej. Poszczególne elementy instalacji w postaci fotografii przedstawiono na rysunku 1.7. Widok stanowiska zdalnej kontroli instalacji Ogólny widok stanowiska dydaktycznego Widok sterownika układu, modułu rejestracji danych, modułu transmisji danych oraz grupy pompowej wraz z grupą bezpieczeństwa obiegu solarnego Widok miejsca i sposobu montażu kolektorów próżniowych Rys Instalacja solarna na budynku UTP w Bydgoszczy [6] W instalacji zastosowano dwa próżniowe kolektory słoneczne oparte na dwufazowej wymianie ciepła. Kolektory tego typu służą do produkcji ciepła wykorzystywanego w niskotemperaturowych układach grzewczych, jak np. wspomaganie ogrzewania wody użytkowej, centralnego ogrzewania oraz wody basenowej. W zastosowaniach przemysłowych mogą one służyć do osuszania osadów, podgrzewania wody procesowej i ścieków w oczyszczalniach ścieków. 17

19 Systemy zabezpieczenia instalacji przed przegrzaniem Nawet zaawansowana automatyka, wyposażona w funkcje ochrony instalacji przed przegrzaniem, która obsługuje niniejszą instalację nie ochroni jej przed długotrwałym brakiem odbioru ciepła z kolektorów. Skutecznym sposobem rozpraszania ciepła jest stosowanie chłodnic o mocy chłodzącej zbliżonej do mocy grzewczej pola kolektorów. Chłodnice, w zależności od rozwiązania technologicznego układu solarnego, mogą stanowić odbiorniki o dużej pojemności cieplnej (np. baseny), chłodnice wentylatorowe, a także całe lub wydzielone części obiegów grzewczych. Jako chłodnice dla układów solarnych można także stosować gruntowe dolne źródła pomp ciepła. Jest to przykład synergicznej pracy dwóch źródeł ciepła z dziedziny OZE. Nadmiarowe ciepło solarne daje możliwość regenerowania w pewnym stopniu dolnego źródła i jednocześnie podwyższa sprawność pompy ciepła. Idealnym, choć kosztownym, odbiornikiem nadmiarowego ciepła jest gruntowy magazyn ciepła. W zrealizowanej instalacji dydaktycznej zastosowano wymiennik zrzutu ciepła o mocy chłodzącej zbliżonej do mocy grzewczej pola kolektorów (rysunek 1.8). Rys Fragment schematu instalacji solarnej z zaznaczonym wymiennikiem zrzutu ciepła [6] Poza dodatkowym grzejnikiem oddającym nadmiarowe ciepło w instalacji zastosowano bezpiecznik termiczny Ekspulser model MST-01 produkcji firmy PROJPRZEM EKO. Bezpiecznik ten jest najnowszym rozwiązaniem na polskim rynku, chroniącym kolektory przed najwyższymi temperaturami stagnacji. Cechą szczególną tego rozwiązania jest brak mechanicznych części ruchomych oraz brak zewnętrznego zasilania elektrycznego. Urządzenie jest autonomicznym, bezobsługowym i 18

20 bezawaryjnym modułem montowanym bezpośrednio przy kolektorach. Istotną zaletą jest możliwość zastosowania nie tylko w projektowanych instalacjach, ale także w istniejących. Urządzenie rozprasza ciepło wykorzystując termodynamiczną zasadę działania rurki ciepła (rysunek 1.9). Rys Fragment schematu instalacji solarnej z zaznaczonym wymiennikiem zrzutu ciepła [6] Prezentacja wyników pomiarów - VBUS.NET Do obsługi instalacji solarnej wykorzystano specjalizowany sterownik solarny typu DelatSol M, produkcji Resol GmbH. Za pomocą wyjścia V-Bus sterownik pozwala na połączenie z systemowymi urządzeniami peryferyjnymi, jak np. bank pamięci Datalogger, lampa sygnalizacji stanów awaryjnych, komputer itp. Do pobierania i przechowywania danych pochodzących z odczytów parametrów instalacji solarnej służy Datalogger typ DL2 produkcji Resol GmbH. Urządzenie dzięki swojej pojemności pozwala na zbieranie danych w długim okresie czasu. Urządzenie może być konfigurowane ze standardowymi przeglądarkami internetowymi poprzez zintegrowany interfejs. Zdalne sterowanie instalacji oraz zapis pomiarów umożliwia wykorzystany system prezentacji parametrów instalacji solarnej w Internecie VBus.net. Na rysunku 9 przedstawiono przykład chwilowych wartości mierzonych parametrów instalacji solarnej przedstawionych na wydzielonej stronie utworzonej po rejestracji w systemie VBus.net. 19

21 Rys Przykład prezentacji chwilowych wyników pomiarów instalacji solarnej prezentowanej na wydzielonej stronie [6] Poza wartościami chwilowymi mierzone parametry są zapisywane. Stosując odpowiednie filtry w systemie VBus.net można generować wykresy kilkunastu parametrów w dowolnym okresie. Na dzień dzisiejszy mierzonymi parametrami są: - temperatura kolektora, - temperatura w podgrzewaczu cwu - dolna strefa zbiornika, - temperatura zasilania - przed odbiornikiem, - temperatura powrotu - za odbiornikiem, - temperatura powietrza zewnętrznego, - temperatura powrotu - przed kolektorem, - temperatura zasilania - za kolektorem, - natężenie promieniowania słonecznego, - praca pompy solarnej - wydajność chwilowa glikolu, - działanie zaworu 3-dr : 0% - podgrzewacz cwu, 100% - chłodnica, - temperatura zasilania kolektora, - temperatura powrotu do kolektora, - natężenie przepływu glikolu, - energia ciepła dostarczona do glikolu przez kolektor. Ilość mierzonych parametrów i miejsce pomiaru np. temperatury można w każdej chwili modyfikować. Na rysunku 1.11 przedstawiono przykład wygenerowanego zapisu pomiaru z zakresu siedmiu dni: 3-9 kwiecień 2014 roku. Zestawiono na nim zmiany w układzie eksploatacji instalacji temperatury wejściu i wyjściu z kolektora, natężenie przepływu glikolu oraz natężenie promieniowania słonecznego. Możliwa jest do przeprowadzenia analiza parametrów w układzie godzinowym, dobowym i miesięcznym. 20

22 Pozwala na bardzo zaawansowaną weryfikację efektywności pracy instalacji solarnej w szerokim zakresie warunków środowiskowych. Rys Przykład wygenerowanych parametrów (7 dni) pracy instalacji ze strony VBus.net [6] Podsumowanie i wnioski Analizując dane rynku kolektorów solarnych w Polsce należy stwierdzić że jest to rynek rozwojowy. Polska branża solarna wymaga jednak dalszego wsparcia. Konieczna jest kontynuacja realizowanych wcześniej programów wsparcia. Zaprojektowane i wykonane stanowisko badawczo-dydaktyczne na UTP w Bydgoszczy pozwala badać efektywność instalacji solarnej w różnych warunkach eksploatacyjnych. Stanowisko jest przykładem instalacji, gdzie możliwa jest realizacja pomiarów zdalnych wybranych parametrów. Jest bardzo istotne dla instalacji solarnych, gdzie w okresach letnich może dojść do dużej nadwyżki ciepła przy jego braku odbioru. Warunki akademickie (brak odbioru ciepła w warunkach letnich) spowodowały, że zastosowano w omawianej instalacji solarnej kilka systemów zabezpieczeń w postaci zrzutu ciepła. Stanowisko jest łatwe w obsłudze oraz pozwala w sposób bardzo przejrzysty weryfikować pracę instalacji solarnej. Instalacje solarne mogą być rownież wykorzytsywane w dużych instalacjach grzewczych. Przykładem może tutaj być instalacja fototermiczna w Nowym Szpitalu w Świeciu n/wisłą. Instalacja została zaprojektowana i wykonana przez firmę Projprzem Eko Sp. z o.o. w roku Jej podstawowe parametry: moc normatywna - 437,5 kw, średnie roczne uzyski ciepła ok. 340,0 MWh, ilość kolektorów próżniowych szt. 21

23 Bibliografia Rys Instalacja fototermiczna w Nowym Szpitalu w Świeciu n/wisłą [1] ZAWADZKI M.: Kolektory słoneczne, pompy ciepła - na tak. Wydawnictwo Zawadzki, Polska Ekologia, Warszawa [2] MROZIŃSKI A.: Wspomaganie komputerowe projektowania instalacji solarnych. Ekologia i Technika, Vol. 109, nr 6 (2010), str [3] FIGLER M., MALIŃSKI K., MROZIŃSKI A.: Analiza możliwości praktycznego wykorzystania wybranych aplikacji komputerowych do symulacji instalacji solarnych. Rozdział w monografii pt. Komputerowe wspomaganie nauki i techniki - CAX`2011 pod redakcją T. Mikołajczyka, Wydawnictwo uczelniane UTP Bydgoszcz, ISBN , str [4] PLUTA Z.: Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [5] LEWANDOWSKI W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii. Wydanie IV. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa [6] (kwiecień 2013). [7] RAPORT: Rynek kolektorów słonecznych w Polsce Instytut Energetyki Odnawialnej - (kwiecień 2013). [8] [9] PN-EN :2007 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy - Kolektory słoneczne - Część 1: Wymagania ogólne. [10] PN-EN :2007 Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy - Kolektory słoneczne - Część 2: Metody badań. 22

24 II. INSTALACJE FOTOWOLTAICZNE Wprowadzenie Według danych Instytutu Energetyki Odnawialnej, w naszym kraju działa obecnie już niemal 40 MW instalacji fotowoltaicznych, z czego od początku 2015 r. powstało ich już 9 MW. IEO podaje, że pod koniec pierwszego kwartału 2014 roku moc zainstalowana w systemach fotowoltaicznych w Polsce wynosiła 6,6 MW, jednak w kolejnych miesiącach nastąpił duży wzrost wolumenu nowych instalacji, dzięki czemu w Polsce działa już około 40 MW systemów fotowoltaicznych (rys. 2.1). Rys Przyrost mocy zainstalowanej w instalacjach PV w Polsce Obserwując rynek energii w Polsce należy sądzić, że najważniejszymi odnawialnymi źródłami energii elektrycznej w Polsce będą w najbliższej perspektywie: biomasa stała, biogaz oraz siłownie wiatrowe zlokalizowane na lądzie. Udział instalacji fotowoltaicznych w tzw. "miksie energetycznym" będzie uzależniony przede wszystkim od polskiego ustawodawcy. Podobnie jak inne OZE, fotowoltaika konkuruje w Polsce z dominacją energetyki opartej na węglu i współspalaniu, które w praktyce bardzo często niewiele ma wspólnego z ideą OZE (koszta logistyki dostaw biomasy, nadinterpretacja "biomasy" wykorzystywanej do współspalania itp.). Następną sprawą jest coraz bardziej dostępna cena systemów PV. W branży odnotowuje się kolejne spadki cen paneli fotowoltaicznych. W ciągu 7 lat ceny modułów PV spadły o 80 procent. Nie wynika to już z faktu dominacji modułów chińskich na rynku. Udział paneli produkowanych w Azji stanowi w Polsce nieco ponad 16 procent. Nałożone przez Unię Europejską cła na moduły sprowadzane z Chin spowodowały stabilizację w tym zakresie. Warto sobie zdawać sprawę, że około połowa zainstalowanych w Polsce modułów PV pochodzi z Niemiec, a nie tak jak się powszechnie uważa z Chin. Najważniejsze jednak jest to, że już co najmniej 4-5 procent tego rynku jest w rękach polskich producentów, którzy stają się konkurencyjni również za granicą. Nie trzeba chyba dodawać, że rynek usług instalatorskich też jest w rękach polskich. Branża PV 23

25 może więc tworzyć miejsca pracy na poziomie wytwórczym jak i instalacyjnym (podobnie jak to ma miejsce w branży instalacji solarnych - fototermicznych do podgrzewania wody użytkowej). Firmy z tej branży rozwijają się i są coraz lepiej wyedukowane. Sprzyja temu rozwinięty system szkoleń dla przyszłych instalatorów systemów fotowoltaicznych. a) Usługi b) Producenci/Dystrybutorzy Rys Usługi oferowane przez firmy z branży PV w Polsce Warto poświęcić więcej uwagi kwestii tworzenia miejsc pracy przez energetykę odnawialną. Według opracowania Międzynarodowej Agencji Energii Odnawialnej (International Renewable Energy Agency, IRENA) obecnie w przemyśle energetyki odnawialnej pracuje na świecie 7,7 mln osób. Rok wcześniej było to 6,5 mln osób, co oznacza wzrost w ciągu 12 miesięcy o 18 procent. Raport pokazuje, że fotowoltaika jest największym pod względem liczby miejsc pracy działem energetyki odnawialnej w skali globalnej. W 2014 r. zatrudniał on 2,4 mln osób, z czego dwie trzecie w Chinach. Państwo Środka jest nie tylko coraz ważniejszym producentem paneli słonecznych, ale też coraz większym rynkiem zbytu na te technologie. Zatrudnienie przy produkcji ogniw fotowoltaicznych rośnie również w Japonii, Stanach Zjednoczonych, Malezji i Korei Południowej. Warto zdawać sobie sprawę z tych danych. Mamy więc atrakcyjną ofertę branży PV - co z popytem? Na instalacje PV decydują się coraz częściej nie tylko przedsiębiorstwa, ale również inwestorzy indywidualni, którzy dzięki temu redukują koszty utrzymania firm i domów. Kwestia oszczędzania - przez zużywanie na własne potrzeby energii elektrycznej i zarabiania - przez sprzedaż do sieci jest szczególnie ważna dla rozwoju instalacji prosumenckich w Polsce. Na rozwój tych instalacji mogą wpłynąć korzystne regulacje w postaci mechanizmu taryf gwarantowanych "obiecanych w ustawie" i programy dopłat do inwestycji, np. program Prosument i inne programy wsparcia (PROW, NFOŚiGW, czy wojewódzkie RPO). Według danych Urzędu Regulacji Energetyki, w Polsce jest obecnie 870 prosumentów 24

26 posiadających mikroinstalacje fotowoltaiczne o mocy do 40 kwp przyłączone do sieci. Tylko w zeszłym roku przyłączono do sieci nieco ponad 570 mikroinstalacji fotowoltaicznych (Rys. 2.3). Łączna moc zainstalowana tych instalacji to przeszło 4,2 MWp. Rys Przyrost mocy zainstalowanej w instalachach PV w Polsce Dla porównania szacuje się, że w Niemczech prosumentów jest dziś ponad 2 miliony! Przedstawia to wciąż niewielką, ale rozwojową skalę inwestycji prosumenckich w Polsce. Podpisana przez Sejm w lutym tego roku, a podpisana przez Prezydenta w marcu ustawa o OZE będzie wkrótce niestety nowelizowana w kierunku zmniejszania taryf gwarantowanych dla najmniejszych instalacji PV i komplikowania systemu wsparcia. Z pewnością wpłynie to negatywnie na rozwój rynku instalacji PV - szczególnie rynku prosumenckiego. Zmiany zaproponowane przez Ministerstwo Gospodarki wynikają z lobbingu firm energetycznych (które już oficjalnie sprzeciwiały się zapisom w ustawie dotyczącym taryf gwarantowanych). Reasumując mamy więc w Polsce do czynienia z dużym wzrostem zainteresowania instalacjami fotowoltaicznymi (zarówno firmy jaki inwestorzy prywatni), któremu towarzyszy stabilny spadek ich cen. Równocześnie dokonuje się nieustanny postęp technologiczny, wzrasta sprawność paneli i ich parametrów, co wpływa na wydajność instalacji. Wszystkie te czynniki mogłyby przyczynić się do szybkiego rozwoju rynku fotowoltaiki w Polsce z korzyścią dla inwestorów i przy zjawisku tworzenia nowych miejsc pracy. Warunkiem jest jednak wola ustawodawcy, który uwzględni oczekiwania prosumentów w Polsce. Instalacje fotowoltaiczne ze względu na stosunkowo prostą budowę cechują się krótkim czasem realizacji inwestycji. Od podjęcia decyzji o budowie instalacji do wyprodukowania prądu mija tylko 3-18 miesięcy (zależnie od wielkości inwestycji). To duży atut, szczególnie teraz, kiedy Polska stoi w obliczu potencjalnych problemów z pokryciem potrzeb energetycznych. Wiele elektrowni jest już bowiem technologicznie 25

27 przestarzałych i nie nadają się one do modernizacji. W kolejnych latach planowane są w związku z tym liczne wyłączenia bloków na węgiel kamienny, będących podstawą polskiej energetyki. Wobec wciąż rosnącego zapotrzebowania na energię elektryczną oraz ubytku jednostek wytwórczych, już około 2016 r. możemy być zmuszeni do importowania bardzo drogiej energii elektrycznej. Rozwiązaniem problemu mogą się wtedy okazać inwestycje w elektrownie fotowoltaiczne, które pozwolą w krótkim czasie dodać do krajowego systemu elektroenergetycznego znaczne szczytowe moce wytwórcze, umożliwiające pokrycie potrzeb podczas największego zapotrzebowania. I to jest następny argument przemawiający za instalowaniem elektrowni fotowoltaicznych. Z analiz zapotrzebowania w dużych polskich miastach można wywnioskować, iż duże zapotrzebowanie pokrywa się z maksymalnymi możliwościami produkcyjnymi elektrowni fotowoltaicznych. Są więc one dobrym źródłem szczytowym, wpisującym się w standardowe profile zapotrzebowania na energię elektryczną. Rys Wykres produkcji energii elektrycznej przez farmę PV zestawiony z profilem zapotrzebowania w Warszawie Warto też wspomnieć o niewielkich kosztach eksploatacyjnych. Farmy fotowoltaiczne nie wymagają do pracy paliwa, a zużycie elementów czynnych jest znikome. Nie mają też części ruchomych, co czyni je niezawodnymi. Ponadto czynności serwisowe ograniczają się do minimum. Podstawowym czynnikiem utrudniającym rozwój fotowoltaiki w Polsce są bariery prawnoadministracyjne. Wymagana jest bardzo duża liczba pozwoleń, nawet na najmniejsze instalacje montowane na dachach. Ponadto konieczność zarejestrowania działalności gospodarczej (i związane z tym koszty), nawet w przypadku wytwarzania energii mikroinstalacji, sprawia, że zyski często nie są satysfakcjonujące. Kolejnym problemem jest system wsparcia, czyli tzw. świadectwa pochodzenia, który w obecnym kształcie uniemożliwia osiągnięcie jakiegokolwiek zysku, zwłaszcza z małej instalacji fotowoltaicznej. Laboratoryjna instalacja fotowoltaiczna na WIM UTP Laboratoryjną instalację fotowoltaiczną, funkcjonującą na budynku Wydziału Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy przedstawiono na rysunku 2.5. W instalacji zastosowano polikrystaliczne moduły fotowoltaiczne o mocy całkowitej 3000W. Zamocowano je na dachu budynku hali technologicznej WIM-UTP pod kątem 20 stopni. 26

28 W instalacji wykorzystano inwerter hybrydowy PowerRouter firmy Nedap Energy Systems. Inwerter tego typu jest w pełni zintegrowanym systemem zarządzania energią elektryczną. Instalacje fotowoltaiczne zbudowane w oparciu o ten inwerter umożliwiają stworzenie własnej sieci dla zrównoważenia energii produkowanej przez ogniwa fotowoltaiczne i energii konsumowanej na potrzeby własne. a) b) c) d ) Rys Instalacja fotowoltaiczna na WIM UTP w Bydgoszczy: a, d- moduły PV, b- system pomiarowy, c- bank akumulatorów Uniwersalność urządzenia pozwala na podłączenie do niego w prosty sposób modułów fotowoltaicznych, odbiorników i banku akumulatorów. Automatyka inwertera hybrydowego pozwala na skonfigurowanie instalacji tak, aby wytworzona w ogniwach fotowoltaicznych energia była zużywana natychmiast, przechowywana w akumulatorach do późniejszego wykorzystania, a po naładowaniu akumulatorów i w przypadku braku odbioru energia może być oddawana do sieci. Ponadto inwerter można podłączyć do sieci Ethernet i dzięki portalowi internetowemu mypowerrouter.com (po zalogowaniu) można mieć wgląd na parametry pracy instalacji z dowolnego miejsca na Ziemi. Reasumując schemat działania zintegrowanego systemu fotowoltaicznego 3w1 wygląda w sposób następujący (rys. 2.6): a) wytworzona w modułach PV energia elektryczna jest dostarczana do PowerRouter'a, b) w razie potrzeby zasilania dowolnego odbiornika domowego, energia pobierana jest z PowerRouter'a, c) niewykorzystana energia elektryczna zostaje zgromadzona w systemie baterii akumulatorów, d) w przypadku zapotrzebowania na energię i braku słońca system wykorzystuje energię z baterii akumulatorów, 27

29 e) w przypadku powstania nadwyżki energii, której nie można wykorzystać ani zakumulować oddaje się ją do sieci (jeśli system oczywiście jest podłączony do sieci), f) za pomocą portalu internetowego w każdej chwili można monitorować i zarządzać produkcją i zużyciem energii (rys. 7). Rys Działanie zintegrowanego systemu fotowoltaicznego 3w1 - PR30SB-BS/S24 [9] Rys Przykładowe wyniki pomiarów parametrów pracy instalacji via mypowerrouter.com Monitoring parametrów instalacji fotowoltaicznej Systemy monitoringu są obecnie nieodłącznym elementem instalacji fotowoltaicznych. Pomagają utrzymać maksymalną wydajność systemu oraz wskazywać ewentualne usterki już na początkowym etapie działania instalacji. Dzięki temu uniknąć przestojów w produkcji energii elektrycznej. Obecnie dla inwestora nie są istotne tylko sumaryczne dane energetyczne całego systemu, ale również dane chwilowe i bardziej szczegółowe - np. parametry stringów modułów PV. 28

30 Analizowana instalacja fotowoltaiczna została wyposażona w system monitoringu Solar-LogTM. System ten umożliwia: - monitorowanie aktualnej produkcji energii, - monitorowanie prędkość wiatru, - monitorowanie temperatury zewnętrznej otoczenia i temperatury modułów, - monitorowanie napromieniowania słonecznego, - monitorowanie zużytej energii spoza systemu z własnej produkcji, - monitorowanie wzrostu wydajności skumulowanej oraz jej zaplanowaną wartość, - monitorowanie energii oddawanej przez instalacje po stronie AC inwertera, - monitorowanie i analiza produkcji energii dla wybranego okresu, - monitorowanie maks. wydajności i zaplanowanej produkcji w wybranym okresie, - monitorowanie stosunku zaplanowanej produkcji do faktycznej, - monitoring parametrów na zdalnym komputerze oraz urządzeniach mobilnych, - monitorowanie stringów modułów PV. Rys Wykorzystany w instalacji Solar-Log300 oraz przykładowe wyniki pomiarów [10] Po zarejestrowaniu swojego urządzenia typu Solar-Log i podłączeniu go do Internetu można się zalogować na do swojego systemu układu pomiarowego i mieć dostęp bieżących oraz wstecznych danych instalacji fotowoltaicznej. Przykład zarejestrowanych danych instalacji fotowoltaicznej zlokalizowanej na WIM - UTP w Bydgoszczy przedstawiono na rysunku 2.8. Weryfikacja jakości modułów fotowoltaicznych Na WIM UTP w Bydgoszczy funkcjonuje również stanowisko do badań modułów fotowoltaicznych (Rys. 2.9). W skład wyposażenia stanowiska wchodzi: badany moduł fotowoltaiczny, inwerter o mocy ciągłej 1,5kW z wbudowaną ładowarką sieciową, akumulatory żelowe 12V/100 Ah (2szt.), układ pomiarowy, obciążenie rezystancyjne do badania ogniwa oraz komputer PC. 29

31 Rys Budowa stanowiska badawczego [4, 5] Powyższe elementy tworzą na stanowisku instalację fotowoltaiczną typu off-grid z możliwością doładowywania akumulatorów z sieci energetycznej. Inwerter może pracować w dwóch trybach. W pierwszym moduł PV doładowuje akumulator i zasila jednocześnie przetwornice. W drugim przypadku inwerter działa jak UPS czyli awaryjne źródło zasilania. Bezpośrednio do inwertera można podłączyć odbiornik przy pomocy typowego gniazda wtykowego 230V~. Do instalacji podłączony jest system monitorujący parametry pracy. System ten został zaprojektowany i wykonany od podstaw. W jego skład wchodzi (Rys. 2.10): -piranometr w którym w roli sensora zastosowana została fotodioda BPW34 ze względu na liniową charakterystykę irradiacja-fotoprąd, -woltomierze do pomiaru napięcia na ogniwie oraz akumulatorach, -amperomierze do pomiaru prądu ogniwa i akumulatora. Rys Schemat blokowy instalacji [4, 5] 30

32 Pomiar prądu akumulatora ze względu na znaczne jego wartości odbywa się pośrednio przy pomocy czujnika Halla. Wszystkie mierzone parametry pracy instalacji to: napięcie na ogniwie PV w zakresie V (rozdzielczość 0,1 V, +/- 5%), prąd ogniwa PV w zakresie 0-10 A (rozdzielczość 0,01 A,+/-5%), napięcie akumulatora w zakresie V (rozdzielczość 0,1 V, +/- 5%) prądu akumulatora w zakresie do 100 A (-100 do -0,5 / +0,5 do +100, +/-5%), moc pobierana z ogniwa PV oraz akumulatora, temperatura ogniwa PV (-55 C do +125 C, rozdzielczość 0,5 ), energia promieniowania słonecznego w zakresie W/m 2 (rozdzielczość 2 W/m 2, +/-5%). Wszystkie mierzone parametry są przetwarzane na postać cyfrową i wyświetlane na wyświetlaczu LCD. Dodatkowo układ umożliwia przesyłanie danych do komputera PC. Dane te są automatycznie wstawiane do arkusza kalkulacyjnego Excel w celu ich późniejszej analizy i przygotowania wykresów. Jako że stanowisko ma służyć również do badania samych ogniw fotowoltaicznych zostało wyposażone w zmienne obciążenie rezystancyjne. Aby ograniczyć koszty wykonano obciążenie w dość niekonwencjonalny sposób. Zbudowane zostało z trzydziestu rezystorów o rezystancji 0,3 Ω w formie drabinki oraz trzydziestu tranzystorów MOSFET o rezystancji przewodzenia 0,1 Ω. Konstrukcja taka umożliwia zmianę rezystancji w zakresie od 0,4 Ω do 9,1 Ω. Zmiana odbywa się za pomocą przycisków na panelu obok wyświetlacza LCD. Informacja o aktualnie ustawionym oporze jest również przesyłana do komputera. Zastosowane moce rezystorów pozwalają na wyznaczanie charakterystyk paneli o wartości prądu mocy maksymalnej Imp do 6 A. Umożliwia to wyznaczanie charakterystyk prądowonapięciowych przy różnych kątach pochylenia ogniwa i różnych wartościach promieniowania słonecznego. Przykład wykresu charakterystyk dla badanego modułu fotowoltaicznego przedstawiono na rysunku Rys Przykład charakterystyki modułu fotowoltaicznego [4, 5] 31

33 Oprócz badań charakterystyk modułów możliwa jest również analiza wpływu zacieniania na efektywność badanego modułu. Podgrzewanie wody z wykorzystaniem fotowltaiki Instalacje fotowltaiczne są coraz cześciej wykorzystywane do podgrzwania ciepłej wody użytkowej. Instalacje tego typu składają się z elektrycznego podgrzewacza wody o pojemności np. 100 l oraz zasilających podgrzewacz modułów fotowoltaicznych o mocy powyżej 1 kw. Instalacja pokazowa w tym zakresie została wykonana w Laboratorium Odnawialnych Źródeł Energii na WIM UTP w Bydgoszczy. Zastosowany w instalacji laboratoryjnej podgrzewacz wody pracuje na zasadzie dwóch oddzielnych obwodów elektrycznych. Pierwszy z nich jest podłączony do energii elektrycznej z sieci (AC 230V), zaś drugi do ekologicznie czystej energii elektrycznej z modułów fotowoltaicznych o mocy 1 kw. Obydwa obwody mogą pracować jednocześnie lub każdy z nich oddzielnie. Ideę pracy tego podgrzewacza przedstawiono na rysunku Rys Idea działania podgrzewacza zastosowanego w instalacji laboratoryjnej W modułach fotowoltaicznych następuje konwersja energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną, która wykorzystywana jest do zasilania jednego z elementów grzewczych. Drugi z elementów grzewczych w zbiorniku wody połączono z siecią energetyczną. W zależności od potrzeb grzałki mogą pracować i ogrzewać wodę razem lub każda oddzielnie. Rys Elektryczny podgrzewacz wody LX ACDC a) widok podgrzewacza w laboratorium, b) budowa podgrzewacza 32

34 Zastosowany na stanowisku podgrzewacz wody LX ACDC o pojemności 100 l wyposażony jest w grzałkę elektryczną oraz dwa termostaty pozwalające na sterowanie pracą podgrzewacza. Na rysunku przedstawiono podgrzewacz wraz z elementami jego budowy. Jak podano w katalogach producenta pojemność zbiornika wody powinna pokryć zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową dla 3-osobowej rodziny. Ważny element w konstrukcji podgrzewacza stanowi umieszczony z przodu panel sterowania. Umożliwia on ustawienie dowolnej konfiguracji podgrzewu wody za pomocą włączników termostatów. Takie rozwiązanie pozwala na pracę urządzenia w trzech różnych wariantach: podgrzewanie wody wykorzystując tylko energię elektryczną z PV, podgrzewanie wody energią elektryczną tylko z sieci oraz podgrzewanie wody wykorzystując zarówno energię z sieci jak i z modułów. O wybranym trybie pracy informują znajdujące się obok włączników kontrolki. Wnioski Olbrzymi postęp w technologii modułów i systemów fotowoltaicznych, a także funkcjonujące w Europie systemy wsparcia, wskazują, że źródła fotowoltaiczne mogą mieć w niedalekiej przyszłości znaczny udział w globalnej produkcji energii elektrycznej, co miałoby istotny wpływ na ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, a zatem na poprawę stanu środowiska naturalnego. Powoli stabilizuje się rynek instalacji fotowoltaicznych w Polsce. Stabilizacji ulegają przede wszystkim ceny układów PV. Poniżej przedstawiono średnie ceny netto ze względu na elementy typowego systemu PV. Rys Średnie ceny netto ze względu na elementy typowego systemu PV za rok 2014 Dzięki zastosowanemu systemowi typu PowerRouter maksymalnie udało się zoptymalizować wykorzystanie energii elektrycznej. PowerRouter w zależności od sytuacji "decyduje" czy zużywać energię na bieżąco, oddawać ją do sieci czy też magazynować w akumulatorach. Do urządzenia można bezpośrednio podłączyć odbiorniki, sieć zewnętrzną, panele fotowoltaiczne oraz akumulatory. PowerRouter można podłączyć do Internetu, aby uzyskać podgląd na wszystkie parametry systemu 33

35 (np. uzyski systemu fotowoltaicznego, pobór energii, wydajność, poziom naładowania akumulatorów). PowerRouter można zdalnie aktualizować w zakresie oprogramowania i funkcji. Można także dokonywać zmian podczas pracy całego systemu. Dotychczasowa praca z układem monitorującym Solar-LogTM pozwoliła bardzo efektywnie zarządzać analizowaną instalacją fotowoltaiczną na WIM UTP w Bydgoszczy. Zamiast kilku systemów monitoringu, Solar-LogTM oferuje jedno rozwiązanie, niezależnie od marki stosowanych inwerterów. Współczesne systemy monitorujące pozwalają wykryć źródło problemu i szybko naprawić usterkę. Jest to możliwe dzięki ciągłej komunikacji pomiędzy np. Solar-LogTM i inwerterem (lub inwerterami dla dużych instalacji), podczas której są one badane pod kątem nieprawidłowości. O ewentualnych odchyleniach system powiadamia poprzez SMS lub . Takie rozwiązanie pozwala błyskawicznie wyeliminować problemy. Zaproponowane mobilne stanowisko do badań efektywności modułów fotowoltaicznych jest przykładem próby rozwiązania problemu badań modułów w warunkach rzeczywistych. Realizowane badania umożliwiają porównywanie modułów oferowanych na rynku nie tylko z punktu widzenia ich mocy szczytowej podawanej na tabliczce znamionowej. Również w województwie kujawsko-pomorskim można wskazać przykład dobrych praktyk w zakresie produkcji nowoczesnych modułów fotowoltaicznych. Firma FreeVol tworząca spółkę z firmą Hanplast wprowadzają na rynek nową generację wysokowydajnych modułów fotowoltaicznych wytwarzanych na bazie rewolucyjnej koncepcji technologii SmartWire firmy Meyer Burger, zastępującej klasyczną technologię bus bar. W tym celu w Bydgoskim Parku Technologicznym powstała nowa fabryka modułów. Linia została zainstalowana w nowoczesnej hali o powierzchni ponad 6000 m 2. Produkcja będzie całkowicie zautomatyzowana, a szacowana moc wytwórcza to 85 MWp w skali roku. Ze względu na doświadczenie szwajcarska Grupa Technologiczna, Meyer Burger Technology LTd, będzie preferowanym dostawcą technologii. Zakłada się, iż produkcja i sprzedaż tych innowacyjnych modułów PV ustanowi zupełnie nowe standardy na globalnym rynku fotowoltaiki. Ulepszone zestawienie komponentów, wysoce zautomatyzowany proces produkcyjny oraz liczne innowacje w technologii SmartWire w powiązaniu z ogniwami słonecznymi nowej generacji przełamią ograniczenia istniejącej technologii bus bar. Możliwości produkcyjne będą w 80% przeznaczone na rynki zagraniczne, natomiast 20% będzie zaspokajać potrzeby rodzimej branży OZE. Powstanie fabryki wiąże się z utworzeniem nowych miejsc pracy w województwie kujawsko-pomorskim. Rys Fabryka modułów PV w w Bydgoskim Parku Technologicznym [ 34

36 Rys Wydajnos c nowych modułów będzie w 100% wprost proporcjonalna do sumarycznej wydajnos ci pojedynczych ogniw dzie ki zastosowaniu nowej architektury matrycy: z lewej rozwiązanie klasyczne z prawej stosowane przez firmę Freevolt [ Wydajnos c modułu klasycznego opartego na technologii na elektrodach przewodzących ( bus bars ) w praktyce nie jest w 100% wprost proporcjonalna do wydajnos ci indywidualnych ogniw poła czonych szeregowo w matryce elektryczna. Straty konwersji ogniw w moduł sa na poziomie około 3 5 %. Dodatkowo ge stos c siatki poła czen, która odpowiada za transport elektronów w ogniwie jest w tej technologii nawet przy trzech elektrodach przewodzących na poziomie maksymalnie 165 punktów w pojedynczym ogniwie, co nie jest wystarczaja ce w przypadku bardzo wydajnych ogniw nowej generacji, jak np. ogniwa typu wielozłączowego (HIT). W wypadku modułów oferowanych przez formę Freevolt wydajnos c modułu jest w 100% wprost proporcjonalna do sumarycznej wydajnos ci pojedynczych ogniw dzie ki zastosowaniu nowej architektury matrycy fotoelektrycznej. Jest to zwia zane przede wszystkim z wysoka odpornos cia na mikro uszkodzenia, niz sza rezystencja elektryczna i wyz sza absorpcja s wiatła przez matryce, co niweluje pozostałe straty zwia zane z procesem konwersji ogniw w moduł. Dodatkowo ge stos c siatki poła czen, która odpowiada za transport elektronów w ogniwie jest w tej technologii 12-krotnie wyz sza, czyli na poziomie 2000 punktów w pojedynczym ogniwie. Z ywotnos c modułów wykonanych w tradycyjnej technologii jest drastycznie ograniczana przez mikro pe knie cia w strukturze ogniw krzemowych. TUV Rehainland wymienia mikro pe knie cia jako wade nr 1 ws ród zaobserwowanych problemów jakos ciowych w farmach fotowoltaicznych zlokalizowanych w Niemczech. Tradycyjna architektura modułu oparta na elektrodach przewodzących typu bus bar powoduje, że mikro pe knie cie znajduja ce sie tylko w 1 z 60 ogniw ma negatywny wpływ na produkcje energii przez pozostałe nie wadliwe ogniwa, a w konsekwencji moduł z takimi wadami wpływa negatywnie na wszystkie inne moduły w systemie z którymi jest poła czony szeregowo. Mikrope knie cia sa najcze s ciej skutkiem bardzo wysokich temperatur stosowanych w samej produkcji ogniw, gdzie temperatury sięgają nawet 800 stopni Celsjusza, a także na późniejszym etapie lutowania ogniw w procesie produkcyjnym, gdzie sięgają powyz ej 280 stopni Celsjusza. W technologii oferowanej przez firmę Freevolt zmniejszono wpływ mikro pe knie c na działanie całego modułu do poziomu praktycznie niezauważalnego. Przede wszystkim duz o niz sza temperatura procesu produkcji: około 140 stopni Celsjusza, w której naste puje adhezja sieci miedzianych mikrowłókien z powierzchnia ogniw, minimalizuje stres termalny i tym samym pe kanie krzemu. Natomiast w przypadkach kiedy ogniwa w procesie produkcjii sa juz pęknięte, wówczas ich wszystkie fragmenty sa nadal w 100% aktywna cze s cia matrycy bez negatywnego wpływu na pozostałe z ogniw znajduja cych sie w module. Jest to moz liwe jedynie dzie ki innowacyjnej architekturze matrycy i 35

37 ła cza cej ja sieci mikrowłókien. W rezultacie panele wykonane w tej technologii wykazują żywotność dłuz sza od modułów wykonanych w tradycyjnej technologii typu bus bar. W zależności od geolokalizacji, ka ta nachylenia i temperatur panujących w danej lokalizacji standardowe moduły PV produkują okres loną ilos c kwh z zainstalowanego kwp. Natomiast wiele czynników znacznie ogranicza produkcję pra du w warunkach rzeczywistych, z czego najwie kszym problemem jest cien padaja cy na panel PV, który podobnie do opisanych wczes niej pe knie c obniz a wydajność nie tylko jednego modułu, ale wszystkich innych poła czonych z nim szeregowo. W tradycyjnych modułach PV zależność szeregowa ogniw w matrycy elektrycznej jest ograniczona do maksymalnie 3 stref które mogą działać niezależnie. Kiedy cień pada na moduł, wówczas ogniwa połączone szeregowo w jednej z tych stref tracą równocześnie tyle samo mocy ile traci z powodu zacienienia tylko jedno z ogniw. Dlatego standardowe moduły słabo takz e radza sobie z konwersją s wiatła słonecznego na pra d elektryczny we wczesnych godzinach porannych i późnym popołudniem, kiedy mają do czynienia z tzw. s wiatłem rozproszonym. Rys Różnice w zakresie ilości stref w różnych typach modułów PV: z lewej rozwiązanie klasyczne - z prawej stosowane przez firmę Freevolt [ Nowa technologia pozwala na uzyskanie ponad 10% wie cej kwh z kaz dego kwp dzie ki lepszej reakcji matrycy SmartWire na s wiatło rozproszone oraz małej wraz liwos ci tej innowacyjnej matrycy na cien padaja cy na nia. Poła czenie pojedynczych ogniw siecia mikrowłókien powoduje, z e producent ma moz liwos c takiego zaprojektowania poła czen w matrycy fotoelektrycznej wewna trz modułu, aby jego wraz liwos c na padaja cy cien była minimalna. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu mniejszych stref zależności szeregowych pomiędzy ogniwami, których w tej innowacyjnej matrycy może być aż do 300% więcej Wówczas strata na produkcji pra du ogranicza sie do niewielkiego obszaru w pobliz u zacienionego miejsca, a nie do całej powierzchni aktywnej modułu. Warto też zauważyć, że okra gły kształt włókien powoduje dodatkowe odbijanie sie s wiatła i jego wyz sza absorpcje przez moduł niż w tradycyjnych płaskich wstążkach połączeniowych. Bibliografia [1] PLUTA Z.: Słoneczne instalacje energetyczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa [2] WACŁAWEK M., RODZIEWICZ T.: Ogniwa słoneczne - wpływ środowiska naturalnego na ich pracę. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa [3] SZYMAŃSKI B.: Instalacje Fotowoltaiczne. Wydanie II. Wydawnictwo Geosystem Burek, Kotyza s.c., Kraków [4] SKIBOWSKI M., MROZIŃSKI A.: Badanie efektywności działania modułów fotowoltaicznych do wytwarzania odnawialnej energii elektrycznej. Zbiór rozpraw pod redakcją J.K. Garbacza: Diagnozowanie stanu technicznego środowiska, Metody badawcze - prognozy, Prace komisji ekologii i ochrony środowiska BTN, tom VI, Bydgoszcz 2012, str

38 [5] MROZIŃSKI A., SKIBOWSKI M.: Badanie efektywności modułów fotowoltaicznych. Rozdział w monografii pt. V Eko-Euro-Energia Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii pod redakcją A. Mrozińskiego, Wydawnictwo Fundacji Rozwoju Mechatroniki, ISBN , Bydgoszcz 2012, str [6] MROZIŃSKI A.: Recykling ogniw fotowoltaicznych. Inżynieria i Aparatura Chemiczna, Nr 5/2010, Vol. 49 (41), str [7] LEWANDOWSKI W.M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa [8] EurObserv ER: [9] [10] Materiały techniczne systemu fotowoltaicznego 3w1 - PR30SB-BS/S24. [11] Materiały techniczne układu monitorującego Solar-LogTM

39 III. INSTALACJE DO AGLOMEROWANIA BIOMASY - BRYKIET Wprowadzenie Brykieciarki hydrauliczne są najbardziej popularną grupą urządzeń do aglomeracji biomasy. Dzięki zastosowaniu zasilaczy hydraulicznych, matryc i siłowników w brykieciarkach hydraulicznych, można uzyskać przy jego otrzymywaniu bardzo szeroką skalę kształtów brykietu oraz wydajności. Wydajności rozpoczynają się już od kilkudziesięciu, a kończą na kilkuset kg/h. Parametr ten uzależniony jest również od właściwości (frakcji surowca, wilgotności, ciężaru właściwego). Brykieciarki te w zestawieniu z innymi charakteryzują się cichą pracą, niskim ciężarem, płynnością oraz sterowalnością procesu aglomeracji biomasy jak również niskim stopniem zużycia elementów roboczych. Zastosowanie układu hydraulicznego pozwala regulować stopień sprasowania brykietu [3, 4]. Charakterystyczną cechą pracy brykieciarki hydraulicznej jest także powtarzalność pracy układu hydraulicznego. W badanym na UTP w Bydgoszczy modelu brykieciarki APT 35 firmy Alchemik zastosowany został oprócz pompy zębatej dodatkowy zawór hydrauliczny, którego zadaniem jest przekierowanie oleju bezpośrednio na zlew pompy, gdy nie ma wykonywanej pracy przez żaden z cylindrów hydraulicznych. Takie rozwiązanie zabezpiecza cały układ przed nadmiernym obciążeniem i nadmiernym grzaniem, ponieważ w przypadku braku dodatkowego zaworu przy bezruchu maszyny, pompa podaje maksymalne ciśnienie na siłownik, który wykonuje ostatni ruch roboczy [4, 8]. Zastosowanie tego rozwiązania pozwala dodatkowo na stosowanie dużo mniejszych mocy zainstalowanych, ponieważ rozruch pompy odbywa się bez oporów, gdyż w momencie rozruchu cały strumień oleju omija cylindry i blok zaworowy. Jest to szczególnie korzystne w przypadku niskich temperatur zewnętrznych, gdy olej jest zimny i ma większą gęstość [4]. Brykiet jako biopaliwo Brykiet drzewny produkowany jest z rozdrobnionych odpadów drzewnych takich jak trociny, wióry czy zrębki, które są sprasowywane pod wysokim ciśnieniem bez dodatku substancji klejących. Niska zawartość wilgoci sprawia, że wartość opałowa brykietów jest wyższa niż drewna. Dzięki dużemu zagęszczeniu materiału w stosunku do objętości, proces spalania jest stopniowy i powolny. Brykiet drzewny ma najczęściej kształt walca lub kostki. Technologia produkcji brykietów drzewnych była już stosowana przed II wojną światową w Szwajcarii, jednak produkcja na skalę przemysłową rozwinęła się dopiero w latach osiemdziesiątych XX wieku. Surowcem do produkcji brykietu z biomasy może być każdy rodzaj rośliny lub odpadów pochodzenia roślinnego. Największe znaczenie gospodarcze i największą wartość handlową mają brykiety produkowane z drewna, chociaż jego kaloryczność nie jest najwyższa (ok. 18MJ/kg). Wyższą kaloryczność ma brykiet wyprodukowany ze słomy rzepakowej o wilgotności nie przekraczającej 15% - ok. 19MJ/kg. Do przerobu nadają się praktycznie wszystkie rodzaje drewna i odpadów drzewnych, w tym zrębki i trociny. Brykietowanie następuje w prasach mechanicznych lub hydraulicznych bez stosowania żadnych substancji wiążących. O kształcie otrzymywanego brykietu decyduje rodzaj zastosowanej prasy brykietującej. Linie do produkcji brykietu zarówno mechaniczne, jak i hydrauliczne, oferowane są przez producentów krajowych i zagranicznych. 38

40 Na rynku najczęściej spotykane są brykiety w kształcie walca o średnicy do 8 cm. Wynika to z rodzaju posiadanych brykieciarek przez najliczniejszą grupę producentów. Brykiety tego typu stosowane są zwykle do spalania w kotłach. Ich długość waha się pomiędzy 4 a 20 cm. Brykiet w kształcie walca o średnicy 50 lub 53 mm (produkowany w maszynach starszych typów). Ten rodzaj brykietu produkowany jest w brykieciarkach mechanicznych. Długość brykietu jest niejednolita i wynosi od kilku do kilkunastu centymetrów, a podstawa walca jest nieregularna. Brykiet w kształcie walca o średnicy 30 do 80 mm, o regularnej bryle i długości zwykle kilka do kilkunastu centymetrów. Brykiet taki powstaje poprzez sprasowanie określonej porcji surowca w brykieciarce hydraulicznej. Jako brykiet kominkowy często stosuje się brykiet w kształcie kostki, który jest mniej popularny ze względu na wyższe koszty wytworzenia a także na brak możliwości zastosowania w kotłach z automatycznym podawaniem brykietu. Można spotkać również brykiety w kształcie wielokąta. Spotykamy tu brykiety o przekroju kwadratu o boku 7 do 10 cm lub zbliżone w wymiarach brykiety sześcio- czy ośmiokątne o długościach cm. Są to najczęściej brykiety bardzo zwarte o dużej gęstości. Waga takiego brykietu przekracza z reguły kilogram. Pewną ich odmianą są brykiety z otworem w środku, wytwarzane na brykieciarkach ślimakowych typu Pini- Kay, zwykle o nieco mniejszym przekroju od 5,5 do 7 cm. Metody brykietowania Brykietowanie jest procesem, w którym materiał o odpowiednich cechach poddawany jest działaniu dużego ciśnienia, czasem i wysokiej temperatury. Podwyższona temperatura w materiałach linnocelulozowych (drewno, słoma itp.), powoduje częściową hydrolizę hemicelulozy oraz dekrystalizację celulozy, co powoduje uplastycznienie cząstek materiału. Na skutek oddziaływania tych czynników spotęgowane zostają siły wiążące międzycząsteczkowe działające między zewnętrznymi warstwami łączonych ziaren. Po ustaniu działania wysokiego ciśnienia materiał zachowuje swoje nowe cechy (kształt, ciężar właściwy, własności mechaniczne). W procesie prasowania materiałów roślinnych występują znane typy wiązań fizykochemicznych. Podczas tworzenia się brykietu występują w nim następujące siły: - przyciągania między cząstkami ciał stałych, - powierzchniowe, na granicy rozdziału fazy stałej i ciekłej, - adhezyjne, powstające w warstwie adsorpcyjnej, - spójności, przejawiające się w tworzeniu mostków, występujące przy spiekaniu, zatężaniu środka wiążącego, stapianiu i krystalizacji rozpuszczonych substancji. Ze względu na sposób przebiegu procesu zagęszczania możemy wyróżnić następujące metody brykietowania (rys. 3.1): a) Ciągłą materiał jest podawany i prasowany w płynny oraz ciągły sposób. Takie cechy posiada brykietowanie np. za pomocą ślimaka. Narzędzie to wykonując ruch obrotowy wymusza przemieszczanie się surowca wzdłuż swoich wrębów i dalej przez otwartą komorę, w której na skutek napotkanych oporów zachodzi proces zagęszczania. b) Impulsową materiał jest dawkowany i prasowany w niewielkich porcjach w tempie pracy narzędzia prasującego. Zatem proces zagęszczania materiału odbywa się okresowo, a budowa powstałego w nim brykietu przyjmuję 39

41 warstwową strukturę. Metoda ta znajduje zastosowanie w brykieciarkach stemplowych i rotacyjnych. c) Jednofazową odpowiednia ilość materiału, w jednej operacji, poddawana jest procesowi prasowania, aż do momentu uzyskania gotowego brykietu. Znajduje ona zastosowanie w prasach stemplowych hydraulicznych. d) Kilkufazową jest to rozbudowana idea prasowania jednofazowego. Dochodzi do niej jedna lub więcej faz samego prasowania. Obrazowym przykładem jej zastosowania jest złomowanie (tzw. pakietowanie) karoserii samochodowych na prasach hydraulicznych. Brykieciarka walcowa Rys Uproszczony schemat poszczególnych metod brykietowania [2, 5] Brykieciarki tego typu charakteryzuje wysokie ciśnienie prasowania, duża wydajność (liczona w tonach na godzinę) i sprawność, a także odporność na zużycie narzędzi. Urządzenia tego typu znalazły zastosowanie przy masowym prasowaniu materiałów drobnoziarnistych o właściwościach ściernych. Najczęściej są to materiały pochodzenia górniczego występujące w dużych ilościach, takie jak rudy i koncentraty metali, miał, szlam i pył węglowy. Ze względu na słabe właściwości wiążące tych materiałów i krótki czas zagęszczania, w celu łatwiejszego ich brykietowania, dodaje się do nich często lepiszcze najczęściej w postaci materiałów pochodzenia roślinnego. W prasach walcowych materiał jest zagęszczany w sposób ciągły między dwoma synchronicznie i przeciwbieżnie obracającymi się walcami. Dozowanie materiału między walce odbywa się również w sposób ciągły, najczęściej za pomocą urządzenia ślimakowego, gdzie następuje także wstępne zagęszczenie materiału. Rys Zasada działania brykieciarki rotacyjnej-walcowej: 1 - mechanizm podawania, 2 - komora wstępnego zagęszczania, 3 - walec prasujący [2, 5] 40

42 Rys Przykłady elementów roboczych i kształtów brykietów uzyskanych z brykieciarki walcowej: a - kształt kropli, b - kształt siodła [5] Brykieciarka ślimakowa Brykieciarka typu ślimakowego prasuje rozdrobniony materiał w sposób ciągły, pod ciśnieniem przekraczającym 100 MPa i w temperaturach nierzadko przekraczających 200 o C. Duże siły tarcia i temperatury pracy wymuszają zastosowanie na narzędzia bardzo wytrzymałych i odpornych na ścieranie i temperaturę materiałów (rys. 3.4 i 3.5). W prasach tych powstają brykiety o najróżniejszych przekrojach, najczęściej okrągłych, ale i sześciu- i ośmiokątnych, z otworem w środku. Ich średnica oscyluje wokół 60 mm, a długość jest regulowana przez cięcie bądź łamanie. Ślimak wykonując ruch obrotowy wymusza ruch surowca wzdłuż swoich wrębów, przez wszystkie strefy w stronę otwartej komory prasującej. Na skutek napotkanych oporów rośnie ciśnienie i temperatura (często wspomagana ciepłem płynącym od grzałek) w wyniku czego zachodzi proces brykietowania. Rys Schemat ideowy brykieciarki ślimakowej: 1 - układ łożyskowania, 2 - komora podająca, 3- ślimak podający, 4 komora zagęszczająca, 5 - ślimak prasujący, 6 grzałka [2, 5] Charakterystyka pracy ślimaka, przy dużych ciśnieniach, powoduje powstawanie bardzo dużych sił tarcia wewnątrz materiału jak i o powierzchnie narzędzi. 41

43 Rys Zasada działania brykieciarki ślimakowej: a - strefa podawania i odpowietrzania, b - strefa zagęszczania, c - strefa wstępnego prasowania, d - strefa brykietowania [2, 5] Brykieciarka rotacyjna - granulator Maszyny tego typu wytwarzają brykiet w postaci tzw. pelletów (granulek) o średnicy od kilku do 25 mm. Technologia ta chętnie wykorzystywana jest do wytwarzania zgranulowanych pasz roślinnych, ale i doskonale sprawdza się przy prasowaniu drobno rozdrobnionych materiałów lignocelulozowych. Wymaga jednak bardzo dokładnego rozdrobnienia materiału, w którym nie mogą występować żadne zanieczyszczenia. Zasada działania pras rotacyjnych polega na cyklicznym przetłaczaniu, rolkami prasującymi, rozdrobnionego materiału przez szereg cylindrycznych otworów wykonanych w matrycy (pierścieniowej bądź płaskiej). Materiał wciskany w przelotowe otwory napotyka na opór, w postaci tarcia, skutkiem czego jest powstawanie ciśnienia i ciepła potrzebnego w procesie brykietowania. Rys Zasada działania granulatora z matrycą pierścieniową: 1 - matryca, 2 - rolka prasująca, 3 - komora prasująca [2, 5] Brykieciarka tłokowa Brykieciarki tego typu wytwarzają brykiet cylindryczny o ciągłej strukturze. Długość może być regulowana dodatkowymi elementami tnącymi. Prasy te działają w wyniku pulsacyjnego oddziaływania tłoczyska na surowiec. Duża częstotliwość obrotów koła zamachowego ( obrotów na minutę) zmusza do solidnego mocowania brykieciarki w celu eliminacji skutków wibracji. Odporne na wstrząsy korpusy wpływają na ich wielkość i masę urządzenia. Wydajności tych maszyn mieszczą się w zakresie od kilkuset do paru tysięcy kg/h. 42

44 Ze względu na sposób wytwarzania powstały brykiet posiada warstwową strukturę, gdzie grubość poszczególnych warstw uzależniona od rodzaju prasowanego materiału i wynosi od kilku do kilkunastu milimetrów. Materiał podawany jest i wstępnie zagęszczany w sposób ciągły, przez śrubowy mechanizm podający, następnie surowiec jest wybierany i przesuwany cyklicznie, przez stempel prasujący w stronę komory prasującej. Stempel ten pracuje z dużą częstotliwością ( cykli na minutę) ruchem posuwisto-zwrotnym poprzez mechanizm korbowodowy napędzany z silnika elektrycznego. Na osi wału dla zwiększenia momentu pracy umieszczone jest koło zamachowe. W tulei stożkowej materiał, z każdym uderzeniem stempla przesuwany jest skokowo. Na skutek działania wysokiego ciśnienia i dużych sił wytwarza się temperatura dochodząca do 150ºC. Po wyjściu brykietu z komory prasującej jest on kierowany do specjalnych kilku lub kilkunastometrowych prowadnic. Rys Schemat ideowy brykieciarki mechanicznej tłokowej (stemplowej): 1 - mechanizm korbowodowy lub mimośrodowy, 2 - prowadzenie suwaka, 3 - stempel prasujący, 4 - mechanizm podający, 5 - komora wstępnego zagęszczania, 6 - komora prasująca [2, 5] Brykieciarka hydrauliczna Najbardziej popularny typ brykieciarek hydraulicznych to tzw. brykieciarki szczękowe z otwartą komorą prasowania, w której ścianę do powstania nowego brykietu stanowi poprzedni brykiet zamykany przez siłownik lub śrubę w tulei dwupołówkowej zwanej popularnie szczękami. W zależności od zastosowanych zasilaczy hydraulicznych, siłowników i matryc w brykieciarkach hydraulicznych można uzyskać szeroki wachlarz wydajności i kształtów brykietu. Zaczynają się one od kilkudziesięciu a kończąc na kilkuset kg/h. Wydajność uzależniona jest również od właściwości prasowanego materiału (wilgotność, rozdrobnienie, ciężar właściwy). Brykieciarki te w porównaniu z innymi charakteryzują się względnie małą wagą, cichą pracą a przede wszystkim płynnością i sterowalnością procesu brykietowania oraz dużo niższym zużyciem elementów roboczych i przede wszystkim energii elektrycznej przez eliminację tarcia z procesu zagęszczania. Zastosowanie układu hydraulicznego pozwala regulować stopień sprasowania brykietu. Zasada działania brykieciarek hydraulicznych polega na tym, że mechanizm podający napełnia komorę prasowania materiałem,siłownik hydrauliczny zamyka komorę i wstępnie zagęszcza surowiec. Następnie większy siłownik hydrauliczny przesuwa stempel prasujący, który z kolei napiera i prasuje materiał znajdujący się w tulei w kierunku poprzednio sprasowanego materiału, po osiągnięciu zakładanego ciśnienia brykietowania siłownik hydrauliczny, mechanizmu regulacji oporu prasowania, pozwala na przepchnięcie brykietowanego materiału w kierunku wylotu w celu zwolnienia miejsca na następną operację prasowania. 43

45 Brykieciarka wykorzystana do badań Rys Brykieciarka typu APTW 100 firmy Alchemik Brykieciarka hydrauliczna APT 35 firmy Alchemik (rys. 3.9), na której realizowane były badania, przeznaczona jest do przemysłowego przerobu rozdrobnionego surowca pochodzenia roślinnego o wilgotności nieprzekraczającej 18%, na brykiet opałowy. Wykorzystana brykieciarka to tzw. brykieciarka szczękowa z otwartą komorą prasowania, ze względu na to, że ścianę do powstania nowego brykietu stanowi poprzedni brykiet, którego ruchy są ograniczone przez śrubę lub tzw. szczęki. Brykieciarka APT 35 przystosowana jest do wytwarzania brykietu w ilości do 30 kg/h. Możliwa jest praca w czasie nie więcej niż 20h na dobę oraz zalecana czystość brykietowanego materiału przez producenta wynosi do 2% popiołu w gotowym produkcie. Rys Zdjęcie poglądowe rozmieszczenia elementów brykieciarki, gdzie: 1 - zbiornik zasypowy połączony z blokiem prasującym; 2 - zasilacz hydrauliczny; 3 - blok prasujący; 4 - układ sterujący (szafa sterująca) 44

46 Urządzenie do aglomeracji biomasy APT 35 składa się z czterech podstawowych elementów roboczych: zasilacza hydraulicznego, bloku prasującego, układu sterowania elektryczno-elektronicznego oraz zbiornika, który połączony jest z blokiem prasującym przez podajnik ślimakowy. Zasilacz hydrauliczny zbudowany jest z dwóch zasadniczych części: zbiornika i nadbudowy. Podstawą jest zbiornik, na którym leży płyta zamykająca należąca do zespołu nadbudowy. Zbiornik wykonany jest w postaci spawanej z blach. W ścianie umieszczony jest olejowskaz. Nadbudowa natomiast jest zespołem realizującym schemat hydrauliczny zasilacza. Podstawą jest płyta zamykająca zbiornik połączona z nim śrubami. Na płycie zamocowany jest zespół napędowy pompa-silnik. Dodatkowo mocowane są na niej elementy osprzętu zasilacza tj. wlew oleju oraz filtr spływowy. Schemat hydrauliczny realizuje blok z aparaturą hydrauliczną. W zespole pompowym występuje silnik, do którego doprowadzona jest bezpośrednio energia o napięciu 410V-50Hz, a rozdzielacze zasilane są energią elektryczną o napięciu 24V. Wielkości charakterystyczne zasilacza hydraulicznego przedstawia tabela 1. Zasilacz wyposażony jest w zespół napędowy pompa-silnik. Olej w układzie tłoczony jest przez pompy zębate, do bloku hydraulicznego. Schemat hydrauliczny realizuje blok z aparaturą hydrauliczną. Nastawianie ciśnienia przeprowadza się za pomocą zaworów przelewowych, a pomiar ciśnienia odbywa się za pomocą przełącznika manometru bezpośrednio na manometrze. Tabela 3.1. Wielkości charakterystyczne zasilacza Pojemność nominalna zbiornika V=267dm 3 Typ pompy Wydatek pompy Maksymalne ciśnienie Moc silnika Napięcie zasilania Napięcie zasilania rozdzielaczy Napięcie zasilania chłodnicy Rodzaj czynnika roboczego Filtracja Nominalna temperatura pracy Zębata - PZ3E-16/ SLg112M-4, producent PZL Wrocław Q1= 16 l/min 160 bar 5,5 kw U=410V-50Hz U=24V U=410V Olej hydrauliczny HV46 10μm 50 C Na przewodzie spływowym zainstalowany został filtr zlewowy. Dodatkowo na zasilaczu zamontowany jest zespół pompowy pracujący z chłodnicą służącą do utrzymania stałej temperatury pracy oleju. W napędzie zastosowano niestarzejący się olej hydrauliczny VG46 z grupy HLP wg DIN cz. 2. Olej powinien mieć klasę czystości 18/15 wg ISO Blok prasujący jest układem mechaniczno - siłowym, który składa się przede wszystkim z siłowników oraz tulei roboczej i jej przedłużenia zwanego szczękami. Pełni funkcję miejsca gdzie odbywa się bezpośrednia aglomeracja materiału sypkiego. Element ten charakteryzuje się jednofazową charakterystyką pracy. Oznacza to, że wcześniej ustalona ilość materiału, w jednej operacji, poddawana jest procesowi aglomeracji, aż do momentu uzyskania gotowej zbrykietowanej biomasy. Tego typu bloki prasujące znajdują głównie zastosowanie w prasach stemplowo hydraulicznych. 45

47 Układ sterujący ma za zadanie sterować i kontrolować cały proces brykietowania oraz zabezpieczać przed przeciążeniami układu hydraulicznego i elektrycznego. Napięcie wejściowe wynosi 380V, a dla zapewnienia należytego bezpieczeństwa, w szafie sterowniczej, napięcie zostało zredukowane do 24V. Funkcję kontrolną nad prawidłowym przebiegiem produkcji sprawuje sterownik SIEMENS S7, który składa się z modułu zasilacza, procesora CPU, modułów wejść/wyjść oraz modułów komunikacyjnych i funkcyjnych. Dodatkowo sterownik posiada wyświetlacz, który informuje o pracy brykieciarki oraz ewentualnych stanach awaryjnych. Stanowisko pomiarowe Podczas przeprowadzania badań procesu aglomeracji biomasy wykorzystany został przyrząd pomiarowy Serviceman Plus SCM firmy PARKER wraz z wyposażeniem (rys. 3.10). Rys Przyrząd pomiarowy Serviceman Plus model SCM firmy PARKER W trakcie badań użyte zostały następujące czujniki: a) Czujnik SCPT (rys. 3.11) z adapterem SCA-1/2-EMA3 do jednoczesnego mierzenia ciśnienia i temperatury, charakteryzuje się solidną konstrukcją ze stali nierdzewnej, dzięki czemu możliwe jest wiele zastosowań w różnych, nieprzyjaznych środowiskach. Czas reakcji pomiaru za pomocą SCPT wynosi 1 ms, dokładność ±0,25% pełnej skali, zakres pomiaru ciśnienia od 0 do 400 bar (czujnik odporny na ciśnienie Pmax=800bar), a zakres pomiaru temperatury oscyluje w granicach od -25 C do 105 C. Rys Czujnik SCPT

48 b) Czujnik SCP (rys. 3.12) służący do pomiaru samego ciśnienia w zakresie od 0 do 400 bar charakteryzuje się kompaktową konstrukcją, przyłączem technologicznym G 1/4 BSPP oraz kolorowym pierścieniem, który informuje w jakim zakresie wykonywany jest pomiar ciśnienia. Rys Czujnik SCP c) Czujnik SCT (rys. 3.13) za którego pomocą możliwy jest pomiar temperatury w zakresie od -25 C do 125 C. Może być używany razem z innymi czujnikami przepływu firmy Parker lub z adapterem portu SCTA-1/4. Dokładność pomiaru wynosi < ± 1% pełnej skali. Rys Czujnik SCT Wszystkie wyżej wymienione czujniki podłączane były do urządzenia pomiarowego Serviceman Plus za pomocą kabla SCK (5 pin) o długości 3 metrów za pośrednictwem przyłącza SpeedCon. Sposób podłączenia do urządzenia czujników, przenośnej pamięci USB oraz kabla USB obrazuje rysunek Rys Sposób podłączenia poszczególnych elementów, gdzie: 1 - kable SCK podłączone do dwóch równoległych wejść, 2 - pamięć przenośna USB (1 GB), 3 - kabel micro-usb, typ A Czujniki zostały podłączone w trzech newralgicznych miejscach brykieciarki. Dwa pierwsze czujniki zostały zainstalowane bezpośrednio do turbinowego miernika przepływu SCFT Sposób podłączenia obrazuje rysunek

49 Rys Sposób podłączenia czujników do turbiny, gdzie: 1 - kable SCK , 2 - czujnik SCP , 3 - czujnik przepływu (60 l/min), 4 - turbinowy miernik przepływu SCFT Zasada działania turbiny jest następująca: koło turbiny jest napędzane przez strumień przepływającego oleju. Tak wytworzone częstotliwości przepływającego medium są przetwarzane przez cyfrowy czujnik. Następnie wynik zostaje przeskalowany na wartość cyfrową, którą można odczytać bezpośrednio z urządzenia. Ze względu na małe opory hydrauliczne wpływy efektów przepływów turbulentnych są kompensowane, więc cały układ pracuje przy znikomych stratach. Oprócz pomiaru ciśnienia, turbina umożliwia precyzyjne określenie wielkości przepływu w urządzeniach hydraulicznych - daje istotny dowód stanu układu hydraulicznego. Przekrój turbiny pokazuje poniższy schemat. Rys Schemat turbinowego miernika przepływu SCFT wraz z wymiarami Turbina charakteryzuje się prostym montażem, sześcioma różnymi zakresami przepływów aż do 750 l/min, czasem reakcji poniżej 50 ms, jest odporna na wysokie ciśnienie (do 480 bar), niskimi oporami przepływu, posiada wbudowane punkty pomiarowe ciśnienia i temperatury oraz cały układ tj. turbinowy miernik przepływu SCFT wraz z czujnikami może pracować w trybie pracy odwrotnej. Trzeci czujnik pomiarowy SCT , za którego pomocą możliwe były pomiary temperatury, został zamontowany w bloku prasującym w miejscu bezpośredniej aglomeracji surowca. Miejsce to jest nieprzypadkowe, ponieważ podczas brykietowania temperatura odgrywa ważną rolę w procesie dekrystalizacji celulozy oraz hydrolizie 48

50 hemicelulozy, co powoduje, że cząstki materiału zostają uplastycznione. Czynniki te potęgują wiążące siły międzycząsteczkowe, które działają między zewnętrznymi warstwami spajanych ziaren. Miejsce i sposób podłączenia czujnika przedstawia rysunek Rys Sposób podłączenia czujnika temperatury do bloku prasującego, gdzie: 1 - przyrząd pomiarowy Serviceman Plus, 2 - czujnik pomiarowy SCT , 3 - gotowy wyrób w postaci brykietu Wszystkie wyniki przeprowadzonych badań zostały odczytane za pomocą oprogramowania komputerowego SensoWin firmy Parker. Program ten pozwala na bezpośrednią komunikację z urządzeniami pomiarowymi serii Serviceman Plus i przetwornicą częstotliwości SCMA-FCU-600. Zmierzone wartości zostają odczytane z pamięci urządzenia, a następnie wysłane do komputera z zainstalowanym oprogramowaniem SensoWin. Dane pomiarowe mogą być odczytywane z przenośnego urządzenia pomiarowego na dwa sposoby: mogą być importowane i przechowywane w pamięci zewnętrznej urządzenia lub mogą być przesyłane bezpośrednio z miernika do komputera w procesie pomiaru i jednocześnie wyświetlane na ekranie w trybie online. Kompletne stanowisko do badania i analizy wyników procesu brykietowania zaprezentowano na rysunku Rys Stanowisko do badania i analizy wyników procesu brykietowania biomasy: 1 - zestaw oprzyrządowania i części dodatkowych firmy Parker, 2 - przyrząd pomiarowy Serviceman Plus, 3 - stanowisko komputerowe wraz z oprogramowaniem SensoWin, 4 - zainstalowany czujnik SCT służący do pomiaru temperatury; 5 - brykieciarka APT 35 firmy Alchemik. 49

51 Wyniki pomiarów Badany układ hydrauliczny wykonuje 10 cykli na minutę. Każdy cykl pracy brykieciarki rozpoczyna się od zerowego ciśnienia, a następnie przy stosunkowo niskim poziomie ciśnienia siłownik pionowy zamyka komorę prasowania. Kiedy układ sterujący otrzyma sygnał z czujnika, że komora prasowania jest zamknięta, główny siłownik poziomy (prasujący) zaczyna przesuwać się do przodu, a siłownik szczękowy zamyka tuleję dwupołówkową stwarzając miejsce oporu nowo prasowanego brykietu. Siłownik poziomy dociska surowiec tak długo, aż brykiet osiągnie wcześniej ustalony poziom twardości. O tym parametrze brykietu decyduje nastawa ciśnienia, która reguluje presostat HED. Ciśnienie prasowania ustala się w zależności od własności brykietowanego materiału. Gdy ciśnienie w układzie wzrośnie do wartości nastawionej na presostacie, siłownik szczękowy zostaje otwarty, a siłownik poziomy wypycha sprasowany brykiet z tulei roboczej do szczęk brykieciarki. Po wypchnięciu brykietu siłownik poziomy i pionowy cofają się do pozycji wyjściowych, a w czasie tego ruchu następuje dozowanie podajnikiem ślimakowym kolejnej partii surowca do komory prasowania. Gdy siłownik poziomy cofnie się, czujnik indukcyjny daje sygnał do sterownika o rozpoczęciu kolejnego cyklu. Cofanie odbywa się na niskim ciśnieniu, ponieważ praca ta nie wymaga dużej siły. Dlatego powstaje różnica pomiędzy nominalną nastawą pompy, a faktycznym ciśnieniem roboczym w układzie, które w wyjątkowych sytuacjach rośnie do wartości nominalnej nastawy pompy. Powoduje to, że silnik elektryczny najczęściej pracuje poniżej wartości prądu znamionowego, co skutkuje niskim zużyciem energii elektrycznej. Wszystkie parametry podczas cykli pracy brykieciarki, począwszy od uruchomienia, rozruch, pracę właściwą, wyłączenie brykieciarki, zostały zarejestrowane za pomocą przyrządów pomiarowych i zapisane w postaci wykresów w programie SensoWin. Poniżej zostały przedstawione przykładowe wyniki tych pomiarów (zestawienie zbiorcze przedstawia tabela 3.2): Wykres zależności przepływu i ciśnienia od czasu pracy brykieciarki (rys. 3.19) - pomiar ten został wykonany za pomocą czujnika SCP oraz czujnika przepływu (60 l/min), które zostały podłączone do turbinowego miernika przepływu SCFT Przeprowadzanie pomiaru przy jednoczesnym podłączeniu dwóch czujników daje bardzo dokładne i wiarygodne wyniki, które podczas analizy można ze sobą porównać na jednym wykresie. Rys Wykres zależności przepływu i ciśnienia od czasu pracy brykieciarki 50

52 Rys Wykres zależności temperatury i ciśnienia od czasu pracy brykieciarki Wykres zależności temperatury i ciśnienia od czasu pracy brykieciarki (rys. 3.20) - pomiar ten został przeprowadzony za pomocą czujnika SCPT podłączonego do turbinowego miernika przepływu SCFT Rys Wykres zależności temperatury i przepływu od czasu pracy brykieciarki Wykres zależności temperatury i przepływu od czasu pracy brykieciarki (rys. 3.21) - pomiar ten został przeprowadzony za pomocą czujnika SCT podłączonego do bloku prasującego oraz czujnika przepływu (60 l/min), który usytuowany został w turbinowym mierniku przepływu SCFT

53 Tabela 3.2. Wielkości charakterystyczne zasilacza. Faza pracy brykieciarki Badany parametr Początek cyklu (brak ruchów siłowników) Ruch siłownika pionowego w dół i pierwsza faza tłoczenia siłownikiem poziomym Ciśnienie [bar] Przepływ [l/min] Temperatura [ C] (punkt pomiarowy) Turbina Blok prasujący ,2 do ,2 Opis Poziom ciśnienia w układzie był efektem pokonywania oporów na magistrali, które było niezbędne dla przesterowania rozdzielaczy. Przepływ i temperatury na stałym poziomie. Ciśnienie w układzie zaczynało płynnie wyrastać do poziomu, który był niezbędny do pokonania oporów siłowników w wyniku wstępnego zagęszczania surowca. Przepływ i temperatury na stałym poziomie. Osiągnięcie maksymalnego poziomu ciśnienia ustawionego na presostacie Powrót siłowników do pozycji wyjściowych Pomiar maksymalnego ciśnienia nastawy pompy 135 do ,2 do , ,2 Maksymalne nastawione ciśnienie pracy było osiągane na krótki odcinek czasu które było niezbędne do końcowego sprasowania surowca. Nastawa presostatu była zależna od rodzaju brykietowanego surowca. W tej fazie przepływ był największy, a temperatury utrzymywały się na stałym poziomie. Ciśnienie w układzie spadało płynnie do momentu powrotu siłowników do pozycji wyjściowych. Przepływ oscylował w granicach 25 l/min, a temperatury się nie zmieniały. Pomiar wymuszony, poziom ciśnienia nie uzyskiwany w czasie normalnej pracy układu, zmierzony po wyłączeniu zaworu kierującego olej na zlew układu. Podsumowanie Badanie oraz projektowanie nowoczesnych linii produkcyjnych małej wydajności do wytwarzania brykietu może okazać się bardzo pomocne do uzyskania wskaźnika "3x20" przez Polskę w zakresie przetwarzania na cele energetyczne biomasy. Indywidualne wytwarzanie brykietu na własne potrzeby może zapewnić nie tylko energetyczną samowystarczalność, ale przede wszystkim, przez wdrażanie i korzystanie z tego rodzaju odnawialnego źródła energii, wpływa na rozwój całego systemu ochrony środowiska, co jest procesem pożądanym. W Polsce obserwowany jest duży wzrost wykorzystania brykietu jako ekologicznego źródła energii do ogrzewania obiektów mieszkalnych. Biorąc pod uwagę wielkość gospodarstw rolnych w Polsce najbardziej rozwojowe wydają się instalacje do wytwarzania brykietu małej i średniej wydajności. Niezbędne jest opracowanie wytycznych w zakresie procesu wytwarzania brykietu w tej skali wydajności. Konieczne 52

54 są również działania optymalizacyjne konstrukcji i parametrów maszyn do brykietowania biomasy. Przedstawiony układ pomiarowy jest innowacyjnym przykładem realizacji zapisów i analizy pracy brykieciarki hydraulicznej. Dzięki niemu możliwe jest np. optymalizowanie parametrów pracy brykieciarki dla różnych rodzajów materiałów biomasy. Bibliografia [1] BUDNY J.: Podstawy produkcji i wykorzystania biomasy do celów energetycznych. Konferencja Eco - Euro - Energia, Bydgoszcz [2] DEMANIUK L., HEJFT R.: Nowe rozwiązania konstrukcyjne brykieciarek do trocin. Zeszyty naukowe Politechniki Białostockiej nr 1/2002. [3] LEWANDOWSKI W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii. Wydanie IV. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa [4] JAKŚ J., PIOTROWSKI A., PIOTROWSKI P.: Instalacje do wytwarzania brykietu i peletu. Rozdział w monografii pt. V Eko-Euro-Energia Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii pod redakcją A. Mrozińskiego, Wydawnictwo Fundacji Rozwoju Mechatroniki, ISBN , Bydgoszcz 2012, str [5] HEJFT R.: Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych. Politechnika Białostocka, Białystok [6] HEJFT R.: Peletowanie i brykietowanie w urządzeniach o niewielkiej wydajności. Czysta energia 6/2008. [7] Materiały i foldery reklamowe firmy WEIMA, PROTECHNIKA, BRIKLIS i ALCHEMIK. [8] Dokumentacja techniczno-ruchowa brykieciarki APT 35firmy Alchemik. [9] - luty

55 IV. INSTALACJE DO AGLOMEROWANIA BIOMASY - PELLET Wprowadzenie Komisja Europejska opublikowała coroczne podsumowanie europejskiego rynku biomasy. Według raportu UE Biopaliwa 2014, produkcja energii grzewczej i elektrycznej z biomasy ma w 2020 roku osiągnąć 45% energii uzyskiwanej z odnawialnych źródeł. Zdaniem autorów sprawozdania, zapotrzebowanie na pellet drzewny w 2015 roku ma osiągnąć 21 milionów ton. Szacuje się, że wartość koniecznego importu pelletu, tylko ze Stanów Zjednoczonych, w roku 2020 przekroczy miliard dolarów. Według szacunków Unii Europejskiej, konsumpcja pelletu drzewnego w roku obecnym osiągnie 20 milionów ton, w porównaniu do 17,5 miliona w roku ubiegłym. Mimo stopniowego wzrostu możliwości produkcyjnych, podaż tego surowca energetycznego wciąż pozostaje daleko w tyle za popytem. W tym roku przewiduje się, że europejska produkcja wyniesie jedynie 12,5 miliona ton, co stanowi zaledwie 62,5% zapotrzebowania na ten surowiec. Największym w Europie konsumentem biomasy w postaci pelletu pozostaje Wielka Brytania. W tym tylko roku zapotrzebowanie na Wyspach wynieść ma 5 milionów ton. Kolejne na liście krajów o największym zużyciu są Włochy, następnie Dania, Niemcy i Szwecja. Wszędzie tam rodzima produkcja musi być wspierana importem. Z raportu wynika, że import pelletu w roku bieżącym utrzyma się na poziomie 7,5 miliona ton, co stanowi 20% wzrost w stosunku do roku ubiegłego. Unia Europejska w 2013 roku najwięcej pelletu sprowadzała ze Stanów Zjednoczonych (2,77 miliona ton), Kanady (1,92 mln ton) i z Rosji (702 tys. ton). Jeśli zaś chodzi o produkcję, to w zestawieniu przodują Niemcy. Szacuje się, że nasz zachodni sąsiad do grudnia wyprodukuje 2,35 milionów ton pelletu drzewnego. Kolejnymi czołowymi producentami są Szwecja, Francja, Łotwa i Austria, a listę zamykają Portugalia i Polska z przewidywaną produkcją na poziomie 600 tysięcy ton. Polska ze względu na swoje warunki naturalne nie może w pełni korzystać z odnawialnej energii wiatrowej, słonecznej czy wodnej, ma jednak ogromny potencjał dla produkcji biomasy. Tereny leśne stanowią niemal 30% terytorium kraju, co stwarza wielkie możliwości dla przemysłu produkującego i wykorzystującego biomasę drzewną. Wykorzystanie biomasy do celów energetycznych zyskuje w Polsce na znaczeniu. Nadal jednak występuje szereg barier dla producentów, utrudniających rozwój tej gałęzi przemysłu. Unijna aktywność w kwestii wsparcia dla produkcji ekologicznych surowców wynika z występujących obecnie zagrożeń dla bezpieczeństwa energetycznego Wspólnoty. Główne problemy dotyczą takich kwestii jak: zmiany klimatyczne i zanieczyszczenie środowiska, ciągle wzrastający popyt na energię przy niewystarczającym poziomie produkcji paliw, a w konsekwencji również z uzależnienia krajów Unii od zewnętrznych dostaw surowców energetycznych. Skutki ekonomiczne zaniedbania tych zagadnień mogłyby być dla UE katastrofalne. Trendy widoczne w tegorocznym raporcie Unii Europejskiej są konsekwencją polityki Unii w odniesieniu do odnawialnych źródeł energii. Strategia zdefiniowana przez Komisję w Horyzoncie 2020 zakłada stopniowy wzrost udziału biomasy w produkcji energii we wszystkich krajach członkowskich. Zgodnie z założeniami programu, w 2020 roku udział biomasy ma stanowić prawie połowę energii produkowanej z surowców odnawialnych. Inwestowanie w odnawialne źródła energii pozwoli znacznie podnieść 54

56 bezpieczeństwo energetyczne Europy i zapewni długofalowe pozytywne skutki ekologiczne i ekonomiczne dla społeczeństw państw Unii. W produkcji pelletów drzewnych w skali światowej dominuje Unia Europejska. Zgodnie z danymi European Bioenergy Outlook 2013, opublikowanymi przez AEBIOM - Europejskie Stowarzyszenie Biomasy, zużycie (pelletów drzewnych) w Unii Europejskiej wyniosło w 2012 roku w przybliżeniu 15,1 miliona ton, w porównaniu do światowego poziomu 22,4 24,5 miliona ton (rys. 4.1) [9, 10, 11]. Produkcja pelletów - tyś. ton Rys Światowa produkcja pelletów w tysiącach ton [9] Produkcja pelletów drzewnych w krajach członkowskich Unii Europejskiej w 2012 roku była równa 10,5 miliona ton (9,5 miliona ton w 2011), co oznacza, że import do Unii wyniósł około 30% całkowitego zużycia. Czterej główni producenci w UE to Niemcy (2,2 miliona ton), Szwecja (1,2 miliona ton), Łotwa (1 milion ton) i Austria (0,9 miliona ton). Wśród pierwszej dziesiątki producentów pelletu znajduje się również Polska (rys. 4.2) [9, 10]. Rys Producenci pelletu w Europie - dane za rok 2013 [10, 11] 55

57 Reasumując, w ciągu ostatnich sześciu lat, zużycie pelletów w EU wzrosło ponad 3-krotnie (z 4,6 mln ton w 2006 r. do 14,3 mln ton w roku 2012). W tym samym okresie produkcja wzrosła też trzykrotnie (z 3,5 milionów ton do 10 mln ton), podczas gdy import do EU wzrósł pięciokrotnie (z zaledwie ton w 2006 r. do 4,4 mln ton w 2012 roku). Do tej pory jednak, potencjał rynku pelletów w Europie nie osiągnął swoich możliwości [7, 8]. Europejski rynek pelletów ma też swoje problemy: stosunkowo wysokie koszty wytwarzania pelletów w Europie, które doprowadziły do znacznego wzrostu importu, zwłaszcza z Ameryki Północnej, gdzie koszty surowcowe są mniejsze. Dodatkowo dwóch największych producentów pelletów i brykietów w UE: Niemcy i Szwecja zmniejszyły swoją produkcję. Konsekwencją jest to, że w 2012 roku, handel wewnątrzwspólnotowy pelletów spadł o 12%, tymczasem zakupy z Ameryki Północnej wzrosły o 44% [9, 10]. Według danych GTIS (Global Trade Atlas Services), Stany Zjednoczone stały się wiodącym eksporterem (dostawcą) peletów drzewnych do UE w 2012 roku z eksportem równym 1,764 miliona ton (1,029 w 2011), wyprzedzając Kanadę, która wyeksportowała 1,346 miliona ton w 2012 (1,174 w roku 2011). Innymi głównymi eksporterami na rynki UE są Rosja (0,637 miliona ton), Ukraina (0,217 miliona ton) oraz Białoruś (0,112 miliona ton) [9]. Zakładając dalszy stabilny rozwój rynku możemy założyć prognozę dla wzrostu europejskiej produkcji pelet do wartości około 20 mln ton. Osiągnięcie produkcji w wysokości 20 milionów ton w roku 2020 jest założeniem ambitnym i aby mogło się powieść konieczne są inwestycje w łańcuchu dostaw oraz u końcowych odbiorców (zwłaszcza dużych, systemowych). Potrzebny jest również dobry program zagospodarowania ziem uprawnych. Gdyby cała wielkość produkcji pellet miała pochodzić z odpadów drzewnych, ich cena znacząco by wzrosła (w związku z konkurencją w pozyskiwaniu ograniczonego surowca). Koniecznym staje się wykorzystanie innych surowców roślinnych, aby podtrzymać ekonomiczną atrakcyjność tego paliwa i zaspokoić rosnący popyt na nie. Scenariusz na następne lata rysuje się następująco: - wysokiej jakości pellety drzewne będą nadal wykorzystywane przez drobnych odbiorców indywidualnych, - odbiorcy systemowi (duże ciepłownie, elektrociepłownie) zaczną wykorzystywać pellety przemysłowe, produkowane z innych surowców roślinnych, o gorszej jakości pod względem cech fizyczno-chemicznych. Urządzenia grzewcze wykorzystywane w tej grupie podmiotów i systemy oczyszczania gazów odlotowych poradzą sobie z tym zadaniem, jednocześnie paliwo to ma atrakcyjniejszą cenę co ma niebagatelne znaczenie przy takiej wielkości zakupów. Do końca roku 2012 zużycie biomasy wzrastało bardzo dynamicznie, by osiągnąć wartość blisko 29 mln ton. Jednak wymagania odnośnie ograniczenia spalania biomasy drzewnej w elektroenergetyce na rzecz agrobiomasy spowodowały wzrost wykorzystania słomy i rozwój przemysłu jej peletyzacji. Dodatkowo wytworzony w ten sposób popyt na biomasę pochodzenia rolniczego był uzupełniany importem z Ukrainy oraz krajów egzotycznych, co dodatkowo osłabiało polski rynek pelletu. 56

58 Rys Produkcja pelletu w Polsce w latach Źródło: Stelmet Rozwój rynku biomasy wyprzedził ponadto założenia Krajowego Planu działań, który zakładał taką konsumpcję dopiero po 2015 roku. W konsekwencji zostało zatrzymanych wiele inwestycji przetwórstwa biomasy, w szczególności agrobiomasy, oraz wstrzymanie produkcji pelletu i brykietów w istniejących zakładach. Analizując rynek energii OZE można przypuszczać, że produkcja zielonej energii utrzymana została na poziomie z 2012 r. i wynosi ok. 17 TWh., co stanowi około 50 proc. wartości wymaganej w 2020 r. Polski rynek pelletu znacząco zaczął się rozwijać od 2003 roku (rys. 4.4). Jest to rynek stosunkowo młody w porównaniu do krajów zachodnich takich jak Austria, Szwecja, czy Niemcy, które posiadają już swoje normy jakościowe. Początkowo większość pelletu wyprodukowanego w Polsce była eksportowana, jednak wraz ze wzrostem popularności granulatu zaczęto go spalać także w naszym kraju [5, 6]. Obecnie pellety są produkowane przez kilkudziesięciu wytwórców, a kilka następnych linii produkcyjnych jest w trakcie realizacji. Najwięksi polscy producenci mają możliwości produkcyjne na poziomie od 60 tys tys. ton/rok. Ponad połowa producentów wytwarza poniżej 30 tys. ton/rok. Największa liczba firm produkujących pellet znajduje się na terenach zalesionych, w szczególności w północno zachodniej części kraju [4, 5] [tys. ton] Produkcja pelet Zużycie pelet [rok] Rys Produkcja pellet drzewnych w Polsce w latach [6] 57

59 Na przestrzeni ostatnich kilku lat w Polsce powstała kompleksowa infrastruktura związana z rynkiem pelletu: są specjalistyczne auta dowożące paliwo, zbiorniki i silosy do jego przechowywania oraz nowoczesne, automatyczne piece grzewcze. Ostanie szacunki za rok 2013 wskazują, że produkuje się w Polsce około 600 tys. ton pelletu, natomiast sprowadza się około 400 ton. Polski rynek pelletu liczący około 1 mln ton pelletu jest jednym z wyróżniających się w Europie [6]. Podsumowując polski rynek pellet można stwierdzić: - moce produkcji pellet w Polsce wzrosły do ponad 1,2 mln ton, - rynek pellet w Polsce jest mało transparentny i nie w pełni wykorzystuje obowiązujące w Europie normy, - w Polsce istnieje możliwość rozwoju produkcji pellet pod warunkiem uwolnienia istniejącej podaży biomasy drzewnej przez nieuzasadnioną energetycznie technologię współspalania zrębków drzewnych w procesach współspalania z węglem w elektrowniach kondensacyjnych, - zasoby biomasy drzewnej w Polsce pozwolą na produkcję w przyszłości kilku mln ton pelet pod warunkiem wsparcia przez Państwo wykorzystania pellet w ciepłownictwie, w tym ogrzewnictwie indywidualnym, - szczególnego wsparcia w Polityce Energetycznej Państwa powinno się udzielić lokalnym elektrociepłowniom wykorzystującym biomasę i zastosowaniu kotłów na pellety w budownictwie indywidualnym. Pomoc ta mogłaby być podobna do wspierania przez NFOŚiGW kolektorów słonecznych. Charakterystyka pelletu Pellety stanowią konkurencję dla paliw kopalnych, dzięki konkurencyjnej cenie w stosunku do wartości opałowej, niskiej zawartości popiołu, wilgoci i substancji toksycznych. Przyszłość dla tego rynku stanowią małe firmy ulokowane blisko zakładów zajmujących się przetwórstwem drzewnym. Produkcja pelletu jest złożonym zagadnieniem i wymaga precyzyjnie zaprojektowanej linii technologicznej a także wysokiej jakości surowca [4, 5]. Pellety są to granulki o średnicy od 6 25 mm i długości kilkudziesięciu mm powstałych ze sprasowanych trocin drewnianych, bez użycia jakichkolwiek dodatków. Największymi zaletami jest niska zawartość popiołu (poniżej 1.5%), wilgoci (<8%) i substancji toksycznych. Jest paliwem ekologicznym ponieważ ilość CO2 jaką emituje podczas spalania jest równoważona ilości pochłanianej przez rośliny podczas fotosyntezy [1, 2, 3, 4]. Granulat początkowo był produkowany głównie z odpadów drzewnych. Najlepszej jakości pellet jest ten, który posiada jak najmniej wilgoci. Powoduje to, że trociny są trudniej dostępne, a ich cena wzrasta. Z tego względu poszukuje się alternatywnych surowców do jego produkcji. Znalazły zastosowanie m.in. materiały takie jak zrębki, słoma rzepakowa, pszeniczna itd. Obecnie przeprowadza się analizy określające przydatność roślin energetycznych do produkcji pelletu. Wprowadzanie roślin energetycznych do produkcji pelletu nie przebiega szybko. Spowodowane jest to tym, że pellet z tych roślin ma niską wartość opałową i dużą zawartość popiołu w stosunku do granulatu z trocin drzewnych. Ważną zaletą peletów jest to, że mogą być produkowane z lokalnie dostępnych surowców. Daje to możliwość stworzenia nowych miejsc pracy. Granulat produkowany jest z odpadów drzewnych, zatem jego produkcja przyczynia się do zmniejszania problemu zagospodarowania odpadów i zużycia paliw kopalnych. 58

60 Granulat z odpadów drzewnych jest konkurencyjny dla oleju i węgla pod względem ekonomicznym i ze względu na mniejsze emisje gazów i pyłów podczas spalania. Wybrane zjawiska procesu wytwarzania pelletu Schemat procesu granulacji przedstawiono na rys Warstwa surowca jest dostarczana pod rolkę, która wciska materiał w matrycę. Gdy rolka przesuwa się dalej po powierzchni surowiec znów zostaje dostarczony, co powoduje ciągle formowanie granulatu. Zasada działania pelleciarek rotacyjnych polega na cyklicznym przetłaczaniu, rolkami prasującymi, rozdrobnionego materiału przez szereg cylindrycznych otworów wykonanych w matrycy. Podczas formowania pelletu materiał trafia na opór, który powoduje powstawanie tarcia i wytwarzania się ciepła i ciśnienia które jest kluczowe w powstawaniu pelletu. Na wyjściu zostaje złamany przez element łamiący [1, 2, 3, 4]. Rys Schemat procesu granulacji [4] Zależność między podstawowymi parametrami procesu granulowania pelletu przedstawia rysunek 4 oraz wzór 1. Optymalne zestawienie zależności geometrycznych matrycy: d/(l+2xl) pozwala uzyskiwać pożądany produkt końcowy [3, 4]. R = μ P d l < K gdzie: R - Tarcie (N) µ - współczynnik tarcia P - ciśnienie wywierane na powierzchnię otworu w matrycy (N/m 2 ) d - średnica otworu w matrycy (m) l - długość otworu w matrycy K - siła nacisku prasy (N) (4.1) Proces wytwarzania pelletu jest złożony i wymaga starannie zaprojektowanej linii produkcyjnej, a także surowca o wysokiej jakości. Surowiec zanim zostanie zgranulowany musi zostać wstępnie przygotowany, powinien on posiadać określaną frakcję, niską wilgotność i musi być wolny od zanieczyszczeń, które mogą spowodować uszkodzenie się matrycy lub rolek prasujących. Aby skompresować słomę lub trociny wymagana jest matryca o wysokiej kompresji. Taka matryca charakteryzuje się większą grubością płaszcza a także posiada lejki kompresujące na powierzchni natarcia i lejki 59

61 odprężające na wyjściu. Inne są wymiary matrycy oraz rolek dla materiałów twardych a także inne dla materiałów miękkich. Dla pomyślnego przebiegu granulacji w pelleciarce - a tym samym dla uzyskania wysokiej jakości produktu końcowego istotne są następujące czynniki [1, 2, 3, 4]: - jakość surowca biomasy użytego do produkcji, - wydajność maszyny granulującej oraz przebieg procesu granulacji, - tarcie w matrycy, - powierzchnia i materiał z jakiego jest wykonana matryca oraz prasa, - długość i średnica otworów w matrycy, - grubość materiału biomasy jaka na powierzchni matrycy jest poddawana naciskowi rolek - grubość warstwy materiału trafiającego do otworów matrycy, - częstotliwość sprężania - prędkość z jaką porusza się rolka prasy. Rodzaje konstrukcji pelleciarek Do granulacji można wykorzystać matrycę pierścieniową lub płaską. W obu przypadkach biomasa jest doprowadzana do bębna, gdzie jedna lub więcej rolek prasy prasuje ją do cylindrycznych otworów matrycy. Matryce w obu przypadkach można oczywiście wymieniać, co pozwala na zmianę średnicy cylindrycznych otworów, a tym samym produkcje pelletu o różnych rozmiarach. Prasowanie biomasy zwiększa jej temperaturę. Poziom ciśnienia w matrycy należy dostosować, między innymi, do rodzaju granulowanej biomasy. Pelleciarki z matrycą pierścieniową (rys. 4.6) najczęściej pracują w układzie wyciskania odśrodkowego za pomocą jednej, dwóch lub trzech obrotowych rolek, dociskających miazgę drzewną do wewnętrznej powierzchni matrycy. Pellety wyciskane są na zewnątrz matrycy i tam ścinane na odpowiednią długość. To najbardziej popularna odmiana urządzeń do wytwarzania peletów drzewnych. Wydajność tego typu urządzeń, przy danym surowcu, zależy bezpośrednio od roboczej powierzchni matrycy i jest pochodną jej obwodu i szerokości. Zależy ona również od powierzchni docisku rolek do matrycy, a ta wyznaczona jest przez szerokość rolek i ich liczbę. Ponadto o wydajności decyduje już wzajemna prędkość matrycy i rolek dociskających oraz grubość prasowanej warstwy. Alternatywą dla matryc pierścieniowych jest matryca płaska i zespół rolek (walcowych bądź stożkowych) zagęszczających, które przeciskają materiał przez odpowiednio wyprofilowane otwory. Płaskie mocowanie matrycy eliminuje niebezpieczeństwa wysokich prędkości obrotowych i dużych momentów sił, które występują w przypadku matryc pierścieniowych (rys. 4.7). Mała prędkość wału odbiorczego zapobiega powstawaniu wibracji. W komorach zagęszczających płaskich pelleciarek nie ma ograniczeń przestrzennych, które występują w pelleciarkach z matrycą pierścieniową. 60

62 a) b) Rys Schemat ideowy pelleciarki rotacyjnej z matrycą pierścieniową a): 1 - matryca, 2 -rolka prasująca, 3 komora prasująca; b) Schemat cyklu pracy prasy [11, 12] Rys Schemat ideowy pelleciarki rotacyjnej z matrycą płaską [11, 12] Płaskie mocowanie matrycy eliminuje niebezpieczeństwa wysokich prędkości obrotowych i dużych momentów sił, które występują w przypadku matryc pierścieniowych. Mała prędkość wału odbiorczego zapobiega powstawaniu wibracji. W komorach zagęszczających płaskich pelleciarek nie mamy ograniczeń przestrzennych, które występują w pierścieniach. Możemy stosować duże średnice rolek zagęszczających, co przekłada się na stosowanie dużych łożysk, a także możemy zastosować różnego rodzaju ulepszenia konstrukcyjne, będące czasami niezbędnymi do procesu pelletowania np. spryskiwacze, odciągi pary itd. Wymiana elementów eksploatacyjnych jest o wiele prostsza, sam koszt zamienników zdecydowanie niższy. Ponadto system smarowania jest prostszy, nie wymaga stosowania precyzyjnej aparatury, która występuje w granulatorach pierścieniowych. Faktycznie żywotność elementów eksploatacyjnych jest nieco krótsza niż w przypadku granulatorów pierścieniowych, jednak ich cena oraz prostota montażu zrównuje bilans zysków i strat. Najważniejszym aspektem przemawiającym za pelleciarkami płaskimi jest właściwość otrzymywania zdecydowanie większych nacisków na jednostkę powierzchni matrycy, a więc już przy pelleciarce z silnikiem 15kW jesteśmy w stanie przeprowadzić proces pelletowania bez stosowania lepiszczy zarówno przy słomie jak i trocinie. 61

63 Rys Przykład rozwiązań pelleciarki rotacyjnej z matrycą płytową z rolkami stożkowymi [7, 8, 9] Rys Przykład rozwiązań pelleciarki rotacyjnej z matrycą płytową z rolkami walcowymi [7, 8] Technologia produkcji pelletu w układzie pelleciarki rotacyjnej z matrycą pierścieniową wymaga odpowiedniego rozdrobnienia, jakości i wilgotności materiału oraz odpowiednich proporcji składników poddawanych granulacji. Pelleciarki pierścieniowe charakteryzują się wysoką jakością i trwałością matrycy (utwardzana stal nierdzewna) oraz rolek. W skład urządzenia wchodzi kondycjoner, podajnik ślimakowy surowca oraz granulator. Wydajność tego typu urządzeń zależy od rodzaju i jakości surowca oraz od ścisłego przestrzegania technologii produkcji. Surowiec zostaje pobrany do komory kondycjonera gdzie zostaje naparowany (ujednolicony pod względem wilgotności) parą wodną pochodzącą z wytwornicy pary oraz wymieszany. Zaleca się jednak aby przy produkcji pelletu opałowego ze słomy i trocin surowce były wstępnie wymieszane z lepiszczem przed zasypaniem do kondycjonera. W kondycjonerze proces mieszania zostanie powtórzony. Tak przygotowany surowiec zostaje równomiernie podawany do granulatora gdzie pod wpływem nacisku rolek jest przeciskany przez oczka matrycy. Otrzymany pellet powinien zostać poddany procesowi studzenia. 62

64 Pelleciarki z matrycą pierścieniową wykonywane są w układzie z ruchomą matrycą lub z ruchomymi rolkami. Wybrane przykłady konstrukcyjnych rozwiązań tego typu przedstawiono na rys Rys Przykłady elementów - rolki i matryce dla pelleciarek rotacyjnych z matrycą pierścieniową [7, 8] Pelleciarka firmy Alchemik - optymalizacja konstrukcji Zaprojektowana przez firmę Alchemik (przy współpracy z WIM UTP w Bydgoszczy) pelleciarka serii JP służy do produkcji pelletu z trocin, a także ze słomy. W ramach współpracy z firmą Alchemik i realizacji tzw. vouchera badawczego przeprowadzono prace optymalizacyjne konstrukcji pelleciarki. W ramach prac wykorzystywano program SolidWorks (optymalizacja wytrzymałości elementów oraz kinematyki ich ruchu). Ostatecznie uzyskano pelleciarkę o niskiej wydajności (jedno z założeń projektowych), która wynosi do 100 kg/h. Wymiary gabarytowe pelleciarki wynoszą 1846,5mm x 1835,9mm x 880mm. Przebieg powstawania pelletu w pelleciarce pierścieniowej firmy Alchemik jest następujący: Odpowiednio rozdrobniony i wysuszony materiał trafia do kondycjonera, który poddając go działaniu pary powoduje jego zmiękczenie. Następnie ślimak w kondycjonerze dostarcza surowiec do bębna. Potem materiał zostaje sprasowany przez otwory w obrotowej matrycy za pomocą dwóch rolek. Na końcu gotowy granulat spada przez otwór we włazie i zostaje poddany chłodzeniu [8, 9]. Układ roboczy oparty jest na koncepcji pelleciarki z matrycą pierścieniową. Składa się z matrycy i dwóch rolek (rys. 4.11). Praca mechanizmu roboczego polega na wyciskaniu odśrodkowym do wewnętrznej powierzchni matrycy za pomocą zespołu rolek. Układ roboczy napędzany jest silnikiem o mocy 30 kw i prędkości obrotowej 1500 obr./min. Prędkość obrotowa przenoszona jest z silnika do układu za pomocą dwóch przekładni zębatych. Moment siły przekazywany jest za pomocą sprzęgła kłowego. Grubość matrycy wynosi 120 mm, średnica zewnętrzna 425 mm, szerokość 142 mm, a średnica otworów w matrycy 8 mm. Średnica rolek wynosi 127 mm, a ich szerokość 102 mm. Optymalnie wykonany układ roboczy zapewnia wysoką trwałość urządzenia [8, 9]. 63

65 Rys Matryca oraz zespół rolek pelleciarki firmy Alchemik - wizualizacja wykonana w programie SolidWorks [8] Rys Budowa pelleciarki firmy Alchemik z serii JP: 1 - właz, 2 - podstawa, 3 - główny silnik napędowy, 4 - silnik napędowy ślimaka, 5 - przekładnia zębata I, 6 - układ ślimakowy, 7 - matryca, 8 - mechanizm roboczy z zespołem rolek, 9 - obudowa, 10 - wał I, 11 - przekładnia zębata II, 12 - nakrętka I, 13 - pokrywa, 14 - śruba I, 15 - nakrętka II, 16, 17 - śruby II i III, 18, 19 - piasty, 20 - wpust I, 21, 22 - wały II i III, 23 - obudowa, 24, 25 śruby II i III, 26 - pierścień, 27 - nakładka, 28, 29 - nakrętki III i IV, 30 - wał II, 31 - wpust II [8] 64

66 Rys Budowa pelleciarki firmy Alchemik serii JP - wizualizacja 3d wykonana w programie SolidWorks [8] Podsumowanie Zaprojektowana z wykorzystaniem oprogramowania SolidWorks pelleciarka to najważniejszy element procesu produkowania pelletu. Od jej pracy zależy bezpośrednio jakość produktu końcowego. W zakresie pelleciarki jakość pelletów zależy od następujących czynników: a) mechanika docisku - siła docisku rolek do matrycy, b) kinematyka procesu - wzajemna prędkość rolek decydująca o grubości wciskanej warstwy, c) cechy geometryczne matrycy z otworami - ukształtowanie tzw. ryfli w rolkach dociskających, wysokość i średnica otworów (grubość matrycy), ukształtowanie lei otworów od wewnętrznej i zewnętrznej strony matrycy. d) charakterystyka matrycy musi być dopasowana do rodzaju drewna - w trakcie pracy powstają różnorodne zależności i zmiana nawet jednej cech może doprowadzić do nieoczekiwanych konsekwencji, e) sposób podawania miazgi drzewnej - szybkość i równomierność podawania i rozprowadzania miazgi drzewnej na całej szerokości matrycy. Kształt matrycy i system docisku decydują w zasadzie o rodzaju pelleciarki. Na rynku pelleciarek drzewnych funkcjonują dwie odmiany matryc: płaskie (koliste) oraz przestrzenne (pierścieniowe). Proces pelletowania jest procesem wysokoenergochłonnym (energochłonność procesu w zależności od przetwarzanego materiału może wynosić od ok do ok kwh/t produktu. Układy robocze matryca-rolki zagęszczające urządzenia do pelletowania zużywają się po krótkim okresie pracy (ok. 1/10-1/15 czasu eksploatacji całego urządzenia), 65

67 Koszt układu roboczego matryca rolki zagęszczające, ze względu na materiały konstrukcyjne, pracochłonność jego wykonania, stanowi około 10-20% kosztu pozostałych zespołów urządzenia. Bibliografia [1] DEMANIUK L., HEJFT R.: Nowe rozwiązania konstrukcyjne brykieciarek do trocin. Zeszyty naukowe Politechniki Białostockiej nr 1/2002. [2] FISZER A., DWORECKI Z.: Analiza technologii brykietowania trocin. Journal of Research and Applications in Agricultural Engineering, Vol. 51, Nr 3/2005. [3] HEJFT R., OBIDZIŃSKI S.: Konstrukcje matryc w granulatorach z układem roboczym płaska matryca - rolki zagęszczające Chemik 2012, 66, 5, [4] JAKŚ J., PIOTROWSKI A., PIOTROWSKI P.: Instalacje do wytwarzania brykietu i peletu. Rozdział w monografii pt. V Eko-Euro-Energia Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii pod redakcją A. Mrozińskiego, Wydawnictwo Fundacji Rozwoju Mechatroniki, ISBN , Bydgoszcz 2012, str [5] HEJFT R.: Ciśnieniowa aglomeracja materiałów roślinnych. Politechnika Białostocka, Białystok [6] HEJFT R.: Peletowanie i brykietowanie w urządzeniach o niewielkiej wydajności. Czysta energia 6/2008. [7] Materiały i foldery reklamowe firmy WEIMA, PROTECHNIKA, BRIKLIS i ALCHEMIK. [8] BZ - 96/2012/WIM Prace rozwojowe w zakresie opracowania i optymalizacji konstrukcji peleciarki do wytwarzania peletu (Realizowany w ramach Programu pilotażowego w województwie kujawskopomorskim Voucher badawczy - VB/02/2012/25). [9] - AEBIOM European Bioenergy Outlook maj [10] - maj [11] - Bałtycka Agencja Poszanowania Energii S.A. - maj [12] maj

68 V. INSTALACJE POMP CIEPŁA Prognozy rozwoju rynku OZE w Polsce i w pozostałych krajach Unii Europejskiej wskazują, że znaczącą rolę w wypełnieniu wymagań Dyrektywy może odegrać geotermia, w tym zwłaszcza geotermia niskotemperaturowa, wykorzystująca pompy ciepła, w pełni uznane jako urządzenia korzystające z odnawialnych źródeł energii [1, 2, 3]. Technologia ta znana i rozwijana na świecie już od ponad 50 lat, również w Polsce cieszy się coraz większym zainteresowaniem. Wg danych Polskiej Organizacji Rozwoju Technologii Pomp Ciepła (PORT PC) w 2012 roku sprzedano w naszym kraju około o 20% więcej sztuk pomp ciepła różnego typu niż w roku Rys Polski rynek pomp ciepła [7, 8] Badanie przeprowadzone przez PORT PC obejmowało pięć typów urządzeń: solanka/woda, woda/woda, powietrze/woda, bezpośrednie odparowanie w gruncie/woda oraz powietrze/woda tylko do c.w.u. Jak wynika z badań sprzedaż wszystkich typów pomp ciepła oprócz pomp woda/woda odnotowały wzrost, przy czym największym wzrostem sprzedaży cieszą się pompy ciepła korzystające z powietrza jako dolnego źródła ciepła. Szczegółowe wyniki badań przedstawiono na rysunku 5.1 [7, 8]. Już w 2011 roku rynek pomp ciepła w Polsce osiągnął poziom sztuk sprzedawanych urządzeń rocznie. W ubiegłym roku sprzedało się ponad pomp ciepła co daje prawie dwudziestoprocentowy przyrost rynku w skali roku. Największy przyrost, bo aż około 35%, osiągnęły pompy ciepła typu powietrze/woda. Sprzedaż pomp ciepła typu powietrze/woda tylko do c.w.u. wzrosła o około 25%, a pomp ciepła typu solanka/woda o około 11%. Szacowane udziały poszczególnych typów pomp ciepła na rynku polskim, aż do roku 2020 przedstawiono na rysunku 5.2 [6]. 67

69 Rys Szacowane udziały poszczególnych typów pomp ciepła w latach [6] Warto podkreślić, że rynek pomp ciepła w Polsce wzrasta bez praktycznie żadnego wsparcia państwa. Na rysunku 5.3 przedstawiono udział mocy posczególnych typów pomp ciepła na polskim rynku. Widać coroczną progresję rozwojowa tej branży. Dobrym przykładem wsparcia technologii pomp ciepła w Europie są specjalne taryfy energetyczne dedykowane dla tych urządzeń, stosowane w Niemczech, Szwajcarii, Austrii, Czechach czy Francji, a także różnego rodzaju formy dotacji, czy ulg podatkowych. Szacuje się, że gdyby w Polsce udało się uruchomić podobny mechanizm wsparcia inwestycji z pompami ciepła, korzystając z doświadczenia krajów Europy Zachodniej (w tym również Czech), w ciągu kliku lat, liczba inwestycji w pompy ciepła mogłaby wzrosnąć nawet 10- krotnie [3, 4, 5, 6]. Rys Szacowane udziały poszczególnych typów pomp ciepła do roku 2014 [6] Polski rynek pomp ciepła zdecydowanie zdominowany jest przez dwa typy urządzeń: solanka/woda oraz powietrze/woda tylko do c.w.u., które stanowią łącznie około 82% rynku. Udział pozostałych urządzeń sięga blisko 14% w przypadku pomp ciepła powietrze/woda, około 3% dla pomp ciepła typu bezpośrednie odparowanie w gruncie/woda oraz tylko około 1% pomp ciepła typu woda/woda [6, 7]. Analizując rozwój rynku pomp ciepła w Polsce mozna powiedziec: - Polski rynek pomp ciepła jest rynkiem młodym i drzemie w nim duży potencjał rozwoju 68

70 - Spodziewany jest dalszy wzrost rynku pomp ciepła w Polsce w najbliższych latach, nawet dwucyfrowe przyrosty roczne - Rozwój technologii będzie oznaczał wzrost efektywności pomp ciepła - Kluczową kwestią jest wysoka jakoścś wykonywanych instalacji pomp ciepła - pozwoli tona harmonijny rozwój rynku - Polityka energetyczno-klimatyczna UE wspiera pompy ciepła Zasada działania pompy ciepła typu powietrze/woda Z termodynamicznego punktu widzenia, pompy ciepła powietrze/woda nie różnią się niczym od pomp ciepła innego rodzaju (np. powietrze-powietrze czy glikol-woda). Działają one bowiem wedle tych samych praw fizyki, a co więcej znaczna część ich wnętrza jest bardzo do siebie podobna. Tak jak wszystkie inne pompy ciepła, tak i pompy powietrze/woda składają się z czterech głównych elementów [3, 4, 5]: - parownika, w którym czynnik roboczy pobiera ciepło z dolnego źródła ciepła (w tym przypadku - z powietrza atmosferycznego), - sprężarki, która podnosi ciśnienie czynnika roboczego, - skraplacza, w którym czynnik roboczy skrapla się, oddając ciepło do wody krążącej w instalacji ogrzewczej (albo do ciepłej wody użytkowej), - zaworu dławiącego, który powoduje zmniejszenie ciśnienia czynnika roboczego. Schemat działania pompy ciepła powietrze/woda i poszczególne procesy, które w niej zachodzą przedstawia rysunek 5.4. Rys Schemat działania pompy ciepła powietrze/woda [1, 2] Powietrze atmosferyczne jest przetłaczane przez wymiennik ciepła (parownik, nieco przypominający samochodową chłodnicę) za pomocą dużego wentylatora. Powietrze oddaje swoje ciepło do cieczy umieszczonej wewnątrz wymiennika, która ze względu na to, że ma niskie ciśnienie, szybko odparowuje, odbierając ciepło od powietrza. Następnie gaz o niskim ciśnieniu z parownika trafia do sprężarki, która go spręża do wyższego ciśnienia. Jednocześnie temperatura czynnika roboczego się podnosi. Następnie sprężony, gorący gaz trafia do skraplacza. W skraplaczu następuje oddawanie ciepła do wody 69

71 krążącej później w instalacji ogrzewczej (albo do zimnej wody z wodociągu). Akurat na schemacie widać wodę w obiegu ogrzewania, ale tego typu pompy ciepła bywają używane do produkcji ciepłej wody użytkowej. Po przepłynięciu przez ten wymiennik ciepła, czynnik roboczy znów jest cieczą, ale o wysokim ciśnieniu. Obieg termodynamiczny jest domykany przez zawór dławiący. Dzięki temu urządzeniu ciśnienie czynnika roboczego spada (wciąż pozostaje on cieczą), co umożliwia jego odparowanie w parowniku. Niewątpliwą zaletą pomp zasilanych powietrzem zewnętrznym jest prostota i czas montażu (1-2 dni), który dla obu typów pomp powietrznych może jest podobny. Zazwyczaj tego typu pompy składają się z jednostki zewnętrznej i wewnętrznej (split) lub pompy ciepła i zasobnika c.w.u (monoblok). Pompy ciepła typu split to urządzenia, w których komponenty pompy ciepła rozdzielone są na dwie jednostki. W jednostce zewnętrznej znajduje się zazwyczaj wentylator, parownik, sprężarka i zawór rozprężny, a w jednostce wewnętrznej skraplacz i pompa obiegowa czynnika grzewczego. Wentylator zapewnia odpowiedni przepływ powietrza, z którego odzyskiwane jest ciepło. Wysoką efektywność i cichą pracę uzyskujemy w pompach w których wentylator ma możliwość obniżenia wydajności powyżej pewnej temperatury zewnętrznej (np. 13 C). Pompy ciepła typu monoblok to urządzenia, w których w jednej obudowie znajduje się skraplacz, parownik, sprężarka, zawór rozprężny i pompa obiegowa czynnika grzewczego. Jeżeli mamy do czynienia z pompą ciepła typu monoblok, instalator nie musi być chłodnikiem, ani nie musi korzystać z pomocy firmy chłodniczej, gdyż moduł chłodniczy znajduje się w jednostce zewnętrznej i napełniony jest czynnikiem chłodniczym już w fabryce. W tym przypadku instalator nie musi dysponować urządzeniami, ani wiedzą na temat uruchamiania urządzeń klimatyzacyjnych. Rozmrażanie parownika odbywa się za pomocą gorącego gazu. Jeśli na parowniku powstanie oblodzenie, zawór 4-drogowy w module chłodniczym kieruje gaz gorący bezpośrednio ze sprężarki do parownika. Proces rozmrażania przebiega bardzo szybko i jest energooszczędny. Pompy tego typu zazwyczaj mogą współpracować z każdym rodzajem niskotemperaturowej instalacji grzewczej, ogrzewaniem podłogowym lub ściennym, jak również z konwektorami i grzejnikami, ze względu na możliwość pracy pompy ciepła przy wysokiej temperaturze zasilania. Budowa zaprojektowanego stanowiska badawczego W ramach budowy bazy dydaktycznej do nowego kierunku studiów inżynierskich pn.: Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii na Wydziale Inżynierii Mechanicznej UTP w Bydgoszczy zaprojektowano i wykonano stanowisko dydaktyczno-badawcze do badań instalacji pompy ciepła typu powietrze/woda. Stanowisko zostało zaprojektowane jako układ mobilny. Może pracować zarówno w pomieszczeniu (pomieszczenia laboratoryjne WIM - UTP) jak i na zewnątrz przed budynkiem. W ramach prac projektowych dobrano odpowiedni sterownik, przewody, zawory oraz kompletną armaturę przyłączeniową wraz z miernikami parametrów pracy pompy ciepła. Stanowisko przedstawiono na rysunku 5.5. Zastosowana w stanowisku pomiarowym pompa ciepła Vitocal 200-S firmy Viessmann (rys. 5.6 i 5.7) może wykorzystywać otaczające ciepło z powietrza zewnętrznego lub wewnętrznego w budynku. Pompa charakteryzuje się modulowaną pracą (wentylator i sprężarka posiadają silniki o regulowanych prędkościach obrotowych). Zastosowana pompa ciepła posiada funkcję ogrzewania lub chłodzenia pomieszczeń. 70

72 Rys Stanowisko instalacji pompy ciepła typu powietrze/woda Zaprojektowana konstrukcja wsporcza stanowiska ze stali kwasoodpornej zapewnia mobilność całości układu. Pompa ciepła pracuje bezobsługowo i efektywnie wykorzystuje ciepło z powietrza atmosferycznego do ogrzewania (oraz chłodzenia), w nowych i modernizowanych domach jednorodzinnych. W budynkach modernizowanych może współpracować z już istniejącym kotłem grzewczym, który uzupełnia ogrzewanie w mroźne dni. W lecie Vitocal 200-S może również chłodzić pomieszczenia przez np. instalację ogrzewania podłogowego, klimakonwektor (zastosowany w stanowisku). Rys Vitocal 200-S jednostka wewnętrzna: 1- trójdrożny zawór przełączający, 2 - pompa obiegowa, 3- wymiennik ciepła 4 - sterownik (Vitotronic 200) Rys Vitocal 200-S jednostka zewnętrzna: 1 - wymiennik ciepła, 2 - wentylator 3 - sprężarka 71

73 Podgrzewanie wody użytkowej przez powietrzne pompy ciepła Wśród oferty producentów pomp ciepła coraz popularniejsze stają się kompaktowe zasobniki z wbudowaną małą pompą przeznaczoną jedynie do ogrzewania ciepłej wody. Producenci pomp ciepła do ogrzewania c.w.u. podkreślają, że są to urządzenia alternatywne do kolektorów słonecznych, gdyż w podobnej cenie mamy urządzenie, które pracuje dłużej i jest niezależne od warunków atmosferycznych. Warto jednak zdawać sobie sprawę, że warunki pracy dla tego typu pomp zalecane przez producentów to temperatura dolnego źródła C. Gdy temperatura spadnie poniżej 8 0 C pompa jest wyłączana i pozostaje jedynie zasilanie elektrycznie. Nie da się jednak ukryć, że jest to urządzenie konkurencyjne cenowo do pozostałych systemów grzania wody użytkowej. Podczas badań na WIM UTP w Bydgoszczy analizowano techniczno-ekonomiczne zastosowania w systemach podgrzewu ciepłej wody użytkowej sprężarkowych pomp ciepła w których dolnym źródłem jest powietrze atmosferyczne (lub powietrze, gdzie znajduje się pompa ciepła). Dodatkowo analizowano również układ, gdy sama pompa ciepła była zasilana instalacją fotowoltaiczną. Pompa ciepła wg doniesień producentów w pełni pokrywa całkowite zapotrzebowanie np. domu jednorodzinnego na ciepłą wodę użytkową. Dzięki zastosowaniu pompy ciepła tego typu można jednocześnie osiągnąć dwa efekty energetyczne i ekonomiczne: - w miarę oszczędnie podgrzewać ciepłą wodę użytkową, - jednocześnie chłodzić wnętrze budynku latem. Rys Prototypowa instalacja pompy ciepła PCWU 200K-2.3 kw z zasobnikiem 200 litrów zastosowana podczas badań na WIM UTP w Bydgoszczy Podsumowanie i wnioski Zaprojektowane i wykonane stanowiska badawczo-dydaktyczne pozwalają badać efektywność pompy ciepła w różnych warunkach eksploatacji. Pompy ciepła typu 72

74 powietrze/woda polecane są tym inwestorom, którzy chcą mieć dom wyposażony w tradycyjną, wodną instalację grzewczą, korzystać z pompy ciepła, a nie mają możliwości wykonania dolnego źródła z gruntowym wymiennikiem glikolowym. Powietrze jest źródłem ciepła o dużej dostępności. Pompę ciepła tego typu można zamontować nawet w mieszkaniu, na zewnętrznej ścianie bloku. Dzięki rezygnacji z gruntowego wymiennika ciepła, obniża się koszt zakupu pompy ciepła. Największą wadą tego typu pomp ciepła jest niższy, niż w przypadku pomp ciepła woda/woda albo glikol/woda, współczynnik wydajności pompy ciepła (COP).Wynika on z tego, że pompa ciepła tego typu pobiera ciepło przy niższych temperaturach, niż pompa glikol/woda. Ze względu na ryzyko oblodzenia wymiennika ciepła takiej pompy, musi ona być okresowo odszraniana, co odbywa się ze stratą ciepła. W najniższych temperaturach powietrza pompa w ogóle nie może działać bez włączenia się dodatkowej elektrycznej grzałki. Zarówno ta elektryczna grzałka, jak i niższy COP pompy ciepła powietrze/woda, powodują wyższe koszty jej eksploatacji podczas niskich temperatur, niż w przypadku pomp ciepła glikol/woda. Te najniższe temperatury panują w roku tylko przez krótki okres, przez co nie mają dużego wpływu na koszt ogrzewania domu tego typu pompą ciepła. Tak jak w przypadku innych rodzajów pomp ciepła, pompy typu powietrze/woda pracują bardziej ekonomicznie w porównaniu do konwencjonalnych sposobów ogrzewania (np. gazowego czy olejowego). Jest to rozwiązanie ekologiczne i bezpieczne (nie stanowi żadnego ryzyka pożarowego. Nie ulatnia się gaz, nie wytwarza nieprzyjemnych zapachów czy zanieczyszczeń itp.). Bibliografia [1] Lewandowski W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii. Wydanie IV. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa [2] Zawadzki M.: Kolektory słoneczne, pompy ciepła - na tak. Wydawnictwo Zawadzki, Polska Ekologia, Warszawa [3] Zalewski W.: Pompy ciepła sprężarkowe, sorpcyjne i termoelektryczne. Podstawy teoretyczne. Przykłady obliczeniowe. Wydawnictwo IPPU MASTA. Gdańsk [4] Rubik M.: Pompy ciepła. Wyd III, Wydawnictwo Ośrodek Informacji Technika Instalacyjna w Budownictwie, Warszawa [5] Oszczak W.: Ogrzewanie domów z zastosowaniem pomp ciepła. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa [6] Klugman-Radziemska E.: Odnawialne źródła energii. Przykłady obliczeniowe. Wyd. IV, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk [7] (marzec 2015). [8] (marzec 2015). [9] (marzec 2015). 73

75 VI. MAŁE SIŁWONIE WIATROWE W Polsce działają 93 przedsiębiorstwa oferujące zmienny zakres usług w obszarze inwestycji w małe elektrownie wiatrowe. Zaobserwowano duży spadek liczby firm w stosunku do lat ubiegłych (nawet 50% w stosunku do 2011 r.). W ofercie przedsiębiorstw występuje 60 modeli mikrowiatraków w rozmaitym zakresie mocy i technologii produkcji. Dominują mikro wiatraki o poziomej osi obrotu i mocy od 1 do 3 kw. Rys Rynek małych elektrowi wiatrowych w Polsce Wg przyjętej Strategii Rozwoju Energetyki Wiatrowej w Polsce do 2020 roku małe elektrownie wiatrowe (MEW) o niewielkich mocach rzędu 1-10 kw w miastach (zazwyczaj z wirnikami o osi pionowej) i do 100 kw na obszarach wiejskich, wykorzystywane będą przez indywidualnych konsumentów energii w tzw. systemie DSM. Rozwiązania te dobrze wpisują się w koncepcję rozwoju tzw. inteligentnych sieci [15]. W dokumencie tym przewiduje się, że w efekcie rozwoju i komercjalizacji małych elektrowni wiatrowych oraz przejściowych, ale niezwykle istotnych problemów z przyłączaniem większych jednostek do sieci elektroenergetycznej, a także wskutek stopniowego pojawiania się pojazdów elektrycznych (wszystkie koncerny samochodowe planują wprowadzenie na rynek samochodów elektrycznych typu plug in ), wzrośnie zapotrzebowanie na małe elektrownie wiatrowe, o mocy poniżej 100 kw, lokalizowane zarówno na terenach wiejskich ( kw), jak i w miastach (urządzenia o mocach 1-10 kw). Moc uzyskana tym sposobem w małych elektrowniach wiatrowych w latach nie będzie duża (skala inwestycji realizowanych w latach nie przekroczy 5-50 MW w ciągu roku, ale jej rozwojowi już w najbliższych latach sprzyjać będą konkursy na dotacje na pakiety takich inwestycji w poszczególnych gminach, ogłaszane już teraz (na tzw. pakiety małych projektów grupowych do realizacji przez gminy w sektorze OZE) w ramach RPO i Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich (PROW). Na 74

76 rysunku 6.2 przedstawiono planowany przyrost mocy elektrowni wiatrowych w Polsce do 2020 roku. Rys Przyrost mocy elektrowni wiatrowych w Polsce do 2020 r. [15] Wg innego dokumentu a mianowicie Krajowego Planu Działań w zakresie energii ze źródeł odnawialnych (KPD) przyjętego do realizacji przez Radę Ministrów 7 grudnia 2010 roku po raz pierwszy uwzględniono, jako odrębną kategorię, energię generowaną z małych elektrowni wiatrowych, tj. 550MW do 2020r., co stanowi odpowiednik budowy ponad 100 tys. pojedynczych instalacji [16]. Przewiduje się, że skala całej inwestycji osiągnie obroty 6,6 mld zł do 2020 roku. Ponadto Polska zobowiązana jest do wprowadzenia ustawy o odnawialnych źródłach energii w ramach implementacji dyrektywy 2009/28/WE. Już dniu dzisiejszym Przedsiębiorcy wywodzący się z sektora małej energetyki wiatrowej oczekują zróżnicowania wielkości wsparcia dla poszczególnych technologii energetyki odnawialnej oraz uproszczenia procedur prawnych w zakresie instalacji małych elektrowni wiatrowych w odróżnieniu od dużych farm wiatrowych i innych technologii OZE. Warto wspomnieć, że Instytut Energetyki Odnawialnej w ramach swojej działalności prowadzi pilotażowe badania wśród kluczowych przedstawicieli rynku MEW (Małe Elektrownie Wiatrowe), których celem jest zebranie możliwie najpełniejszej informacji statystycznej oraz co ważniejsze, szczegółowa analiza szans rozwoju i problemów sektora MEW. IEO zidentyfikował ponad 70 firm, które aktywnie działają w branży małej energetyki wiatrowej (producenci, dystrybutorzy, importerzy, instalatorzy i inne). Wg tych badań Polski sektor MEW znajduje się aktualnie w początkowej fazie rozwoju, jako że w zdecydowanej większości reprezentowany jest przez mikro-przedsiębiorstwa, które branżą MEW zajmują się od 2-3 lat. Udział przychodów z tytułu produkcji i sprzedaży turbin, bądź ich komponentów waha się w dużym zakresie od 10 do 100% całkowitego budżetu firm, który uzależniony jest w zależności od tego czy firma jest producentem turbin (większy udział), czy importuje i sprzedaje zagraniczne systemy MEW, jako jedne z produktów oferowanych w firmie (mniejszy udział). Większość firm z sektora zadeklarowało wzrost sprzedaży od 15 do 30% (w przypadku dystrybutorów), a niektórzy 75

77 producenci planują podwojenie swojej produkcji, jednak z uwagi na małą skalę prowadzonej działalności, są to nadal małe wielkości. Prawie 90 % badanych przez IEO firm stwierdziło, że najistotniejszą szansą dla rozwoju sektora MEW będzie uproszczenie i ujednolicenie procedur oraz przepisów w zakresie wydawania pozwoleń na budowę przydomowych elektrowni wiatrowych oraz stworzenie programu dofinansowania inwestycji. W pierwszej piątce szans znalazły się również zmiany w prawie energetycznym ułatwiającym podłączenie do sieci małe elektrownie wiatrowe (tzw. net-metering) 82%, zwiększenie puli środków z budżetu państwa na badania i rozwój nowoczesnych technologii OZE 79% oraz przeszkolenie organów administracji publicznej w zakresie możliwości wykorzystania technologii OZE we własnych gminach 64%, inne równie istotne szanse to ogólnopolskie kampanie informacyjne nakierowane na końcowych inwestorów, nośny portalu wymiany informacji promującej technologie małej energetyki wiatrowej oraz rozwiązań małych turbin wiatrowych zintegrowanych z innymi technologiami OZE (np. PV, kolektory słoneczne, pompy ciepła i inne) ponad 60%. Główne problemy zidentyfikowane przez sektor MEW (analizy IEO), które wymagają natychmiastowego rozwiązania to brak oferty banków, które sfinansowałyby budowę małych elektrowni wiatrowych 89%, niska świadomość społeczna w zakresie możliwości wykorzystania małych turbin wiatrowych, skomplikowane procedury i zasady współpracy z operatorem sieci energetycznej po 73% oraz wysokie koszty budowy małych elektrowni wiatrowych 62%. Podsumowując, mała energetyka wiatrowa z jednej strony wymaga stworzenia systemu wsparcia poprzez system dotacji lub kredytów, a z drugiej uregulowanie zasad współpracy małych elektrowni wiatrowych z siecią elektroenergetyczną (net metering), dzięki którym nie będzie koniczności budowy magazynów energii (akumulatorów), które są znaczącym kosztem inwestycji. Ponadto ożywczy wpływ na sektor MEW będą miały kampanie informacyjne i portal tematyczny, które w podniosą świadomość potencjalnych inwestorów nt wykorzystania OZE, w tym małej energetyki wiatrowej. Turbina o pionowej osi obrotu typu VAWT (vertical axis wind turbine) zaliczana jest do bardzo perspektywicznych produktów na polskim rynku w obszarze OZE. Jest wiele powodów, przez które mogą one szerzej zaistnieć na polskim rynku w przyszłości. Najważniejsze z nich to [2], [4], [6], [11]: - praca wybranych turbin VAWT jest już realizowana przy prędkości wiatru od 2 m/s; - sprawność turbin VAWT jest znacznie wyższa niż przy turbinach o poziomej osi obrotu; - niezakłócona praca turbin VAWT przy zmiennym wietrze; - prawidłowa praca turbin VAWT na terenach zurbanizowanych, również w centrach miast; - możliwość umieszczania turbin VAWT bezpośrednio na budynkach; - turbiny VAWT są bezpieczne dla ptaków; - śmigła turbin VAWT pracują znacznie ciszej, niż śmigła turbin o poziomej osi; - turbiny VAWT charakteryzują zredukowane do minimum wibracje; - prosta konstrukcja turbin VAWT powoduje, że są łatwe w montażu; - nie wymagają wysokich masztów (przy korzystnych warunkach otoczenia wystarcza wysokość 4 m nad poziomem terenu); - turbiny VAWT wytwarzane są z najwyższej jakości materiałów (w tym z kompozytów), co gwarantuje trwałość i bezawaryjną pracę systemu; - turbiny VAWT są elektronicznie sterowane i kontrolowane. 76

78 Ponadto: - wytwarzanie energii elektrycznej z darmowego źródła, jakim jest wiatr przynosi wymierne korzyści finansowe; - źródła odnawialne posiadają niewyczerpane zasoby; - wykorzystanie wiatru do wytwarzania energii elektrycznej nie zatruwa środowiska; - użytkowanie turbin wiatrowych uniezależnia od sieci energetycznej i dystrybutora; - własna turbina daje bezpieczeństwo energetyczne w przypadku awarii sieci przesyłowej lub elektrowni; - możliwość współpracy turbin z ogniwami fotowoltaicznymi pozwala na wykorzystanie systemów hybrydowych przez cały rok. Tabela 6.1. Porównanie aspektów eksploatacji siłowni o osi pionowej i poziomej [7][6] Rozbudowa i upowszechnienie MAŁYCH ELEKTROWNI WIATROWYCH spowoduje rozproszenie systemu energetycznego. Będzie to oznaczało, że energia elektryczna będzie wytwarzana tam, gdzie jest zużywana. Ograniczy to konieczność rozbudowy sieci przesyłowych. Szczególnie atrakcyjne wydaje zastosowanie małych elektrowni wiatrowych zintegrowanych z budynkami bądź innymi elementami infrastruktury miejskiej. Przedstawiono to na rysunku 6.3. Rys Układ budynków wymuszający wzrost prędkości napływającego powietrza na wirnik W najbliższych piętnastu latach znacząco zwiększy się prawdopodobnie ilość energii wytwarzanej w małych elektrowniach wiatrowych. Turbiny wiatrowe staną się urządzeniami powszechnie wykorzystywanymi do produkcji energii. Przemiany te dokonają się dzięki możliwościom, jakie daje technologia VAWT. Przydomowe elektrownie wiatrowe mogą służyć jako dodatkowe źródło energii, które w pewnym stopniu uniezależnia od sieci lokalnego dystrybutora energii elektrycznej. Przydomowa elektrownia wiatrowa może dostarczać prąd na potrzeby odbiornika autonomicznego (wydzielonego), czyli działającego niezależnie od sieci elektroenergetycznej. Siłownie wiatrowe montowane na dachach oferowanych hal mogą się znacząco przyczynić do zwiększenia ich konkurencyjności na rynku wynajmu bądź sprzedaży. 77

79 Przykłady wykorzystania innowacyjnych siłowni wiatrowych Koncepcja Highway turbine: Idea polega na wykorzystaniu przepływu naturalnego powietrza lub podmuchów wywołanych przez pojazdy poruszające się na autostradzie. Wprawiona w turbina wiatrowa (typu Darrieusa) generuje prąd, który może służyć do zasilania lamp autostradowych. Turbina jest w stanie pracować nawet przy bardzo niskich prędkościach wiatru (25 km/h). Rys Przykłady planowanych zastosowań siłowni wkomponowanych w układy drogowe I. Turbiny systemu Helix: Jest to turbina Savoniusa w wersji świderkowej przeznaczona do pokrywania części zapotrzebowania na energię elektryczną przez gospodarstwa domowe czy obiekty użyteczności publicznej. Może być montowana na dachach domów lub niewielkiej wysokości słupach. Pracuje już przy wiatrach rzędu 15 km/h (około 5 m/s). Rys Przykłady siłowni helix - Turbiny systemu MAG WIND: Ilość energii produkowana przez tego typu turbinę zależna jest od trzech czynników: prędkości wiatru, kształtu dachu (efekt koncentracji prędkości wiatru) oraz rozmiaru łopat. 78

80 Rys Przykłady siłowni MAG WIND - Turbina wiatrowa systemu Nheowind: Turbiny te Wykorzystują prawo Bernoulliego dotyczące prawa zachowania energii w płynie. Strumień powietrza jest akumulowany, a nie wyrzucany na zewnątrz. Specjalne odgięcia łopatek i rozpórki zwiększają ich wytrzymałość. Rys Przykłady siłowni Nheowind - Rozwiązanie Energy Ball: Turbina składa się z 6-ciu wyprofilowanych płatów połączonych końcami z wirnikiem tworząc kulę. Charakterystycznym jest równoległy przepływ względem osi wirnika, gdzie najpierw następuje zawężenie strumienia powietrza a następnie jego przyspieszenie przez wirnik (tzw. efekt Venturiego). 79

81 Rys Przykłady siłowni Energy Ball - Projekt M.A.R.S (Magenn Air Rotor System): Rozwiązanie polega na wykorzystaniu obracającego się zbiornika wypełnionego gazem lżejszym od powietrza. Generatory znajdujące się na osiach obrotu wytwarzają energię elektryczną. Rys Rozwiązanie systemu M.A.R.S (Magenn Air Rotor System) - Architectural Wind: To modułowy system turbin wiatrowych, które łatwo instaluje się w nowych i istniejących budynkach komercyjnych. Opiera się o opatentowany projekt AV, który zwiększa wydajność turbin elektrycznych w wytwarzaniu energii o ponad 50%. Rys Rozwiązanie systemu Architectural Wind 80

82 Jest też mniej hałaśliwy w porównaniu do tradycyjnych konstrukcji turbin wiatrowych. Wibracje przenoszone na budynek zostały ograniczone praktycznie do minimum dzięki specjalnemu systemowi instalacji. Kiedy wiatr uderza w budynek, tworzy się obszar przyśpieszonego przepływu powietrza. Dzięki swojej budowie (wysięgnikowi) turbiny chwytają wiatr i generują energię elektryczną. Turbina FloDesign: Czerpiąc inspirację z konstrukcji silnika odrzutowego, prototyp turbiny FloDesign jest trzy razy bardziej wydajny w konwersji wiatru na energię elektryczną niż dzisiejsze trzy-łopatkowe modele. Osłony wykonane bezpośrednio ze wzorów turbin lotniczych tworzą wir i zwiększają prędkość wiatru przechodzącego przez turbinę. Turbina działa równie dobrze przy niższych prędkościach wiatru i jest obojętna na zmienność wzorców wiatru. Rys Rozwiązanie prototypu turbiny FloDesign Instalacje turbin wiatrowych w łącznikach budynków: Przykładem wdrożenia takiego systemu siłowni wiatrowej jest Bahrain World Trade Center. Rys Rozwiązanie turbin funkcjonujących w łącznikach budynków 81

83 Specjalny kształt wirników: Ostrza wirnika WhalePower różnią się od standardowych wgłębieniami zrobionymi na wzór płetwy wieloryba. Dzięki takiemu rozwiązaniu roczny wzrost produkcji energii elektrycznej z takich turbin w stosunku do tradycyjnych wynosi 20%. Dzięki wdrożonemu rozwiązaniu możliwa jest praca wirnika turbiny pod większym kątem do wiatru nie powodując przeciążeń i nie tworząc zbyt wielkich oporów wiatru. Możliwe do uzyskania są kąty o 40% większe od stosowanych w standardowych elektrowniach wiatrowych Rys Rozwiązanie wirnika WhalePower Systemy hybrydowe: siłownia wiatrowa-pv. Tego typy układy łączą w sobie dwie metody wytwarzania energii elektrycznej. Pozwalają efektywnie zasilać układy domowe oraz systemy oświetleniowe. Rys Ukąłd hybrydowy: fotowoltaika plus małe elektrowania wiatrowa Podsumowanie Podsumowując przeprowadzoną ocenę najnowszych technologii stosowanych w głównie małej energetyce wiatrowej i kierunki ich zmian należy stwierdzić że: - Obecne działania w zakresie konstrukcji turbin wiatrowych zmierzają w kierunku zwiększenia ich efektywności działania. Stąd trend budowy siłowni w których eliminuje sie przekładnie na rzecz specjalnych generatorów wolnoobrotowych. 82

84 - W zakresie tzw. małych elektrowni wiatrowych należy stwierdzić silny trend w zakresie ich integracji z układami urbanistycznymi. Wykorzystanie budynków wymuszających wzrost prędkości napływającego powietrza na wirnik pozwala zwiększyć efektywność tego typu rozwiązań na małych wysokościach. - Wszelkie modyfikacje rozwiązań małych siłowni o osi poziomej bądź pionowej zmierzają do zmniejszenia hałasu podczas ich pracy oraz do rozszerzenia zakresu ich działania w przedziale bardzo małych prędkości oraz bardzo dużych prędkości wiatru. - Charakterystyczną cechą dla układów małych elektrowni wiatrowych w systemach przydomowych jest trend łącznia ich w z instalacjami fotowoltaicznymi. Wynika to z faktu możliwości wyrównania rocznej produkcji energii elektrycznej w ciągu roku. Zagadnienie to przedstawiono na rysunku Rys Współpraca instalacji siłowni wiatrowej i instalacji fotowoltaicznej Wartym podkreślenia jest funkcjonowanie również w wojwództwie kujawskopomorskim producentów małych elektrowni wiatrowych. Airon Green Energy Turbines jest nowo powstałą dywizją firmy Airon Investment SA, która wyspecjalizowała się w produkcji nowoczesnych i wyjątkowo wydajnych turbin wiatrowych małych mocy (0,4 do 3kW), które znajdują swoje zastosowanie jako generatory energii także w miejscach, które mają ograniczony dostęp do sieci energetycznej. Oferowane turbiny charakteryzują się tym, że (rys. 6.16): - sprawdzają się w miejscach o ograniczonym dostępnie do sieci energetycznej, - pracują bezawaryjnie, ponieważ posiadają bezobsługowe sterowniki mikroprocesorowe, - optymalnie/efektywnie wykorzystują energię wiatru, - są bezpieczne w użytkowaniu posiadają bezwładnościowy hamulec mechaniczny, - są urządzeniami o niskiej emisji hałasu, dzięki udoskonalonemu kształtowi łopat, - są urządzeniami małymi o dużej mocy i wydajności, - można je łączyć w systemy szeregowe, - są ciche, wydajne i niezawodne. 83

85 Rys TURBINA VERTI oraz TURBINA LEONARDO Airon Green Energy Turbines [ Biliografia [1] Lubośny Z.: Elektrownie wiatrowe w systemie elektrotechnicznym. Wyd. II, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa [2] Lewandowski W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii. Wydanie IV. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa [3] Ligus M.: Efektywność inwestycji w odnawialne źródła energii. Wydawnictwo CeDeWu. Warszawa [4] Praca zbiorowa: Odnawialne i niekonwencjonalne źródła energii. Poradnik, TARBONUS [5] Lubośny Z.: Farmy wiatrowe w systemie elektroenergetycznym. Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, Warszawa [6] Boczar T.: Energetyka wiatrowa. Aktualne możliwości wykorzystania. Wydawnictwo PAK, Warszawa 2008 [7] Flaga A. Inżynieria wiatrowa. Podstawy zastosowania. Wydawnictwo Arkady, Warszawa [8] Jastrzębska G.: Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne. Wydawnictwo Naukowo- Techniczne, wyd. II, Warszawa [9] Krawiec F.: Odnawialne źródła energii w świetle globalnego kryzysu energetycznego. Wybrane problemy. Wydawnictwo Difin. Warszawa [10] Nowak W., Stachel A.A., Borsukiewicz-Gozdur A.: Zastosowania odnawialnych Źródeł Energii. Wydawnictwo Naukowe Politechniki Szczecińskiej, Szczecin [11] Wolańczyk F.: Elektrownie wiatrowe. Wydawnictwo KaBe. Krosno [12] Pudlik M.: Porywy wiatru jako źródło energii. Wydawnictwo Uniwersytetu Opolskiego, Ople [13] Rozporządzenie ministra środowiska z 9 stycznia 2002 r. w sprawie wartości progowych poziomów hałasu (Dz. U r., nr 8, poz. 81). [14] Ustawa z 2 kwietnia 2004 r. o zmianie ustawy Prawo energetyczne, i ustawy Prawo ochrony środowiska (Dz. U. nr 9 1, poz. 875). [15] Raport Wizja rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce do 2020 r. - Polskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej - styczeń 2014r. [16] Krajowy plan działania w zakresie energii ze źródeł odnawialnych grudzień [17] Raport - Energetyka wiatrowa w Polsce - Instytut Energii Odnawialnej - IEO grudzień [18] Badania nad sektorem małej energetyki wiatrowej - Newsletter IEO marzec [19] [20] r. 84

86 VII. MAŁE ELEKTROWNIE WODNE Możliwości rozwoju hydroenergetyki w Polsce Polska jest krajem nizinnym, a zasoby hydroenergetyczne naszych rzek są niewielkie. Warunki klimatyczne nie sprzyjają obfitym opadom, nie są one zbyt korzystnie rozłożone. Średni opad roczny wynosi około 600 mm, co daje nam trzecie od końca miejsce w Europie. Do tego dochodzi jeszcze zbyt duża przepuszczalność gruntów i niewielkie spadki terenów. To wszystko nie daje razem powodów du uzyskania dużego potencjału energii wód śródlądowych. Według danych opartych o metodykę Światowej Rady Energetyki, obliczonych w latach 60. Ubiegłego wieku, teoretyczne zasoby wodno-energetyczne Polski wynoszą dla średniego roku hydrologicznego około 25 TWh/rok. Z kolei techniczne zasoby energetyczne wszystkich wód płynących wynoszą około 12 TWh/rok. Techniczne zasoby samych małych elektrowni wodnych (obiektów wodnych do 5 MW) to natomiast około 2 TWh/rok. Łącznie potencjał ten wynosi około 14 TWh/rok (rys. 7.1). W tabeli 7.1. przedstawiono szacunki poszczególnych potencjałów hydroenergetycznych w wybranych krajach. Tabela 7.1. Wykorzystanie potencjału hydroenergetycznego w poszczególnych krajach Kraj teoretyczny Potencjał techniczny Moc zainstalowana Produkcja roczna Wykorzystanie potencjału technicznego TWh TWh GW TWh % Austria 150,0 56,2 11,9 37,2 66,2 Bułgaria 19,8 14,8 1,4 4,6 31,1 Czechy 13,1 3,4 1,0 2,4 70,1 Francja 200,0 25,2 64,6 89,7 Litwa 6,0 2,5 0,1 0,5 18,3 Niemcy 120,0 24,7 4,5 27,9 Polska 25,0 12,0 0,9 2,3 19,1 Rumunia 70,0 40,0 6,3 16,0 39,9 Słowacja 10,0 6,6 1,8 4,3 64,8 Włochy 150,0 69,0 17,5 38,5 55,8 Albania 40,0 15,0 1,5 5,4 35,8 Norwegia 600,0 29,4 121,8 59,4 Ukraina 45,0 23,5 4,5 12,2 51,9 Europa 2900,8 1120,5 178,8 531,0 47,4 Jeszcze do niedawna istotną część wsparcia rządowego na energetykę wodną pochłaniały duże elektrownie wodne, które niestety nie inwestowały w rozwój nowych źródeł energii, pieniądze przekazywały natomiast na bieżącą amortyzację, czyli 85

87 utrzymywanie przy życiu w znacznej mierze przestarzałych i mało wydajnych technologii. Nowe uregulowania prawne (Ustawa o Odnawialnych Źródłach Energii) niestety utrwaliły tę sytuację w Polsce. Rys Potencjał hydroenergetyczny Polski [4, 8] Budowa elektrowni wodnych, wymagających tworzenia dużych zbiorników piętrzących wodę, napotyka na protesty związane z ochroną środowiska. Elektrownie takie powodują spustoszenie w lokalnych ekosystemach, stanowią istotną najczęściej negatywną interwencję w lokalne czy regionalne stosunki wodne, wywołują niekorzystne zmiany w mikroklimacie, a w skrajnych przypadkach mogą nawet wywoływać zaburzenia tektoniczne. Posadowione w biegu rzek zapory są także nieprzekraczalną barierą dla migrujących ryb. Ponadto ich budowa jest długotrwała i kosztowna, a czas zwrotu poniesionych nakładów bardzo długi. Dodatkowo budowa gigantycznych zapór i sztucznych zbiorników może napotykać na protesty społeczności lokalnych obawiających się o swoje bezpieczeństwo, a także na problemy związane z prawem własności gruntów, które miałyby być zalane. Co najważniejsze, w Polsce jest niewiele miejsc o znacznych różnicach wysokości, które umożliwiałyby tworzenie piętrzeń wody, pozwalających na produkcję energii o zadowalającej mocy. Do tego dochodzą skomplikowane procedury wymagające wielu zezwoleń od różnych instytucji, długiego procesu planowania, analiz oddziaływania. Powyższe trudności dotyczą ponad połowy polskiego potencjału hydroenergetycznego. A warto sobie zdaważ sprawę, że zgodnie z szacunkami TRMEW 8500 GWh/rok mogłoby być produkowane w instalacjach wodnych na poziomie potencjału ekonomicznego, a więc po odjęciu ograniczeń środowiskowych i wybraniu najekonomiczniejszych lokalizacji. Na rysunku 7.2 przestawiono porównanie wykorzystanie technicznego potencjału hydroenergetycznego w różnych krajach Europy. 86

88 Rys Wykorzystanie technicznego potencjału hydroenergetycznego w wybranych krajach EU [4, 8] Mała energetyka wodna Małe Elektrownie Wodne mają większy potencjał lokalizacyjny w naszym kraju niż duże elektrownie, gdyż do zasilania swoich turbin prądotwórczych wykorzystują niskie piętrzenia wody. Nie są też szkodliwe dla środowiska głównie z uwagi na niewielką skalę, ale także ze względu na to, że buduje się przy nich przepławki dla ryb lub konstrukcje umożliwiające ich swobodną migrację. Ponadto czas projektowania i montażu małych elektrowni jest krótki, a ich żywotność i niezawodność sięga nawet 100 lat. Oprócz klasycznych turbin Kaplana, Peltona czy Deriaza w małych elektrowniach wodnych zaczyna się wykorzystywać turbiny zapewniające dużą efektywność przy małych spadach wody oraz małym szodliwym wpływie na ryby. Coraz większą popularnością cieszą się turbiny ślimakowe. Tzw. śruby Archimedesa mają podobną zasadę działania jak pompy ślimakowe (rys. 7.3). Rys Przykład małej elektrowni wodnej wykorzytujacej turbinę ślimakową [8] Głównymi elementami tego typu turbin jest wirnik turbiny wstawiony w rynnę i zawieszony na górnym i dolnym łożysku. Wirnik połączony jest za pomocą przekładni z generatorem asynchronicznym typowym generatorem stosowanym w Małych Elektrowniach Wodnych. Prosta i skuteczna przekładnia i system regulacji zapewnia optymalną wydajność turbiny w przedziale od 10 % do 100 % przepływu wody. Turbiny ślimakowe przeznaczone są do wykorzystania na małych spadach i różnych przepływach wody. Turbiny te zostały zaprojektowane z myślą o uzupełnienie istniejących rozwiązań turbin wszędzie tam, gdzie inne systemy pozyskania energii z wody są zawodne lub nieopłacalne ekonomicznie. Jej zalety są następujące: 87

89 - niskie koszty w porównaniu z tradycyjnymi turbinami wodnymi; - zastosowanie na małych spadach; - jednolita, zwarta i prosta konstrukcja; - długa żywotność; - wysoka sprawność; - działanie przy bardzo małych przepływach; - prosta obsługa i niskie nakłady eksploatacyjne; - łatwość montażu w jazach; - układ przyjazny dla środowiska naturalnego. Największą zaletą małęj elektrowni wodnej jest to, że instalacja tego typu może być zainstalowana blisko społeczności wiejskich, co znacznie zmniejsza koszty przesyłu i związanych z nim strat energetycznych. Dodatkowo mała elektrownia wodna może stanowić dla wiejskiej społeczności element stabilizujący system energetyczny, oparty na urządzeniach rozproszonej energetyki. W porównaniu do innych odnawialnych źródeł energii, czyli wiatru i słońca, energetyka wodna jest stabilnym źródłem energetycznym. Dlatego też może stanowić doskonałe uzupełnienie dla lokalnej energetyki prosumenckiej, połączonej inteligentną siecią, a w dniach bezwietrznych lub o wysokim zachmurzeniu to bezpieczne i przewidywalne źródło energii. Lokalna energetyka wodna, która charakteryzuje się stosunkowo niskimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi, łatwością obsługi oraz krótkim okresem budowy i uruchamiania nowej konstrukcji. Ponadto odznacza się zdecydowanie mniejszym, łagodniejszym wpływem na otaczający ekosystem (a czasami nawet polepszeniem środowiska naturalnego i mikroklimatu w przypadku eliminacji lokalnych, konwencjonalnych stacji energetycznych opartych na spalaniu paliw kopalnych). Małe hydroelektrownie dostarczają obecnie na całym świecie ponad 40 GW energii elektrycznej, jednakże ich całkowity możliwy potencjał jest szacowany na ponad 100 GW. Same Chiny dostarczają 15 GW energii elektrycznej i planują zwiększyć w bieżącej dekadzie całkowitą moc swych hydroelektrowni o następne 10 GW. Warto zaznaczyć, że energetyka wodna zaspokaja ok. 17% całkowitego zapotrzebowania UE na elektryczność. Sam sektor małej hydroenergetyki wytwarza tu ponad 8 GW energii. Szacuje się, że przy zastosowaniu odpowiedniej infrastruktury technicznej istnieje możliwość powiększenia wydajności tego sektora o dodatkowe 18 GW. Przykładowo w Wielkiej Brytanii sektor ten obejmuje małe hydroelektrownie (o mocy poniżej 5 MW) rozproszone w ok. 120 miejscach (zlokalizowane szczególnie w Szkocji i Walii) o całkowitej mocy ok. 100 MW. Niemniej dokładne pomiary hydrologiczne wskazują na istnienie dodatkowych 400 MW niewykorzystanego dotąd potencjału. W samej Anglii znajdują się tysiące pozostałości historycznych po dawnych młynach wodnych, których pełne wykorzystanie z użyciem nowoczesnych, wysoko wydajnych systemów hydroenergetycznych przyniosłoby według szacunkowych obliczeń dodatkowe 50 MW czystej energii elektrycznej. Wydaje się, iż małe elektrownie w najbliższych latach będą miały zdecydowany wpływ na kształtowanie sektora hydroenergetycznego na świecie. Rozpatrując zagadnienia malej hydroenergetyki, należy zwrócić szczególną uwagę na Chiny. Kraj ten posiada aż 17% światowych zasobów hydroenergetycznych. Szacunkowe, ekonomicznie opłacalne zasoby tego rozległego i zróżnicowanego geograficznie kraju oceniane są na ponad 70 GW. Zainstalowano tam prawie 40% światowej infrastruktury energetycznej związanej z małymi hydroelektrowniami. 88

90 Warto zwrócić uwagę również na możliwość stosowania układów przepływowych (bez spiętrzania wody) w hydroenergetyce. Tego typu układy stają się bardzo popularne - zwiększają ekonomiczną efektywności transformacji dostępnej energii wodnej. Przykłady tego typu rozwiązań przedstawiono na rysunkach Rys Turbina hydrokinetyczna na cieku wodnym: 1 - rotor Savoniusa, 2 - obudowa mieszczaca generator i przekładnię, 3- przekładnia, 4 - generator, 5 - podstawa [ Rys Turbina hydrokinetyczna przepływowa na bazie turbiny kaplana z dyfuzorem [Smart Hydro Power - Coraz popularniejsze stają się konstrukce oparte o klasyczne koło wodne. Na rysunku 7.6 przedstawiono rozwiązanie firmy Enercat Italia. Instalacja systemów typu koło wodne we Włoszech niedaleko Turynu na Canavese Canal na obecnym etapie składa się 7 z siedmiu kół wodnych o mocy 132 kw. Docelowo ma to być 80 kół wodnych na odcinku 33 km całego kanału. Rys Turbina hydrokinetyczna na cieku wodnym typu koło wodne [ 89

91 Zasadniczą zaletą małych hydroelektrowni jest praca z bardziej skoncentrowanym, stabilnym i przewidywalnym źródłem energii, niż ma to miejsce w przypadku energii wiatru lub energii słońca. Stosunkowo prosta, a przez to mniej podatna na awarie instalacja generująca energię elektryczną nie wymaga zasilania żadnym dodatkowym paliwem (w skali globalnej dotyczy to znacznej redukcji zużycia paliw kopalnych), a jedynie ograniczonych kosztów utrzymania i bieżącej konserwacji. Jest to więc długoterminowa, opłacalna ekonomicznie i ekologicznie czysta technologia, przyjazna środowisku naturalnemu. Jako mały obiekt, lokalizowany bezpośrednio na rzece lub większym strumieniu, nie wymaga budowy zapór spiętrzających, tam albo innych obiektów inżynierskich, które mniej lub bardziej ingerują bezpośrednio w lokalny ekosystem hydrologiczny, a pośrednio w całokształt złożonych oddziaływań w otaczającym obiekt środowisku naturalnym. Pamiętać należy, że mimo ciągłego wzrostu efektywności, jakości i niezawodności coraz nowocześniejszych hydroturbin czynniki te stają się nieistotne, jeśli dołączona infrastruktura (np. zintegrowany mechanicznie z hydroturbina generator prądu) jest do nich niedopasowana pod względem kompatybilności technicznej. Kluczowym parametrem oceny efektywności danego rozwiązania hydroenergetycznego jest więc efektywna ilość wytwarzanej energii elektrycznej w funkcji kosztów inwestycyjnych obiektu. Większość wysiłków projektowych skupia się tym samym na poprawie całkowitej efektywności ekonomicznej wysoce zintegrowanych systemów energetycznych hydroturbina - generator prądu elektrycznego. Równolegle wysiłek konstruktorów obejmuje m.in. standaryzację (redukcja kosztów produkcji) sprawdzonych przez lata urządzeń w miejsce projektowania coraz to nowych, bardziej wyszukanych i skomplikowanych w produkcji oraz obsłudze rozwiązań technicznych. Uwagę skupia się na niezawodnych, możliwie prostych, ale efektywnych konstrukcjach, sprawdzonych w szerokim zakresie warunków eksploatacyjnych i na tanim sposobie ich produkcji. Poświęcono się również opracowaniu, testowaniu oraz wdrażaniu nowych materiałów konstrukcyjnych (np. nowoczesne, wytrzymałe materiały kompozytowe, plastiki, materiały antykorozyjne, uszczelnienia). Umożliwić ma to ich wytwarzanie na masową skalę, a tym samym szersze zastosowanie w wielu mniej gospodarczo rozwiniętych rejonach świata. Przykładem tutaj może być w województwie kujawsko-pomorskim działalność wdrożeniowa firmy Airon Investment S.A. (rys. 7.7.) Rys Różne warianty turbin hydrokinetycznych przepływowych weryfikowane na sztucznym kanale przez bydgoską firmę Airon Investment S.A. [ 90

92 Wprowadzenie systemu turbina-generator prądu do już istniejącej infrastruktury wnosi tylko dodatkowe zyski, zwiększając korzyści ekonomiczne płynące z zasadniczej, wielofunkcyjnej konstrukcji. Szacuje się (US National Hydropower Association), iż w ciągu następnych 15 lat (do ok r.) amerykański potencjał hydroenergetyczny może wzrosnąć o 27% ( MW) bez konieczności budowy nowych zapór, a tylko z odpowiednim, bardziej racjonalnym wykorzystaniem już istniejącej infrastruktury ponad 75 rys. zapór wodnych. Coraz ważniejsze staje się więc umiejętne wykorzystanie obszarów charakteryzujących się niskimi różnicami wysokości spadku wody, które przeważają większość z uwagi na uwarunkowania geograficzne i demograficzne (obszary górskie, szczególnie dogodne dla hydroenergetyki mają mniejszą gęstością zaludnienia i wymagają kosztownego przesyłu energii elektrycznej). Podsumowanie Jedną z przeszkód w rozwoju Małych Elektrowni Wodnych w Polsce jest niski poziom wsparcia rządowego, a także plany likwidacji tego wsparcia przy okazji wprowadzenia w życie długo oczekiwanej Ustawy o OZE. Szanse rozwoju energetyki wodnej w Polsce są bardzo ograniczone z wielu względów, nie tylko geograficznych, ale także politycznych. Od lat 70. XX wieku moc zainstalowana w tego typu instalacjach znacznie spadła. Budowa dużych elektrowni wodnych jest trudna ze względu na wysoki koszt, a także zagrożenia dla środowiska. Rozwoju polskiej energetyki wodnej należy oczekiwać w małych, lokalnych instalacjach, pozwalających jedynie częściowo zapewnić energię elektryczną dla niewielkich, wiejskich społeczności. Osiągnięcie prognozy wzrostu małej energetyki wodnej w Polsce jest możliwe dzięki zmianom technologicznym i społeczno gospodarczym, które miały miejsce na przestrzeni ostatnich 20-tu lat, jednak aby je osiągnąć nie wystarczy zainteresowanie inwestorów i zaangażowanie środowiska OZE/hydro-energetycznego, niezbędne jest istnienie czytelnych i sprawiedliwych reguł gry odnoszących się do dostępu i eksploatacji obiektów hydro-energetycznych w kontekstach: społecznym, środowiskowym i ekonomicznym. Realizacja jej założeń spowoduje: - Wzrost wykorzystania potencjału hydroenergetycznego - Odbudowę i poprawną eksploatację infrastruktury gospodarki wodnej - Wzrost retencji i mikro retencja wraz z funkcją przeciw powodziową - Budowę przepławek dla ryb - Budowę przystani kajakowych - Ochronę dóbr kultury / Gościnna Elektrownia - Odtworzenie szlaków wodnych, łowisk, rozwój agroturystyki - Powstanie nowych miejsc pracy Nowe technologie hydroenergetyczne, takie jak VLH (możliwość pracy przy niskich spadach - Very Low Head), turbina Archimedesa, turbina wirowa, czy jazy powłokowe stwarzają możliwości inwestowania tam, gdzie 50 lat temu z powodów technicznych, ekonomicznych, hydrologicznych lub przyrodniczych nie było to możliwe. 91

93 Rys Turbozespół VLH (Very Low Head) [8] Nowe koncepcje wytwarzania i dystrybucji energii elektrycznej, takie jak generacja rozproszona (mikro-generacja) SmartGrid pozwalają myśleć o wykorzystaniu potencjału, który 50 lat temu był uznawany za nieistotny. Zmiany gospodarczo społeczne, wywołały pojawienie się na rynku OZE nowych grup inwestorów: mikro przedsiębiorcy, inwestorzy indywidualni, rolnicy, co spowodowało, że tereny inwestycyjne MEW, które z powodów niewielkiej skali przedsięwzięcia nie były brane pod uwagę 20 lat temu, teraz budzą zainteresowanie. Zdaniem specjalistów z branży w Polsce z powodzeniem może funkcjonować nawet 1000 małych hydroelektrowni. Łącznie mogłyby one produkować nawet 1 milion MWh (1 TWh) energii elektrycznej rocznie (dla porównania wspomnę, iż po modernizacji elektrownia w Solinie produkuje rocznie 112 GWh energii elektrycznej). Inwestycje w MEW poważnie ograniczyłyby emisję dwutlenku siarki, tlenków azotu, czy lotnych popiołów do atmosfery. Jednocześnie pozytywnie wpłynęłyby one na retencję wód i poziom wód gruntowych. Obiekty te nie piętrzą wody na duże wysokości i nie inicjują powstawania dużych zbiorników wodnych ich wpływ na środowisko naturalne jest zatem niewielki. MEW nie mogą oczywiście poszczycić się samymi zwolennikami ten typ OZE posiada cały czas sporą grupę oponentów, którzy dostrzegają w tych obiektach wielkie zagrożenie dla przyrody. Przeciwnicy budowania małych hydroelektrowni podkreślają, iż uniemożliwiają lub poważnie utrudniają one migrację ryb (a także prowadzą do ich okaleczenia), zubożają ekosystem wodny i prowadzą do pogorszenia jakości wody dotyczy to zwłaszcza obszaru powyżej progu elektrowni. Bardzo często też dochodzi do konfliktu podczas inwestycji - potencjalne inwestycje bardzo często znajdują się na obszarach natura 2000 (rys. 7.9) 92

94 Rys MEW a środowisko - konflikt z obszarami natura 2000: z lewej oszary optymalne do budowy MEW - z prawej obszary natura 2000 (na czerwono) [4, 8] Bibliografia [1] Małe elektrownie wodne: poradnik pod redakcją M. Hoffmanna, Towarzystwo Rozwoju Małych Elektrowni Wodnych, Warszawa [2] Łaski A.: Elektrownie wodne. Wyd. Naukowo-Techniczne, Warszawa, [3] Michałowski S., Plutecki J.: Energetyka wodna. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, [4] Małe elektrownie wodne - vademecum. Stowarzyszenie Wykorzystania Energii Odnawialnej, Wyd. II uzupełnione, [5] Lewandowski W.M.: Proekologiczne odnawialne źródła Energii. Wydanie IV. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne. Warszawa [6] Praca zbiorowa: Odnawialne i niekonwencjonalne źródła energii. Poradnik, TARBONUS [7] Bartie A.: Hydropower potential and development activities. Energy Policy 30/2002. [8] Paish O.: Small hydro power: technology and current status. Renewable & Sustainable Energy Reviews 6/2002. [9] Jiandong T., Hicks G.. Small hydropower In China. A new record in world hydropower development. ReFocus 11/12/

95 VIII. PODSUMOWANIE Potencjał naturalny województwa kujawsko-pomorskiego stwarza dogodne warunki dla rozwoju energetyki odnawialnej - w tym szczególnie w zakrese mikroinstalacji. Możliwość wykorzystania odnawialnych źródeł energii (OZE) jest szansą regionu kujawsko-pomorskiego na zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego oraz stwarza możliwość poprawy zaopatrzenia w energię terenów o słabo rozwiniętej infrastrukturze energetycznej. Powstawanie w naszym województwie nowych inwestycji w zakresie odnawialnych źródeł energii może przyczynić się również do redukcji emisji CO2 oraz wpłynąć na oszczędność energii i zwiększenie efektywności energetycznej. Zgodnie z dyrektywą Parlamentu Europejskiego o promocji stosowania energii odnawialnej, stanowiącą część pakietu klimatyczno-energetycznego, Polska została zobowiązana do wytworzenia 15% energii ze źródeł odnawialnych do 2020 roku. Bardzo ważnym aspektem rozwoju odnawialnych źródeł energii są działania na rzecz zwiększenia poziomu świadomości ekologicznej mieszkańców województwa kujawskopomorskiego w zakresie efektywności energetycznej, wykorzystania alternatywnych źródeł energii i ich wpływu na środowisko naturalne oraz racjonalnego kształtowania przestrzeni. Unia Europejska (UE) podejmuje działania mające na celu ograniczenie zmian klimatu ustanawiając w prawie unijnym przepisy wiążące państwa członkowskie. Bardzo ważnym jej działaniem jest próba zjednoczenia polityki klimatycznej i energetycznej przez wdrożenie pakietu energetyczno-klimatycznego potocznie zwanego 3 razy 20 na 2020, którego plan działań przyjęto na Szczycie Rady Europejskiej 8-9 marca 2007 roku. UE zobowiązała się do osiągnięcia 20 procentowego udziału energii odnawialnej w ostatecznym zużyciu energii oraz do obniżenia emisji gazów cieplarnianych o 20 procent w stosunku do poziomu z 1990 roku w terminie do roku 2020 (rys. 7.1). Rys Deklaracje poszczegónyc państw europejskich w zakresie zwiększenia udziału OZE w produkcji energi [ 94

96 Na państwa członkowskie nałożono obowiązek znaczącej poprawy efektywności energetycznej we wszystkich sektorach w celu łatwiejszego osiągnięcia ich indywidualnych celów dotyczących udziału energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto. Polska zadeklarowała udział energii ze źródeł odnawialnych w końcowym zużyciu energii brutto na poziomie 15%. Ze wskaźnika tego oczywiście będzie rozliczana. Podstawowym celem wspomnianej dyrektywy jest zwiększanie stosowania energii ze źródeł odnawialnych wraz z oszczędnością energii i zwiększoną efektywnością energetyczną procesów jej konwersji. Są to elementy, które mają również istotne znaczenie dla zapewnienia i wzrostu bezpieczeństwa dostaw energii, wspierania rozwoju technologicznego i innowacji, a także dla tworzenia możliwości zatrudnienia i rozwoju regionalnego, zwłaszcza na obszarach wiejskich i odizolowanych. Jednocześnie elementy te stanowią środki konieczne do redukcji emisji gazów cieplarnianych i spełnienia postanowień Protokołu z Kioto do Ramowej Konwencji ONZ w sprawie zmian klimatu. Bedzie to miało niezmiernie istotne znaczenie biorac pod uwagę wzrost populacji światowej ludnosci i przewidywane zapotrzebowanie na energię do roku Zdajemy sobie sprawę, że w coraz mniejszym stopniu w następnych dekadach bedziemy wykorzytywać konwencjonalne źródła energii. Warto jednak uzmysłowić sobie, że zapewnienie zapotrzebowania energii nie będzie realizowane głównie przez odnawialne źródła energii - czy też jakiś układ nowej, alternatywnej energii. Ogromne znaczenie będzie miało zwiekszenie efektywności energetycznej, wynikającej głównie ze zmniejszenia strat (np. energooszczędność coraz popularnieszych budunków pasywnych) oraz optymalizacji zużycia energii (inteligentne systemy zarzadzania energią: optymalziacja procesów produkcyjnych itp.). Zagadnienie to przedstawiono to na wykresie poniżej. Rys Populacja światowa i przewidywane zapotrzebowanie na energię w latach [ Bardzo ważnym elementem polityki energetycznej każdego kraju staje się rozwój systemów rozproszonych wytwarzania energii. Polski Krajowy Plan Działania w zakresie 95

97 Odnawialnych Źródeł Energii (KPD) przewiduje 24,7 GW mocy zainstalowanych w mikroinstalacjach do roku 2020 (w tym 1,9 GW w wytwarzaniu energii elektrycznej). Wg Instytutu Energii Odnawialnej pozwoli to na osiągnięcie następujących efektów ekonomicznych i gospodarczych. Rozwijając prezentowane przez Instytut ( założenia należy sadzić, że rozwój OZE pozwoli na: - Zwiększenie bezpieczeństwa energetycznego indywidualnego i lokalnego. Zmniejszenie uzależnienia od importu surowców po zmianie formy energii pierwotnej oraz inne dodatkowe czynniki zestawione w tabeli 7.1. Tabela 7.1. Porównanie wytwarzania enerii centralnego z rozproszonym [ - Mniejsze obciążenie dla sieci elektroenergetycznych. Uzyskuje się to przez to, że energia może być produkowana blisko odbiorcy. Szereg Państw w Europie notuje już w tym zakresie spore sukcesy. Warto soboe jednak zdawać sprawę, że proces ten jest długotrwały. Na rysunku 7.3. przedstawiono rozwój generacji rozproszonej na przykładzie Danii. Rys Rrozwój generacji rozproszonej przykład Danii [ 96

98 - Zmniejszenie strat przesyłowych umożliwia uzyskanie dużej energooszczędności i zmniejszenia ryzyka blackout u. Instalacje rozproszone OZE buduje/montuje się szybko, a w Polsce jest 4,5 mln domów jednorodzinnych, z których potencjalnie każdy może stać się małym generatorem energii (rys. 7.4). Rys Czterokrotne transformowanie napiecia w systemie scentralizowanym: Generator - 400/220kV - 110kV - 15kV - 0,4kV [ - Pobudzenie aktywności gospodarczej. Przewiduje się nawet 26,5 mld zł obrotu handlowego w branży OZE (mikroinstalacje) w nastepnych latach w Polsce produkcja urządzeń, instalacje, serwis, doradztwo. Na rysunku poniżej przedstawiono obroty roczne w poszczególnych branżach OZE w Polsce. Rys Moce zainstalowane oraz roczne obroty finansowe poszczególnych branż OZE [ - Nowe miejsca pracy. Nawet 53 tys. do 2020 roku. Do 2020 roku można stworzyć 53 tys. miejsc pracy, najwięcej przy produkcji mikroinstalacji (14,6 tys.) oraz ich instalacji (13,9 tys.). 97

99 Rys Prognozy tworzenia miejsc pracy w mikroinstalacjach OZE - wyniki skumulowane z podziałem na rodzaje mikroinstalacji do 2020 roku [ - Redukcja emisji CO2 - nawet 75 mln ton rocznie w Polsce. Rozwój systemów OZE w układach rozproszonych pozwoli ograniczyć tzw. niską emisję. Już teraz Polska jest obszarem o bardzo wysokim udziale emisji cząstek PM 10 (rys. 7.7). Rozwój ekologicznych systemów podgrzewania wody użytkowej oraz ogrzewania domów z pewnością tą systację poprawi. Rys Mapa emisji zanieczyszczeń cząstek stałych PM 10 [ Według raportu Wspólnotowego Centrum Badawczego UE (Joint Research Centre) energia pozyskiwana z odnawialnych źródeł energii w których skład wchodzą 98

100 elektrownie wiatrowe, słoneczne, hydroelektrownie i elektrownie na biomasę oraz pływowe jest odpowiedzialna za 64 procent spadku emisji gazów cieplarnianych w 2012 roku. Niemal 2/3 tego spadku emisji wystąpiło przy tym w krajach tzw. starej Europy: Hiszpanii, Szwecji, Niemczech i Włoszech. Raport stwierdza iż w 2012 roku łączna emisja gazów cieplarnianych na terenie państw Unii Europejskiej sięgnęła ekwiwalentu 4546 mln ton CO2. Dzięki energetyce ze źródeł odnawialnych nie wyemitowano do atmosfery 716 mln ton CO2. Większość z 64% spadku emisji, jaki udało się osiągnąć w 2012 roku, przypadło przy tym na energetykę wiatrową i słoneczną oraz klimatyzację i nagrzewanie z OZE (31%) oraz transport zasilany energią odnawialną (5%). Opracowanie niniejsze jest przeglądem możliwości zastosowania różnych form instalacji odnawialnych źródeł energii. Szeroki przegląd instalacji OZE pokazuje jak różne są te instalacje i jak wiele wiedzy jest niezbędne, aby poprawnie je projektować i zakładać. Warto sobie również zdawać sprawę, że wskazany jest racjonalny wybór określonego rodzaju instalacji OZE do danych zastosowań. Konieczna jest również dywersyfikacja na poziomie systemu wytwarzania energii w całym kraju. Upały w lipcu i sierpniu 2015 roku pokazały Polakom jak niski jest poziom bezpieczeństwa energetycznego w Polsce. Z czego bierze się sytuacja kryzysowa w Polsce podczas upałów? Polskie elektrownie chłodzone są najczęściej wodą z rzek i jezior. Temperatury powyżej 30 stopni przez dłuższy czas sprawiają, że poziom wód w Polsce jest na bardzo niskim poziomie, a do tego woda jest za ciepła, by efektywnie chłodzić nią węglowe (nawet te tzw. z zamkniętym obiegiem wody) bloki energetyczne. Dodatkowo podczas upałów Polacy włączają klimatyzację. Pobór energii i zapotrzebowanie na moc w systemie elektroenergetycznym sięga wtedy wysokich poziomów. Nie ma co się oszukiwać. Nic nie dadzą nam w takiej sytuacji nowe bloki energetyczne. Poniżej przedstawiono ile zużywają (potrzebują) poszczególne technologie wytwarzające energię elektryczną. Rys Typy elektrowni i konieczna ilość wody podczas wytwarzania jednej megawatogodziny energii elektrycznej [ 99

101 Specjaliści od zmian klimatu twierdzą, że intensywnie zachodzi w Polsce tzw. stepowienie. Jest to wynikiem wieloletniego braku gospodarki wodnej. Potrzebne są zbiorniki retencyjne, którym sprzeciwiają się ekolodzy. A przecież należy sobie też zdawać sprawę, że np. rozwój małej energetyki wodnej to właśnie też rozwój mikroretencji wody w Polsce. Więcej wody zatrzymywalibyśmy na mikroobszarach (np. na Śląsku) - już teraz z takim poziomem wody jak w krajach afrykańskich. Niestety nawet mała hydroenergetyka w Polsce też nie ma "dobrej prasy" wśród ekologów jak i polityków. Logika podpowiada konieczność szukania awaryjnych źródeł energii, mniej zależnych od wody. Awaryjne wyłączenia i ograniczenia dla przemysłu przynoszą duże straty dla gospodarki. Twierdzenia, że przecież siłownie wiatrowe w Polsce podczas upałów niewiele wyprodukowały świadczą, albo o złej woli, albo o totalnej niewiedzy. Niemcy, którzy są światowym liderem w wykorzystaniu energii słoneczniej, nie mieli takich problemów jak my. Niemieckie elektrownie wiatrowe podczas upałów też niewiele wyprodukowały, ale niemieckie elektrownie fotowoltaiczne w ciągu największych upałów wyprodukowały rekordowe ilości energii elektrycznej. 10-tego sierpnia, kiedy w Polsce brakowało w systemie ok. 2,5 GW mocy, niemieckie elektrownie fotowoltaiczne dostarczały w godzinach południowych ok. 20 GW. Bezpieczeństwu energetycznemu nie służy tylko fotowoltaika. Popularne w Niemczech pompy ciepła, dzięki możliwości chłodzenia pasywnego są do 5 razy bardziej efektywne niż klimatyzatory stosowane w Polsce. Zatem można - tylko trzeba chcieć... Energetyka oparta tylko na paliwach konwencjonalnych nie podoła rosnącemu zapotrzebowaniu na energię elektryczną. Podana za przykład fotowoltaika jest na razie droga i wymaga subsydiów, lecz obserwujemy na świecie duży spadek cen PV - wzrasta też ich sprawność. Oddając Państu do rąk niniejszą monografię Autor ma nadzieję, że dzięki niej możliwe będzie lepsze zrozumienie skomplikowanych aspektów działania instalacji OZE oraz pomoże ona w racjonalnych wyborach poszczególnym inwestorom. 100

102 Dr inż. Adam Mroziński urodzony 13 marca 1972 roku w Lnianie. Obecnie jest Dyrektorem Interdyscyplinarnego Centrum Odnawialnych Źródeł Energii przy UTP w Bydgoszczy oraz Kierownikiem Zakładu Systemów Technicznych i Ochrony Środowiska na Wydziale Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu Technologiczno-Przyrodniczego im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich w Bydgoszczy. Absolwent tego Wydziału. Specjalizuje się w zagadnieniach technicznych zwiększania efektywności energetycznej procesów przemysłowych oraz wykorzystania energii odnawialnej, w tym w szczególności energii słonecznej, energii wiatru i energetycznego wykorzystania spadku wody. Inicjator i współwykonawca uruchomienia i realizacji jednego z pierwszych w Polsce kierunków studiów inżynierskich pn. Inżynieria Odnawialnych Źródeł Energii. Autor i Współautor publikacji i patentów z zakresu OZE. Wykładowca oraz organizator specjalistycznych szkoleń z zakresu OZE oraz kilku edycji studiów podyplomowych z zakresu OZE: Budowa i Eksploatacja Instalacji Odnawialnych Źródeł Energii, Instalacje Odnawialnych Źródeł Energii w Przedsiębiorstwie oraz Pompy Ciepła i Magazynowanie Energii Ciepła. Kierownik i współwykonawca szeregu krajowych i europejskich projektów badawczych oraz dydaktycznych z zakresu OZE. Wykonawca specjalistycznych opinii oraz badań zleconych dla firm branży OZE. 101