Rozwój słonecznej energetyki cieplnej

Transkrypt

1 Rozwój słonecznej energetyki cieplnej Autor: dr hab. inŝ. Dorota Chwieduk, ITC PW, IPPT PAN, PTES-ISES ( Czysta Energia marzec 2009) Obecnie rocznie wykorzystuje się na świecie od 200 do 210 PJ (4,8-5 Mtpu) energii cieplnej pozyskiwanej z systemów słonecznych róŝnego typu. Stanowi to prawie 5% energii cieplnej pochodzącej z nowoczesnych systemów wykorzystujących róŝne odnawialne źródła energii. Nieco więcej niŝ energii słonecznej wykorzystuje się tej geotermalnej. Roczna produkcja ciepła ze źródeł geotermalnych odpowiada PJ (6,2-6,7 Mtpu). Zdecydowanie najwięcej ciepła pochodzi z biomasy, i to nie wliczając tradycyjnego jej wykorzystania (niekontrolowane spalanie w gospodarstwach domowych). Ciepło uzyskiwane z tego źródła to 4000 PJ/rok ( Mtpu). Roczna całkowita produkcja ciepła ze źródeł odnawialnych wynosi ok PJ 1. MoŜna przypuszczać, Ŝe udział energii słonecznej będzie rósł i stanie się bardziej widoczny w bilansie końcowej energii cieplnej. JednakŜe, aby taka sytuacja zaistniała, potrzebne jest wsparcie polityczne, finansowe, wprowadzenie odpowiednich mechanizmów regulacyjnych, kampanie informacyjno-edukacyjne, a takŝe pewne zmiany w samych rozwiązaniach technicznych systemów słonecznych. Instalacje termosyfonowe Obecnie najbardziej popularne są instalacje słoneczne do podgrzewania wody uŝytkowej. W krajach o wysokim natęŝeniu promieniowania słonecznego, przy duŝym rocznym napromieniowaniu powyŝej 1400 kwh/m 2 powierzchni ziemi (w Polsce średnio rocznie 1100 kwh/m 2 ) przewaŝają instalacje termosyfonowe. Są one zbudowane podobnie jak instalacje aktywne, przy czym nie posiadają urządzeń mechanicznych (pomp cyrkulacyjnych) wymuszających przepływ czynnika w obiegu roboczym kolektora. Zjawisko naturalnego przepływu czynnika roboczego w obiegu kolektorowym określa się mianem cyrkulacji termosyfonowej, która jest wynikiem róŝnicy gęstości pomiędzy ogrzanym gorącym czynnikiem (w górnej części) a czynnikiem zimnym (w dolnej części). W instalacjach termosyfonowych bardzo waŝne jest umieszczenie zbiornika magazynującego na odpowiedniej wysokości powyŝej kolektora słonecznego, aby zapewnić występowanie efektu dyfuzji cieplnej. Instalacje termosyfonowe charakteryzują się bardzo duŝym wskaźnikiem wykorzystania energii promieniowania słonecznego, który waha się w granicach 70-90% i moŝliwa jest do pozyskania (w bardzo dobrych warunkach napromieniowania) wysoka energia cieplna w odniesieniu do mocy jednostkowej zainstalowanej w systemie, a mianowicie kwh/kw th. Instalacje termosyfonowe są bardzo rozpowszechnione w krajach basenu Morza Śródziemnego i Azji. SłuŜą na potrzeby podgrzewania wody uŝytkowej indywidualnych odbiorców, zarówno w domach jednorodzinnych, jak i w budynkach zamieszkania zbiorowego (wielorodzinnych). W tym drugim przypadku dowolne mieszkanie jest połączone

2 z instalacją umieszczoną na dachu, przy czym występuje odrębny system dla kaŝdego uŝytkownika. Na fotografii 1 pokazane są systemy termosyfonowe (kolektor + zbiornik) na dachu budynków wielorodzinnych miasta w Chinach. Fot. 1. Instalacje termosyfonowe na dachach budynków wielorodzinnych w Chinach Systemy aktywne W pozostałych krajach rozpowszechnione są systemy aktywne, czyli wyposaŝone w urządzenia wymuszające przepływ czynnika roboczego, a dzięki temu odbiór ciepła. Część stanowią instalacje posiadające kolektory bez osłon, tzw. absorbery basenowe. Stosowane są one, gdy wymagane jest podgrzewanie względnie duŝej masy wody przy niewielkim przyroście temperatury, co ma miejsce przede wszystkim przy podgrzewaniu wody dla odkrytych basenów kąpielowych. Rozpowszechnione są one głównie w Ameryce Północnej, Australii i Nowej Zelandii. Ich moc całkowita na świecie w 2006 r. wynosiła 24,5 GW th. W 2006 r. rynek światowy został zdominowany przez kolektory próŝniowe, które stanowiły 47% rynku, następnie kolektory płaskie 33%, kolektory bez osłon 19% i kolektory powietrzne 1%. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe kolektory próŝniowe są przede wszystkim obecne w Chinach, gdzie stanowiły w 2006 r. 99% zainstalowanych na świecie kolektorów próŝniowych. Najbardziej rozpowszechnione są jednak systemy aktywne, wyposaŝone w kolektory płaskie i próŝniowe rurowe (fot. 2), przede wszystkim do podgrzewania wody i w niewielkim stopniu do ogrzewania pomieszczeń. Systemy aktywne małej mocy do podgrzewania wody uŝytkowej charakteryzują się wskaźnikiem wykorzystania energii promieniowania słonecznego na poziomie 50-70% i mogą pozyskać kwh energii cieplnej w odniesieniu do mocy jednostkowej zainstalowanej w systemie 1 kw th. Natomiast systemy typu kombi do podgrzewania wody i ogrzewania pomieszczeń małej skali mają wskaźnik wykorzystania energii promieniowania słonecznego na poziomie 20-50% i wytwarzają kwh energii z 1 kw th mocy zainstalowanej. Łączna moc systemów słonecznych w 2006 r. wynosiła na świecie 102,1 GW th. Prawie 70% zainstalowano w Chinach i Tajwanie, a ok. 15% w Europie 2.

3 Fot. 2. Instalacja kolektorów słonecznych (próŝniowe na pierwszym planie, płaski w dalszym) na dachu Instytutu Techniki Cieplnej PW. Fragment Laboratorium Słonecznego Instalacje słoneczne aktywne do podgrzewania wody uŝytkowej w krajach takich jak Niemcy, Austria i Grecja są juŝ technologią powszechną. Stało się tak dzięki zastosowanej w tych państwach polityce wsparcia finansowego, przede wszystkim wsparcia bezpośredniego w postaci dotacji, których wprowadzanie było połączone z szeroko prowadzoną kampanią promocyjno-edukacyjną. W krajach tych systemy słoneczne z powodzeniem konkurują z systemami na paliwa konwencjonalne i ich udział na rynku coraz bardziej rośnie, nawet w państwach o stosunkowo niskim poziomie napromieniowania, czego dowodem są rys. 1 i 2, opracowane na podstawie danych raportu Międzynarodowej Agencji Energetyki 2. Rysunek 1 przedstawia stan rynku kolektorów słonecznych w Europie w 2006 r. w odniesieniu do mocy całkowitej zainstalowanej we wszystkich działających w poszczególnych krajach instalacjach słonecznych z kolektorami płaskimi i próŝniowymi. Rysunek 2 przedstawia stan rynku w odniesieniu do mocy zainstalowanej na liczbę mieszkańców (MW th /1 mln mieszkańców) MWth Turcja Niemcy Izrael Grecja Austria Hiszpania Cypr Włochy Szwajcaria Dania Holandia Rys. 1. Stan rynku kolektorów słonecznych w Europie w 2006 r. w odniesieniu do mocy całkowitej zainstalowanej we wszystkich działających w poszczególnych krajach instalacjach słonecznych z kolektorami płaskimi i próŝniowymi

4 800 MWth/ inhabitants Cypr Izrael Austria Grecja Turcja Niemcy Dania Malta Szwajcaria Słowenia Luxemburg Rys. 2. Stan rynku kolektorów słonecznych w Europie w 2006 r. w odniesieniu do mocy zainstalowanej na liczbę mieszkańców (MW th /1 mln mieszkańców) Według danych z raportu 2 w Polsce w 2006 r. było zainstalowane 2,95 MW th na jeden milion mieszkańców, czyli dla całego kraju odpowiadałoby to ok. 115 MW Th. Jednocześnie w 2006 r. całkowita roczna energia cieplna wytworzona przez wszystkie kolektory słoneczne (róŝnego typu, w rozwaŝanych w raporcie 48 krajach świata), wyniosła GWh ( TJ), co jak oszacowano, spowodowało zmniejszenie emisji CO 2 o 34,1 mln ton w wyniku zastąpienia paliw konwencjonalnych energią słoneczną. Przyszłość to kombi UwaŜa się 3, Ŝe wykorzystanie kolektorów słonecznych jedynie w systemach do podgrzewania wody uŝytkowej, wpłynęło na ograniczenie rozwoju technologicznego instalacji słonecznych, a takŝe na rozwój rynku energetyki słonecznej. Przyszłość naleŝy do systemów słonecznych typu kombi, czyli do ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody uŝytkowej, a następnie do najnowszej generacji systemów kombi plus, czyli do systemów, które poza funkcją grzewczą słuŝą równieŝ do chłodzenia (klimatyzacji). W nasyceniu rynku nowymi technologiami duŝą rolę będzie odgrywał sektor budowlany, a przede wszystkim wiedza i zainteresowanie nowymi technologiami firm budowlanych, deweloperskich i instalacyjnych. Jednocześnie przewiduje się, Ŝe stopniowo będą rozwijały się technologie energetyki słonecznej, umoŝliwiające wytwarzanie ciepła technologicznego na wyŝszym poziomie temperatury do celów przemysłowych (ciepło średniotemperaturowe C, wysokotemperaturowe > 400 C). Rozwój technologii słonecznych Komisja Europejska m.in. na podstawie dokumentu Solar Thermal Vision 2030, przygotowanego przez Europejską Platformę Energetyki Słonecznej Cieplnej ESTEP, opracowała Plan Rozwoju Strategicznych Technologii Energetycznych (European Strategic Energy Technology Plan) 4. W dokumencie podkreślono istnienie ogromnego potencjału w zakresie wdraŝania słonecznych technologii grzewczych i chłodniczych (klimatyzacyjnych) na rynku europejskim, zwłaszcza w sektorze budownictwa.

5 RozwaŜając stan obecny i przyszłość rynku kolektorów słonecznych, naleŝy zwrócić uwagę na jeszcze jeden istotny problem, a mianowicie na jakość urządzeń i systemów oraz usług w ramach procesu ich instalowania i obsługi. Jakość samych urządzeń i systemów zapewniają standardy w postaci wymagań normowych opracowanych przez Komitet Techniczny CEN/TC 312, zawarty w normach: PN EN :2006. Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy kolektory słoneczne, część 1: Wymagania ogólne, PN-EN :2006. Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy kolektory słoneczne, część 2: Metody badań, PN EN :2006. Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy urządzenia wykonywane fabrycznie, część 1: Wymagania ogólne, PN EN :2006. Słoneczne systemy grzewcze i ich elementy urządzenia wykonywane fabrycznie, część 2: Metody badań, ISO Energia słoneczna terminologia (ISO 9488:1999). Natomiast metodologia określania (obliczania) jakości i sprawności systemów słonecznych jako instalacji grzewczych w budynku powinna być zgodna z normą europejską EN z 2007 r. Heating systems in buildings Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies Heat generation systems, thermal solar systems (nie została jeszcze przetłumaczona na język polski). System certyfikacji Europejska Federacja Przemysłu Energetyki Słonecznej ESTIF przy wsparciu Komisji Europejskiej opracowała i wdroŝyła system certyfikacji kolektorów i systemów słonecznych Solar Keymark. Znak ten jest dobrowolnym europejskim certyfikatem opracowanym przez CEN European Committee for Standardization. Posiadanie tego znaku gwarantuje wysoką jakość. Kolektory i systemy słoneczne posiadające znak Solar Keymark podlegają specyficznemu procesowi wielokrotnego sprawdzania ich sprawności i jakości. Sprawa jakości urządzeń i instalacji słonecznych jest szczególnie waŝna na rynku, który dopiero rozwija się i dana technologia nie jest na nim powszechna. Zarówno inwestorzy, jak i firmy budowlane oraz instalatorzy, nie mając odpowiedniej wiedzy i doświadczenia, mogą popełniać błędy, co więcej, nie są w stanie stwierdzić, czy dany produkt, urządzenie lub cała instalacja są wystarczająco sprawne, wytrzymałe i dobre ze względów materiałowych oraz konstrukcyjnych. Wysoka jakość powinna więc być zapewniona i ustalana w sposób usystematyzowany, co poza spełnieniem norm ma zapewniać znak Solar Keymark. Źródła 1. Renewables for Heating and Cooling. Untapped Potential. RETD Renewable Energy Technology Deployment. OECD/IEA Weiss W., Bergmann I., Faninger G.: Solar Heating Worldwide. IEA, International Heating & Cooling Programme Weiss W., Wittwer V.: Contribution of Solar Thermal to the EU SET Plan. Consolidated Position of ESTT. ST Workshop. Brussels A Technology Map for the European Strategic Energy Technology Plan SET Plan. EC Internal Report Foto: 2x Archiwum PTES-ISES