Alternatywne źródła energii cieplnej

Transkrypt

1 Alternatywne źródła energii cieplnej Dostarczenie do budynku ciepła jest jedną z najważniejszych konieczności, szczególnie w naszej strefie klimatycznej. Tym bardziej, że energia cieplna stanowi zwykle największą część całkowitej energii konsumowanej w obiekcie mieszkalnym. Ciepło bowiem, przekładające się przede wszystkim na odpowiednio wysoki poziom temperatury w pomieszczeniach, odpowiada za poczucie komfortu bytowego w budynku, dlatego jego dostarczenie jest tak istotne. Dostarczanie ciepła do budynków odbywa się z punktu centralnego (lokalnej kotłowni bądź ciepłowni lub elektrociepłowni), z wykorzystaniem sieci ciepłowniczej lub też za pomocą samodzielnego jego wytwarzania w obrębie obiektu. Niezależnie od tego, który sposób dostarczania zostanie wybrany, energia cieplna może być produkowana z wykorzystaniem różnych metod i różnych jej źródeł. Centralne wytwarzanie ciepła Tak, jak zauważono wcześniej, domy jednorodzinne mogą być zasilanie energią cieplną z wykorzystaniem sieci ciepłowniczej o różnych rozmiarach i różnym stopniu złożoności. Może być to mała sieć, ograniczająca się do jednego lub kilku zespołów budynków znajdujących się w obszarze osiedla lub dzielnicy miejskiej i zasilana przez kotłownię osiedlową, jak również miejska publiczna sieć ciepłownicza o dużych rozmiarach i złożoności, obejmująca swoim zasięgiem obszar kilku dzielnic miejskich lub nawet całego miasta, zasilana przez miejską ciepłownię lub elektrociepłownię. Niezależnie od rozmiarów sieci i jednostki wytwórczej ciepło w tych wypadkach może być wytwarzane z wykorzystaniem metod konwencjonalnych, opartych na termicznym pozyskiwaniu energii ze źródeł kopalnych, takich jak: węgiel kamienny i brunatny oraz gaz ziemny, jak również z wykorzystaniem metod alternatywnych, do których należą m.in. pozyskanie energii cieplnej w procesie spalania biomasy i biogazu oraz wykorzystanie odnawialnych źródeł energii (OZE), takich jak : Słońce i geotermia. Ciepło z biomasy Alternatywą dla spalania w elektrowniach i elektrociepłowniach konwencjonalnych paliw kopalnych (węgiel i gaz), jest spalanie biomasy, a więc materiałów organicznych pochodzenia głównie roślinnego, co w praktyce oznacza przede wszystkim spalanie drewna i odpadów drzewnych. Biomasa może być dobrą alternatywą dla spalania paliw kopalnych przede wszystkim z uwagi na ich

2 kończące się zasoby. Zasoby biomasy są bowiem odnawialne, chociażby z uwagi na ciągle powstające uprawy roślin energetycznych, dedykowane właśnie produkcji energii w ciepłowniach i elektrociepłowniach. Ciepło z biogazu Biogaz jest gazowym produktem fermentacji materiałów organicznych, a więc może powstawać m.in. z produktów i odpadów rolniczych oraz leśnych, z odchodów zwierzęcych, ze ścieków, z odpadów wysypiskowych, itd., i tak jak biomasa, jest kolejną alternatywą dla spalania w elektrowniach i elektrociepłowniach konwencjonalnych paliw kopalnych. Również z uwagi na kończące się zasoby paliw kopalnych jego zastosowanie może być korzystne. Ciepło ze słońca Nie tylko z uwagi na wyczerpujące się zasoby, ale także na efekt środowiskowy, energetyka słoneczna może stanowić bardzo korzystną alternatywę dla konwencjonalnych paliw kopalnych. Wykorzystanie energii słonecznej dla produkcji ciepła w systemie scentralizowanym, a więc elektrowniach i elektrociepłowniach polega na zastosowaniu zestawu luster skupiających promieniowanie słoneczne w jednym punkcie, co powoduje otrzymanie w tym punkcie bardzo wysokiej temperatury, wykorzystywanej do zagrzewania medium przenoszącego ciepło. Możliwe jest również zastosowanie zestawu tzw. kolektorów parabolicznych, składających się z lustra ukształtowanego na kształt rynny, w którego ognisku, czyli punkcie w którym przecinają się promienie słoneczne, umieszczona jest rura, przez którą przepływa obiegowy czynnik grzewczy. Rura ta przechodzi przez ognisko na całej długości rynny, a ponadto połączona jest z rurami wielu identycznych kolektorów, umieszczonych najczęściej w rzędach. Dzięki takiemu połączeniu czynnik grzewczy jest podgrzewany po kolei przez każdy kolektor, czyli energia cieplna przenoszona przez czynnik jest sumą energii otrzymanych na każdym z kolektorów. Rys.1 i Rys. 2 przedstawiają przykłady, opisywanych powyżej, urządzeń wykorzystujących energię słoneczną w systemach scentralizowanych. Rys. 1 Przykład elektrowni słonecznej zaopatrzonej w lustra skupiające promieniowanie słoneczne w jednym punkcie centralnym [1]

3 Ciepło z ziemi Rys. 2 Przykład elektrowni słonecznej zaopatrzonej w kolektory paraboliczne [2] Zdarza się, że ciepłownie lub elektrociepłownie wykorzystują również ciepło wnętrza Ziemi, a więc energię geotermalną do produkcji ciepła dostarczanego do użytkowników. Odbywa się to za pomocą odwiertów, do których wtłaczana jest chłodna woda, która ulega ogrzaniu przez wnętrze Ziemi. Po ogrzaniu woda taka jest wypompowywana na powierzchnię, a ciepło przez nią przenoszone służy do ogrzewania budynków. W ciepłowniach i elektrociepłowniach geotermalnych wykorzystuje się również wysokotemperaturowe wody geotermalne. Odbiór ciepła od nich polega na wykonaniu odwiertu do złoża takich wód i wypompowaniu ich na powierzchnię, w celu wykorzystania przenoszonego przez nie ciepła. Samodzielne wytwarzanie ciepła W bardzo wielu przypadkach domy jednorodzinne nie korzystają z scentralizowanego systemu dostarczania ciepła. Ciepło dla celów ogrzewania oraz przygotowania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.) pozyskuje się w takich budynkach na miejscu, a dostarcza się je do pomieszczeń z wykorzystaniem rurowego sytemu centralnego ogrzewania (c.o.) lub z jego pominięciem, wytwarzając ciepło miejscowo. W domach standardowych zwykle używa się urządzeń korzystających z konwencjonalnych źródeł energii, a więc ciepło pozyskiwane jest w procesie spalania kopalin, takich jak węgiel, gaz ziemny, LPG (propan butan), ropa naftowa lub olej opałowy. Jednak kurczące się zasoby tych kopalin i, co za tym idzie, ich zwiększająca się cena powodują, że wielu użytkowników domów jednorodzinnych poszukuje innych, alternatywnych metod produkcji ciepła dla swoich mieszkań. Metody takie korzystają z alternatywnych źródeł energii, jakimi są przede wszystkim odnawialne źródła energii (OZE), takie jak: biomasa i biogaz, Słońce i Ziemia. Ciepło z biomasy Biomasa w zastosowaniach przydomowych w zasadzie jest tym samym, co w zastosowaniach w systemach scentralizowanych, ponieważ nadal są to materiały organiczne. Również w tym przypadku

4 jest to przede wszystkim drewno i jego odpady. Różnice polegają przede wszystkim na postaci biomasy gotowej do spalenia i wynikają ze zróżnicowania wielkościowego pieców energetycznych i przydomowych. Jasnym jest bowiem, że biomasa przystosowana do zastosowań przydomowych musi mieć inną formę, niż ta, przystosowana do spalania w dużych piecach energetycznych. Ponadto w budynkach jednorodzinnych biomasę wykorzystuje się w centralnej domowej produkcji ciepła (piece c.o. zlokalizowane w domowej kotłowni), jak również w produkcji miejscowej, ogrzewając pojedyncze pomieszczenie (najczęściej wykorzystuje się do tego kominki opalane drewnem). Ciepło z biogazu W zastosowaniach przydomowych biogaz najczęściej wykorzystywany jest w gospodarstwach wiejskich, w których ma się dostęp do produktów rolniczych oraz odpadów zwierzęcych. Produkcja biogazu w takich miejscach służy nie tylko do dostarczania energii do domu, ale również, a w wielu przypadkach przede wszystkim, do dostarczania energii do pomieszczeń gospodarczych, związanych z produkcją rolną. Z tego powodu biogaz może być znakomitą alternatywą dla tradycyjnego wytwarzania energii. Ciepło ze słońca W odróżnieniu od urządzeń stosowanych w dużej energetyce, w zastosowaniach przydomowych, wykorzystuje się przede wszystkim termiczne kolektory słoneczne, czyli urządzenia służące do pozyskiwania ciepła z promieniowania słonecznego. Od zestawów luster skupiających i kolektorów parabolicznych różnią się one przede wszystkim tym, że nie skupiają promieni słonecznych w jednym punkcie, ale element absorbujący ciepło z promieni słonecznych rozmieszczony jest na całej lub prawie całej ich powierzchni. Kolektory takie połączone są z instalacją odprowadzającą ciepło i przekazującą je najczęściej do elementu magazynującego, którym jest zwykle zasobnik z wodą. Medium obiegowym, przenoszącym ciepło w systemie termicznych kolektorów słonecznych może być gaz (najczęściej powietrze) lub ciecz (najczęściej wodny roztwór glikolu polipropylenowego). Technicznych rozwiązań termicznych kolektorów słonecznych dedykowanych m.in. do zastosowań przydomowych jest bardzo wiele, jednak w praktyce najbardziej rozpowszechniły się termiczne kolektory słoneczne cieczowe płaskie oraz termiczne kolektory słoneczne cieczowe próżniowo-rurowe. Zwykle ciepło z kolektorów słonecznych wykorzystuje się w praktyce do produkcji ciepłej wody użytkowej (c.w.u.), jednak można je wykorzystać również do ogrzewania pomieszczeń (w systemie c.o.), a także w innych zastosowaniach (np. ogrzewanie wody basenowej). Najpopularniejsze rozwiązania termicznych kolektorów słonecznych zostały przedstawione na Rys. 3 i Rys. 4.

5 Rys. 3 Termiczny kolektor słoneczny cieczowy płaski [3] Rys. 4 Termiczny kolektor słoneczny cieczowy próżniowo-rurowy [4] Tak, jak zauważono wcześniej, zwykle kolektory słoneczne przekazują ciepło do zasobnika za pomocą instalacji rurowej, w której krąży medium robocze (najczęściej wodny roztwór glikolu polipropylenowego).często jednak spotyka się kolektory słoneczne pozbawione tej części instalacji, zato z dołączonym do nich zasobnikiem wodnym. Najczęściej rozwiązanie takie stosuje się z kolektorami rurowymi. Pokazano je na Rys. 5.

6 Rys. 5 Termiczny kolektor słoneczny cieczowy próżniowo-rurowy z wbudowanym zasobnikiem c.w.u. [5] Ciepło z ziemi W zastosowaniach przydomowych można również wykorzystać ciepło wnętrza Ziemi. Realizuje się to podobnie jak w ciepłowniach i elektrociepłowniach geotermalnych, ponieważ również konieczne jest wprowadzenie pod powierzchnię Ziemi medium roboczego przenoszącego ciepło. W zastosowaniach przydomowych wykorzystuje się do tego tzw. sondy gruntowe pionowe lub poziome, czerpiące ciepło z wnętrza Ziemi lub wód gruntowych. Ciepło odzyskiwane jest najczęściej przy pomocy sprężarkowych pomp ciepła, zasilanych elektrycznością. Metody pośrednie wytwarzania ciepła Powyżej omówione zostały przykłady bezpośredniego pozyskiwania ciepła ze źródeł alternatywnych. Należy jednak pamiętać o tym, że możliwe jest także pośrednie wytwarzanie ciepła, wykorzystujące przemianę na ciepło elektryczności dostarczanej ze źródeł alternatywnych. Zarówno w przypadku elektryczności odbieranej z publicznej sieci elektroenergetycznej, czyli wytwarzanej przez elektrownie i elektrociepłownie, jak również w przypadku samodzielnego (przydomowego) wytwarzania elektryczności można to robić w wykorzystaniem alternatywnych źródeł energii. Elektryczność taka posłuży do zasilania urządzeń wytwarzających ciepło, a więc ostatecznie można powiedzieć, że ciepło to będzie pochodziło ze źródeł alternatywnych, chociaż będą to źródła energii cieplnej tylko pośrednio. Alternatywnymi źródłami wytwarzania elektryczności w systemach scentralizowanych, jak również przydomowych mogą być: Słońce- zestawy luster skupiających i kolektorów parabolicznych oraz farmy fotowoltaiczne (PV) w elektrowniach; systemy fotowoltaiczne w zastosowaniach przydomowych, Wiatr- elektrownie wiatrowe w systemach scentralizowanych jak również przydomowych, Woda- elektrownie wodne w systemach scentralizowanych jak również przydomowych, Geotermia- elektrownie geotermalne w systemach scentralizowanych, Biomasa- elektrownie na biomasę w systemach scentralizowanych, Biogaz- elektrownie na biogaz w systemach scentralizowanych.

7 Literatura [1] [data dostępu: ] [2] [data dostępu: ] [3] [data dostępu: ] [4] -Keymark-Approved.jpg [data dostępu: ] [5] [data dostępu: ] Opracowanie: mgr inż. Joanna Kopica, mgr inż. Radosław Turski. Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą redakcji.