Sposoby zastosowania przewodów grzejnych
14 listopada 2018Technologia fotowoltaiczna wyszła już dawno z laboratoriów i coraz częściej stosowana jest przez przeciętnego użytkownika. Rewolucja słoneczna na dobre w Europie rozpoczęła się już w 2000 roku. W Polsce nadal jednak nie wszyscy odróżniają kolektor słoneczny od modułu fotowoltaicznego, czy ogniwo od panela PV.
Wydaje się, że mimo starań „lobby węglowego” aby utrzymać status quo (tj. dominację w Polsce czarnej energii pochodzącej z węgla) - technologia OZE będzie jednak traktowana jako równorzędne z paliwami kopalnymi źródło energii i jest tylko kwestią czasu, kiedy produkowanie energii elektrycznej i cieplnej z węgla, czy z innych paliw kopalnych odejdzie do lamusa. Czekamy tylko na opracowanie wystarczająco pojemnych i tanich akumulatorów energii elektrycznej. Wraz ze zwiększaniem się globalnego zapotrzebowania ludzkości na energię zmniejsza się zapotrzebowanie energii do celów grzewczych w domach jednorodzinnych. Dzięki stałemu postępowi w produkcji coraz lepszych materiałów izolacyjnych możliwe jest systematyczne zmniejszanie wskaźnika EP [kWh/m2*rok].
Wykres 1. Zmiany wskaźnika EP w ostatnich 50 latach.
Z analizy zmian tego wskaźnika na przestrzeni ostatnich kilkudziesięciu lat wynika, że już za kilkanaście (góra za kilkadziesiąt) lat wskaźnik ten osiągnie tak niewielką wartość, że każdy nowobudowany dom jednorodzinny będzie spełniał standardy budownictwa niskoenergetycznego lub wręcz pasywnego. Oznacza to, że (przynajmniej w budownictwie jednorodzinnym) aby ogrzać dom o powierzchni ok. 100 m2 wystarczający będzie grzejnik o mocy ok. 2000W. Zamiast budować kotłownię na gaz, olej, wystarczy postawić na podłodze elektryczny grzejnik konwektorowy 2kW albo zalać w posadzce na parterze przewód grzejny o mocy 2kW i ciepła wystarczy na ogrzanie całego domu przez cały rok. Instalowanie pomp ciepła również przestanie się opłacać, chyba, że producenci tych urządzeń przestaną zawyżać ceny sprzedaży. Koszty wyprodukowania przeciętnej pompy ciepła są wielokrotnie niższe niż cena sprzedaży i najwyższa pora, aby to się zmieniło, tj. aby ceny tych nowoczesnych urządzeń spadły do poziomu uzasadnionego ekonomicznie. Problemem użytkowników domów nie będzie grzanie zimą tylko chłodzenie tego budynku latem. W takim domu przydomowa elektrownia fotowoltaiczna z baterią akumulatorów oraz tanią pompą ciepła (inwersyjną tzn. dostosowaną do grzania latem i chłodzenia zimą) będzie standardem, a piece gazowe czy olejowe (nie mówiąc już o węglowych) znikną z naszego rynku bezpowrotnie. Ta futurystyczna wizja wydaje się nieprawdopodobna, ale jako audytor energetyczny przewiduję to z pełną odpowiedzialnością i to jeszcze za naszego życia. Koncerny energetyczne i wielkie spółki wydobywcze nie chcą o tym słyszeć i zamiast inwestować w rozwój techniki akumulacji (prądu elektrycznego lub energii cieplnej) inwestują w nowe kopalnie odkrywkowe fundując nam kolejną dewastację środowiska naturalnego.
Ale wróćmy do zasadniczego tematu tego artykułu. Mając powyższe na uwadze warto już dziś przygotować się do rewolucji OZE w naszym kraju, a pierwszym krokiem niech będzie rozwianie wielu wątpliwości i nieporozumień związanych z produkcją prądu elektrycznego ze słońca.
Pierwszą sprawą jest odpowiedź na pytanie czym różnią się kolektory słoneczne od modułów fotowoltaicznych. Jak popatrzymy na dach z kolektorem słonecznym to czasem mamy wątpliwości, czy to nie jest przypadkiem moduł fotowoltaiczny. Wątpliwości te wynikają między innymi dlatego, że oba urządzenia wyglądają bardzo podobnie (są płaskie, często w kolorze granatowym lub czarnym i w kształcie prostokąta) ale również dlatego, że nie rozumiemy różnicy w działaniu tych urządzeń.
Kolektor słoneczny wykorzystuje energię słoneczną dzięki efektowi foto-termicznemu (zamiana energii słonecznej na ciepło), natomiast moduły fotowoltaiczne działają dzięki efektowi fotoelektrycznemu (zamiana energii słonecznej na prąd elektryczny). W kolektorach do transportu ciepła wykorzystujemy płyn kolektorowy (najczęściej glikol), a w modułach fotowoltaicznych produkowana energia ma postać prądu elektrycznego.
Przy tym punkcie od razu warto zwrócić uwagę na zakres zastosowania obu urządzeń. Kolektor może być wykorzystany wyłącznie do grzania wody. Ciepło przekazywane jest z glikolu do wody w wymiennikach ciepła zamontowanych w zasobnikach c.w.u., lub c.o. W momencie, gdy zasobnik „napełni” się ciepłem przy niedostatecznym odbiorze ciepła lub jego braku - pompa obiegowa układu kolektorowego zatrzymuje się, gdyż dalsze napełnianie zbiornika ciepłem groziłoby jego rozszczelnieniem i poważną awarią. Moduły fotowoltaiczne nie są tym ograniczone. Prąd elektryczny produkowany w modułach fotowoltaicznych można wykorzystać nie tylko do grzania wody. Jeśli instalacja fotowoltaiczna podłączona jest do sieci elektroenergetycznej (jest to tzw. instalacja on-grid, a jest to obecnie najbardziej ekonomiczny i powszechny sposób podłączenia elektrowni PV), to wyprodukowany przez taką elektrownię fotowoltaiczną prąd elektryczny można wykorzystać do wszystkiego, co tylko można zasilić energią elektryczną (telewizor, bojler, pralka, komputer, żelazko itp. itd.). Dzięki temu, że elektrownia podłączona jest sieci elektroenergetycznej, to jeśli chwilowo nie odbieramy produkowanej przez nią energii elektrycznej (np. gdy jesteśmy w pracy albo na urlopie i budynek nasz nie zużywa w danym momencie tak dużej ilości energii elektrycznej) – wówczas następuje automatyczny przepływ nadmiaru energii elektrycznej (produkowanej przez naszą prywatną elektrownią słoneczną) do sieci elektroenergetycznej zasilając odbiorniki elektryczne w sąsiednich domach lub nawet dużo dalej.
Teraz, gdy już wiemy czym różnią się kolektory od modułów fotowoltaicznych możemy rozprawić się z mitami dotyczącymi fotowoltaiki wiedząc, że czytelnicy nie pomylą już tych tak bardzo podobnych do siebie ale jednak zasadniczo różnych technologii pozyskania energii ze słońca.
Najczęściej spotykane mity dotyczące fotowoltaiki – funkcjonujące w opinii publicznej to:
1. Technologia fotowoltaiczna jest dla nas jeszcze zbyt droga.
2. Rozwój fotowoltaiki spowoduje wzrost cen energii elektrycznej.
3. W Polsce mamy za mało energii słonecznej, aby skutecznie wykorzystywać fotowoltaikę do produkcji prądu.
4. Fotowoltaika jest szkodliwa dla zdrowia i niekorzystnie wpływa na środowisko.
5. Fotowoltaika nie sprawdzi się z uwagi na to, że w pochmurne dni i w nocy fotowoltaika nie produkuje prądu, a budynek potrzebuje stałego zasilania w energię elektryczną.
6. Podłączenie elektrowni PV do sieci elektroenergetycznej jest skomplikowane i drogie.
Ad. 1. Technologia fotowoltaiczna jest dla nas jeszcze zbyt droga.
Opinia ta jest mitem, z którym ściśle związane są również inne błędne poglądy na temat technologii fotowoltaicznej – np. takie, że produkcja prądu ze słońca ma niską sprawność czy, że inwestycja w elektrownię PV się nie zwraca). Nie wiem dlaczego pokutują takie poglądy, gdyż są one całkowicie nieprawdziwe. Jako audytor energetyczny wiem, że inwestycja w elektrownię PV może się zwrócić już w niespełna 10 lat. Prawdą jest, że bez pomocy finansowej takie inwestycje zwracają się w dłuższym okresie i ich opłacalność jest problematyczna, ale na szczęście dostępne są różne formy finansowania zewnętrznego tego typu inwestycji – np. środki z RPO albo z WFOŚiGW. Poza tym należy pamiętać, że cena energii elektrycznej najprawdopodobniej będzie jeszcze przez najbliższe kilkanaście lat rosła, dzięki temu zyskowność tego typu inwestycji jeszcze bardziej się zwiększy. O cenach energii elektrycznej napiszę więcej w następnym punkcie. Co do sprawności produkcji prądu przez moduły fotowoltaiczne, to jest ona już na wystarczająco wysokim poziomie, aby opłacało się tę technologię stosować. Nie tak dawno sprawność konwersji fotowoltaicznej wynosiła niespełna 12%. Obecnie sprzedawane moduły fotowoltaiczne mają już sprawność na poziomie ok. 16% i wskaźnik ten stale rośnie. To prawda, że sprawność innych technologii jest wyższa, np. sprawność wykorzystania energii wiatrowej wynosi ok. 40% (mowa o sprawności całej elektrowni wiatrowej – zamiana energii wiatru tylko na energię mechaniczną wirnika odbywa się z jeszcze większą sprawnością sięgającą 80%), ale to nie oznacza, że mamy zaniechać produkcji prądu ze fotowoltaiki. Obie technologie doskonale się uzupełniają, gdyż najczęściej wtedy, gdy świeci słońce, to nie wieje wiatr i odwrotnie. Poza tym trudno porównywać ze sobą sprawności urządzeń wykorzystujących diametralnie różne zjawiska fizyczne, nie mówiąc o tym, że w każdej chwili może się pojawić nowy materiał (w Polsce pracuje nad ogniwami słonecznymi na bazie perowskitów, co może wywrócić rynek fotowoltaiczny do góry nogami), czy nowy sposób działania (w energetyce wiatrowej trwają usilne badania nad wykorzystaniem wiatraków o poziomej osi, co może zwiększyć upowszechnienie się tej technologii w gospodarstwach domowych).
Ad. 2. Rozwój fotowoltaiki spowoduje wzrost cen energii elektrycznej.
Ten mit jest bardzo niebezpieczny, dlatego, że częściowo jest to prawda, ale czytelnikowi należą się w tym miejscu dodatkowe informacje na temat wszystkich przyczyn wzrostu cen energii elektrycznej w Polsce. System elektro-energetyczny w naszym kraju jest niedoinwestowany. Główne inwestycje powinny być prowadzone w obiektach istniejących (np. remonty istniejących bloków energetycznych) oraz w modernizacje sieci przesyłowych. Tymczasem planuje się olbrzymie inwestycje, dużo mniej efektywne, w nowe obiekty np. w nową kopalnię odkrywkową węgla brunatnego pod Wieluniem. Poza tym w niedawno uchwalonej ustawie OZE przewiduje się wprowadzenie od 1 lipca br. dopłat do rachunków za energię elektryczną z tytułu OZE – tzw. opłata OZE w kwocie 2,51 zł/ MWh. Wszystkie te czynniki spowodują niechybnie wzrost ceny energii elektrycznej w najbliższym czasie, ale jak wykazałem - rozwój fotowoltaiki tylko w niewielkim stopniu (0,251gr/kWh) przyczyni się do wzrostu cen energii elektrycznej. Co więcej – w skali najbliższych kilkudziesięciu lat śmiało można zaryzykować twierdzenie, że dalszy rozwój fotowoltaiki (oraz innych gałęzi OZE) musi spowodować spadek cen energii elektrycznej. Dowodem na prawdziwość tego twierdzenia jest Norwegia, gdzie jest najtańsza energia elektryczna w Europie, a to dzięki temu, że praktycznie cała energia elektryczna zużywana przez ten kraj pochodzi z OZE (w 96% z elektrowni wodnych). Co więcej – w ramach strategii przyjętej przez rząd norweski na Norweskim Uniwersytecie Nauki i Technologii (NTNU) pracuje się nad wykorzystaniem elektrowni wodnych do akumulacji nadmiaru energii produkowanej w ciągu dnia z elektrowni słonecznych i wiatrowych. Drugim, nawet bardziej namacalnym dowodem na nieprawdziwość tego mitu jest rynek niemiecki. Jak doniósł portal gramwzielone.pl za niemieckim instytutem Agora Energiewende: „w maju br. chwilowy wzrost generacji mocy z OZE przy relatywnie małym, weekendowym zapotrzebowaniu przełożył się na pojawienie się na niemieckim rynku ujemnych cen energii, sięgających ok. -50 Euro za MWh”. Mając powyższe na uwadze widać wyraźnie, że opinia nr 2. jest mitem i szkodzi rozwojowi technologii fotowoltaicznej w Polsce.
Ad. 3. W Polsce mamy za mało energii słonecznej, aby skutecznie wykorzystywać fotowoltaikę do produkcji prądu.
Oczywista nieprawda. Gdyby tak było, to nasz zachodni sąsiad nie byłby w czołówce krajów produkujących energię elektryczną ze Słońca i nie miałby dalekosiężnych planów rozwoju energetyki OZE –Rys. 1.:
Rys. 1. Udział energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w zapotrzebowaniu na energię elektryczną brutto w Niemczech
Jednocześnie udział fotowoltaiki w mikście energetycznym w Niemczech stale rośnie – w 2013 roku wynosił już 5,7% w całej produkcji energii elektrycznej –Rys. 2.:
Rys. 2. Struktura produkcja energii elektrycznej w Niemczech w 2014 roku.
W naszej szerokości geograficznej wskaźnik średniorocznych uzysków energii elektrycznej z 1kWp zainstalowanych modułów PV wynosi ok. 980kWh – patrz też p. 5., tak więc opinia nr 3. jest mitem i przegrywa z danymi pochodzącymi z pracujących już od wielu lat instalacji PV w Polsce potwierdzającymi prawdziwość tego wskaźnika.
Ad. 4. Fotowoltaika jest szkodliwa dla zdrowia i niekorzystnie wpływa na środowisko.
Oczywista nieprawda. Moduły fotowoltaiczne wyprodukowane są głównie z krzemu, naturalnie występującego w przyrodzie. Moduły przykryte są szkłem, które również jest produktem naturalnym (kwarc) i nieszkodliwym. Ramy modułów oraz konstrukcja wsporcza wykonane są z nierdzewnego i obojętnego biologicznie aluminium. Reasumując – elektrownia PV nie zagraża zdrowiu i życiu ludzi, gdyż nie emituje żadnych substancji szkodliwych do atmosfery, nie wydziela żadnych zapachów, dźwięków, nie wpływa negatywnie na środowisko i wykonana jest z materiałów, które można będzie poddać recyklingowi po okresie amortyzacji (na dzisiaj szacuje się, że obecnie montowane moduły PV będą demontowane najwcześniej za 30-40 lat i wówczas zostaną poddane procesowi recyclingu, aby nie zaśmiecały środowiska. Co więcej – eksploatowane elektrownie PV nie dość, że nie szkodzą środowisku, to jeszcze przyczyniają się do jego ochrony. Gdyby nie było elektrowni PV, to ten czysty, „zielony” prąd elektryczny wyprodukowany przez elektrownie PV musiałby by być wyprodukowany przez konwencjonalne elektrownie emitujące do atmosfery olbrzymie ilości substancji szkodliwych dla zdrowia i środowiska. W audytach energetycznych obliczamy te wielkości i tak (na podstawie wskaźników KOBiZE) elektrownia fotowoltaiczna o mocy np. 10kWp zmniejsza te szkodliwe emisje zgodnie z poniższą tabelką:
Tabela KOBIZE dla 10kWp
Ad. 5. Fotowoltaika nie sprawdzi się z uwagi na to, że w pochmurne dni i w nocy fotowoltaika nie produkuje prądu, a budynek potrzebuje stałego zasilania w energię elektryczną.
To prawda, że elektrownia PV nie produkuje energii elektrycznej w nocy, ale stosując odpowiednie urządzenia do akumulacji energii elektrycznej można temu zaradzić. Sprawność i pojemność akumulatorów stale rośnie i instalacje wykorzystujące akumulatory już z powodzeniem działają i pozwalają nawet na uniezależnienie się od sieci elektroenergetycznej (tzw. instalacje off-gridowe). Zarzut, że fotowoltaika nie produkuje energii elektrycznej w pochmurne dni też jest bezzasadny. Jako dowód na to przedstawię wykres uzysków energii elektrycznej z jednej z elektrowni PV pracujących w województwie łódzkim:
Rys. 3. Wykresy mocy chwilowej elektrowni w pochmurny dzień i w dzień pogodny.
Jak widać na rys. 3. chwilowe uzyski energii ulegają wahaniom właśnie z uwagi na zachmurzenie, ale nie widać, aby zachmurzenie spowodowało całkowity zanik produkcji prądu. Wynika to ze zdolności produkcji prądu przez moduły PV nie tylko z promieniowania bezpośredniego ale również z promieniowania słonecznego rozproszonego, tak więc słońce nie musi świecić bezpośrednio na moduł PV, aby był produkowany prąd. Dodatkowo stosuje się odpowiednie szkło pokrywające moduły PV, tj. szkło antyrefleksyjne, dzięki temu do minimum ograniczono ilość energii słonecznej odbijanej przez powierzchnię modułu na rzecz maksymalnego zwiększenia ilości energii słonecznej, która wnika do wnętrza modułu i zamieniana jest na energię elektryczną. Dla zatwardziałych niedowiarków przytoczę wielkość (gwarantowanych przez wszystkich producentów modułów PV) uzysków energii elektrycznej ze Słońca dla naszej strefy klimatycznej – jest to średnio-rocznie 980MWh z 1 kWp mocy zainstalowanej elektrowni PV. Parametr ten uwzględnia zachmurzenie i okresy nocne oraz zmniejszoną produkcję prądu ze Słońca w okresie zimowym. Pod pokazanym niżej wykresem uzysków z przykładowej elektrowni o mocy 10kWp mogę się podpisać z całą odpowiedzialnością – dlatego, że dane te zostały już dawno potwierdzone przez wieloletnie obserwacje – po prostu tak to działa:
Wykres 2. Miesięczne uzyski energii elektrycznej przykładowej elektrowni PV o mocy 10kWp (razem 9800kWh/rok).
Wykres 2. dotyczy elektrowni o optymalnym azymucie (180°) i nachyleniu modułów PV (36°). Każde odchylenie od tych optymalnych warunków powoduje, że elektrownia produkuje mniej prądu niż wynika to z tego wskaźnika, dlatego tak ważne jest, aby decyzję o rozpoczęciu inwestycji w elektrownię PV podjąć po wykonaniu profesjonalnego projektu, z którego potencjalny inwestor dowie się jakie będą faktyczne uzyski energii elektrycznej w danej lokalizacji i dla danego dachu a więc jaka będzie faktyczna zyskowność danej inwestycji.
Na koniec zmierzenia się z tą opinią chciałbym jeszcze powiedzieć, ze obecny system rozliczania prosumentów przewiduje możliwość wykorzystania sieci elektroenergetycznej jako magazynu energii. Nadprodukowana przez elektrownię PV latem energia elektryczna może być przekazana do sieci elektroenergetycznej, by następnie zimą można było wykorzystać ją z odpowiednim opustem (80% lub 70%). Możliwość ta powoduje, że opinia nr 5. jest nieprawdziwa, gdyż zamontowanie elektrowni PV on-grid na budynku w żadnym razie nie zagraża bezpieczeństwu energetycznemu tego obiektu. Złośliwi mogą powiedzieć, że sieć elektroenergetyczna zasilana z węglowych elektrowni zawodowych jest jednak niezbędna – zgoda, ale jesteśmy w okresie przejściowym. Nie da się nagle zlikwidować starego systemu zasilania w energię elektryczną. Fotowoltaika jest w fazie rozwoju, ma swoje ograniczenia i stopniowo będzie zwiększała swój udział w produkcji prądu, dlatego też stwierdzenie, że się nie sprawdzi tylko dlatego, że nie spełnia obecnie wszystkich naszych oczekiwań jest co najmniej nieuprawnione.
Ad. 6. Podłączenie elektrowni PV do sieci elektroenergetycznej jest skomplikowane i drogie.
Kolejne nieporozumienie. Powyższe zdanie dotyczy wyłącznie dużych instalacji fotowoltaicznych, które przyłączane są do sieci 15kV i wymagają budowy podstacji transformatorowych. W Polsce jednak aż 98% instalacji fotowoltaicznych to instalacje o mocy do 40kWp (są to mikro-instalacje przyłączane do sieci 230V – bez żadnych transformatorów) dla których prawo polskie przewiduje daleko idące udogodnienia:Po pierwsze właściciel takiej mikro-instalacji nie musi występować o pozwolenie na budowę, co więcej – nawet nie musi zgłaszać tego typu inwestycji do referatu budowlanego.
Po drugie – nie ma obowiązku występowania o wydanie warunków technicznych przyłączenia takiej elektrowni do sieci elektroenergetycznej. Właściciel zgłasza tylko chęć podłączenia swojej elektrowni do OSD (Operatora Sieci Dystrybucyjnej), który ma obowiązek ustawowy dostosować układ pomiarowy (wymienić licznik energii elektrycznej na posesji na dwukierunkowy) i rozliczyć się z właścicielem mikro-instalacji PV z ilości energii elektrycznej wprowadzonej do sieci i pobranej z sieci z odpowiednim opustem (o którym była mowa w artykule, który ukazał się w numerze lipcowym niniejszego miesięcznika).
Po trzecie - wszystkie przedstawione wyżej czynności OSD nie obciążają w żadnym razie właściciela mikro-instalacji tj. muszą być wykonane na koszt OSD.
Reasumując – można powiedzieć, że wszystkie przytoczone negatywne opinie obiegowe o fotowoltaice są nieprawdziwe i szkodzą rozwojowi tej nowoczesnej i przyszłościowej gałęzi energetyki. Większa świadomość społeczeństwa i upowszechnienie wiedzy o tej technice na pewno pozwoli potencjalnym użytkownikom na podejmowanie przemyślanych decyzji dotyczących inwestycji w elektrownie fotowoltaiczne i przyczyni się do zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego naszego kraju oraz ochrony środowiska naturalnego.
mgr inż. Krzysztof Śniegula