Introduction to Renewable Energy Project Analysis

Przegląd technologii OZE
możliwych do zastosowania
w budynkach.
Piotr Kukla, Mariusz Bogacki
Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania
Energii w Katowicach

www.energiaisrodowisko.pl
www.oze.info.pl
Powody stosowania
Czystych Technologii Energetycznych
•
Środowiskowe
 Zmiany klimatu
Energia wiatrowa: Koszt wytwarzania en. el.
40
 Lokalne zanieczyszczenie
Ekonomiczne
 Koszt w cyklu żywotności
 Wyczerpujące się zasoby
paliw kopalnych
•
Społeczne
 Stwarzanie nowych miejsc pracy
Koszt en. elektrycznej
•
30
20
10
0
1980
 Zmniejszenie lokalnych wydatków
 Wzrost zapotrzebowania energii (3x w 2050)
1990
2000
Lata
Źródło: National Laboratory Directors
for the U.S. Department of Energy (1997)
•
Prawne
 Polityka Energetyczna Kraju (7,5% do 2010, 14% do 2020)
 Dyrektywa Unii Europejskiej 2002/91/WE
 Prawo budowlane
 Rozporządzenie w sprawie metodologii obliczania charakterystyki
energetycznej budynku i lokalu mieszkalnego (…)
 Rozporządzenie w sprawie szczegółowego zakresu i formy projektu
budowlanego
Cechy Odnawialnych Źródeł Energii
•
W stosunku do technologii konwencjonalnych:
 Zwykle wyższy koszt początkowy
 Niższe koszty eksploatacyjne
 Przyjazne środowisku
 Zwykle opłacalne ekonomicznie
w oparciu o metodę obliczania kosztu
w cyklu żywotności
Efektywność energetyczna
Czyste Technologie
Energetyczne
 Zużycie mniejszej ilości energii dla
zaspokojenia tych samych potrzeb
Energia Odnawialna
 Użycie naturalnych niewyczerpanych
Zapotrzebowanie energii
(odnawialnych) źródeł energii do
zaspokojenia potrzeb energetycznych
Zdjęcie : Jerry Shaw
Ocieplony dom z pasywnym systemem solarnym
100%
Technologie
75%
50%
25%
0%
Konwencjonalne
Efektywne
Efektywne i odnawialne
Technologie OZE znajdujące
zastosowanie w budynkach
Ogniwa fotowoltaiczne
Biomasa
Solarne podgrzewanie powietrza
Solarne podgrzewanie wody
Pasywne ogrzewanie solarne
Gruntowe pompy ciepła
Ogniwa fotowoltaiczne
Co zapewniają systemy PV?
• Energia elektryczna
(AC/DC)
…ale także…
 Niezawodność
 Prostota
 Modułowość
 Wygląd (wizerunek)
 Cicha praca
Źródło: Centrum fotowoltaiki
Elementy systemów PV
• Moduły
Ogniwo
• Akumulacja: akumulatory,
zbiorniki
• Zasilacz mocy
 Falownik
 Regulator ładowania
 Prostownik
 Przetwornica
Moduł
Układ PV
Źródło: Photovoltaics in Cold Climates, Ross & Royer, eds.
• Inne generatory: olej napędowy/benzyna, turbina wiatrowa
• Zwykle nieopłacalne
bez dofinansowania
zewnętrznego
System dachów solarnych
• Koszt? ok. 26 000 zł za 1 kW (10 Zdjęcie:
m2) Atlantis Solar Systeme AG
•• Koszt?
ok. 20 ok.1250
000 zł za
1 kW (10 m2)
Uzysk energii?
kWh/rok
• Oszczędności?
zł/rok (0,48
zł/kWh)
Uzysk energii?600
ok.1250
kWh/rok
•• Sprzedaż
zielonych
certyfikatów
587,5
zł/rok
Oszczędności?
600
zł/rok (0,48
zł/kWh)
(0,47 zł/kWh)
• SPBT = 33,3 lata
• SPBT = 21,1 lat
PV zintegrowane w przeszkleniu
Zdjęcie : Solar Design Associates
(IEA PVPS)
Solarne podgrzewanie wody
Co zapewniają kolektory słoneczne?
• Ciepła woda użytkowa
• Wspomaganie systemów
ogrzewania
• Ciepło procesowe
• Podgrzewanie wody basenowej
…ale również…
 Zwiększona rezerwa ciepłej wody
 Wydłużenie sezonu pływackiego
(podgrzewanie basenu)
Elementy systemów SPW
Panel PV
Kolektory słoneczne
Schemat systemu solarnego
Termosyfon
podgrzewania wody
Obieg wody
podgrzewanej
Ciepła woda
dla budynku
Wstępny
zasobnik
Obieg glikolowy
wody
podgrzewanej
Pompa glikolu
przez system
solarny
Wymiennik
ciepła
Zawór
Rysunek: NRCan
spustowy
Woda podgrzewana solarnie
Rozdzielacz
Zasobnik
c.w.u.
Zimna
woda
zasilająca
Kolektory słoneczne płaskie - odkryte
• Niska cena
Kolektor solarny nieoszklony
• Niska temperatura
• Trwały
• Lekki
Szczeliny dozujące przepływ
Wlot kanału
Kanały przepływowe
powodują równomierny
przepływ przez kolektor
• Sezonowe podgrzewanie
2” rura zbiorcza
wody basenowej
• Niskie ciśnienie
• Mała wydajność przy
chłodnej i wietrznej
pogodzie
Strumień wody basenowej
Rysunek: NRCan
Kolektory słoneczne płaskie - zakryte
Szyba
solarna
• Umiarkowana cena
• Wyższa temperatura
pracy
Obudowa
• Może pracować przy
ciśnieniu sieciowym
wody zasilającej
Absorber
Wężownica
• Cięższy i mniej odporny
na uszkodzenia
Izolacja
Rura
zbiorcza
Rysunek: NRCan
Kolektory słoneczne próżniowe
•
Wyższe koszty
•
Brak strat
konwekcyjnych
•
Wysoka temperatura
•
Zimniejsze strefy
klimatyczne
Czynnik grzewczy w postaci pary
lub cieczy
Absorber
•
•
Mała odporność na
uszkodzenia
Przewód cieplny
Rysunek: NRCan
Opady śniegu stanowią mniejszy
problemem
•
Czynniki wpływające na powodzenie projektu:
 Duże zapotrzebowanie na ciepłą wodę obniżające udział kosztów stałych
 Wysokie koszty energii (np. gdy inne tańsze nośniki energii
są niedostępne)
 Niepewność dostaw energii konwencjonalnej
 Duża korzyść środowiskowa dla właściciela/operatora
budynku
•
Zapotrzebowanie na ciepłą wodę w godzinach dziennych wymaga mniejszej
akumulacji ciepła (mniej zasobników)
•
Tańsze systemy sezonowe mogą być finansowo korzystniejsze niż bardziej
kosztowne systemy całoroczne
•
Wymogi konserwacyjne podobne jak w każdej instalacji hydraulicznej, jednak
operator musi dopilnować okresowej konserwacji i napraw
Solarne podgrzewanie powietrza
Co zapewniają systemy SPP?
• Ciepłe powietrze wentylacyjne
Szkoła, Yellowknife, Kanada
• Ciepłe powietrze technologiczne
…ale także…
 Zwiększenie odporności budynku na
warunki pogodowe
 Zmniejszenie strat ciepła
Powietrzny kolektor słoneczny
przez ściany zewnętrzne
Zdjęcie: Arctic Energy Alliance
 Zmniejszenie efektu
stratyfikacji
 Lepsza jakość powietrza
 Ograniczenie problemów
związanych z ciśnieniem
Zdjęcie: Enermodal Engineering
1. Ciemny, perforowany absorber
pochłania energię słoneczną
2. Wentylator wymusza przepływ
powietrza przez kolektor
3. Regulacja temperatury


3
7
Żaluzje
WENTYLATOR
Dogrzewanie
RECYRKULOWANE
STARTY
CIEPŁA PRZEZ
ŚCIANĘ
4. Rozprowadzanie powietrza
w budynku
5. Odzyskiwanie strat ciepła przez ściany
zewnętrzne
6. Zmniejszenie gradientu temperatur
7. Żaluzja obejścia letniego
4
2
5
1
KANAŁY WENTYLACYJNE
6
POWIETRZE ZEWNĘTRZNE JEST
PODGRZEWANE PODCZAS PRZEPŁYWU
PRZEZ ABSORBER
SZCZELINA POWIETRZNA
OBSZAR
PODCIŚNIENIA
PRZESTRZEŃ
POWIETRZNA
ABSORBER CIEPŁA
SŁONECZNEGO
PROFILOWANA POWŁOKA
STANOWIĄCA WIATROILOZACJĘ
Budynek mieszkalny,
Ontario, Kanada
• Poprawa jakości powietrza niewielkim kosztem
• Zakres wielkości od kilku m2 do 10 000 m2
• Kanały powinny być montowane blisko ściany południowej
• Okres zwrotu wynosi zwykle 2 do 5 lat
Zdjęcie: Conserval Engineering
• Zazwyczaj okres zwrotu dla
systemów przemysłowych jest
krótszy
Brązowy kolektor na budynku
przemysłowym, Connecticut, USA
Pasywne ogrzewanie solarne
Co zapewniają systemy POS?
• od 20 do 50% potrzeb grzewczych
Projekt pasywnego systemu solarnego
w budynku, Niemcy
…ale także…
 Zwiększenie komfortu
 Lepszy dostęp światła dziennego
 Możliwość zmniejszenia
Zdjęcie: Fraunhofer ISE (from Siemens Research and
Innovation Website)
Budynek NREL w Golden, Kolorado
kosztów klimatyzacji
 Ograniczenie kondensacji
pary na szybach okien
 Możliwość zastosowania urządzeń
grzewczych/chłodniczych
o mniejszej mocy
Zdjęcie: Warren Gretz (NREL Pix)
Zasada działania POS
Tradycyjnie
Lato
Zacienienie
POS
Zawansowane
technologicznie
okna
Akumulacja ciepła
Zima
• Najbardziej opłacalne w nowowznoszonych budynkach
 Brak ograniczeń w lokalizacji okien od strony południowej i unikanie
umieszczania okien od strony zachodniej
 Moc systemów grzewczych i ogrzewania powietrznego może
być zmniejszona
• Opłacalne przy modernizacji, w której planujemy wymianę okien
• Najbardziej opłacalne gdy zapotrzebowanie na ogrzewanie przewyższa
zapotrzebowanie na chłodzenie
 W umiarkowanym i zimnym klimacie niskie budownictwo mieszkaniowe jest
najlepsze
 Budynki komercyjne i przemysłowe posiadają duże własne zyski ciepła
Gruntowe pompy ciepła
Co zapewniają systemy GPC?
• Ogrzewanie
• Chłodzenie
• Ciepła woda
Zdjęcie: Solar Design Associates (NREL PIX)
…ale również…




Efektywność
Pompa ciepła w mieszkalnictwie
Mniejsze potrzeby konserwacji

Stabilna wydajność
Oszczędność miejsca

Komfort i ochrona powietrza
Niskie koszty eksploatacyjne

Ograniczenie szczytowej mocy
elektrycznej dla celów klimatyzacji
Elementy systemów GSHP
1. Wymiennik gruntowy
 Grunt
 Woda gruntowa
 Woda powierzchniowa
2. Pompa ciepła
3
2
3. Wewnętrzna instalacja
grzewcza/chłodnicza
 Przewody tradycyjne
1
Zasada funkcjonowania pompy ciepła
Źródło: www.jand.pl
Samoczynny przepływ ciepła od ciała zimniejszego do cieplejszego nie
jest możliwy, dlatego pompie ciepła trzeba dostarczyć energii napędowej
„Sprawność” pomp ciepła – COP
MOC GRZEWCZA
____________________
COP =
MOC POBRANA Z SIECI
Współczynnik efektywności w sprężarkowych pompach ciepła jest tym wyższy, im
mniejsza jest różnica temperatur pomiędzy górnym a dolnym źródłem ciepła.
Dla sprężarkowych pomp można przyjąć następujące zakresy temperaturowe dolnego i
górnego źródła ciepła:
• dolne źródło ciepła: -7 st.C do 25 st.C
• górne źródło ciepła: 25 st.C do 60 st.C
Parametry techniczne pomp ciepła ograniczają ich przydatność do następujących celów:
• ogrzewania podłogowego: 45/35°C
• ogrzewania sufitowego: do 45°C
• ogrzewania grzejnikowego o obniżonych parametrach: np. 55/40°C
• podgrzewania ciepłej wody użytkowej: 55-60°C
• niskotemperaturowych procesów technologicznych: 25-60°C
Rozmieszczenie wymiennika ciepła,
Budynek komercyjny
• Najbardziej opłacalne gdy:
 Zapotrzebowanie na ogrzewanie i chłodzenie
 Duże sezonowe zmiany temperatury
 Nowe instalacje lub wymiana systemu HVAC
Montaż GPC
 Ogrzewanie: niskie ceny energii elektrycznej
a wysokie ceny gazu i oleju opałowego
 Chłodzenie: wysoka cena energii elektrycznej
oraz opłaty za moc szczytową
• Niepewność co do kosztów wykonania
wymiennika
Zdjęcie: Craig Miller Productions and DOE (NREL PIX)
Spalanie biomasy
• Ciepło dla
Co zapewniają systemy spalania biomasy?
 Mieszkalnictwa
 Budownictwa społecznego
Ciepłownia, dostarczanie ciepła dla Rapeseed, Niemcy
 Procesów przemysłowych
…ale również…
 Tworzenie nowych miejsc pracy
 Wykorzystanie odpadów
biomasowych
 Możliwość zastosowania
w sieciowych systemach
cieplnych i odzyskiwania ciepła
odpadowego
Zdjęcie: Centrales Agrar-Rohstoff-Marketing- und Entwicklungs-Netzwork
Wióry drewna
• Zerowa emisja gazów cieplarnianych
• Niska zawartość siarki zmniejsza ilość
kwaśnych deszczy
• Zmniejszenie lokalnej emisji substancji
zanieczyszczających powietrze
Zdjęcia: Bioenerginovator
Zdjęcie: Warren Gretz/NREL Pix
 Cząstki stałe (sadza)
 Zanieczyszczenia gazowe
 Związki kancerogenne
Wytłoki trzciny cukrowej
•
Dostępność, jakość i cena biomasy w stosunku do paliw kopalnych
 Przyszłe nie-energetyczne wykorzystanie biomasy (np. pulpa)
 Kontrakty długoterminowe
•
Możliwa powierzchnia pod dostawy, składowanie
i duże kotły
•
Wymagana niezawodna i wyspecjalizowana obsługa
 Zaopatrzenie w paliwo oraz obsługa odpopielania
•
Przepisy środowiskowe dotyczące jakości powietrza
i zagospodarowania popiołu
•
Ubezpieczenie i zagadnienia bezpieczeństwa
Dziękuję za uwagę