Systemy zielonej energii - rodzaje i przykłady

Systemy zielonej energii pozwalają wykorzystywać słońce, ciepło zgromadzone w powietrzu i gruncie, wiatr, biomasę oraz inne lokalne zasoby do produkcji prądu i ogrzewania budynków. Nie chodzi jednak o samo zamontowanie paneli fotowoltaicznych albo pompy ciepła. Najlepsze efekty daje połączenie dobrze ocieplonego budynku, właściwie dobranego źródła energii, magazynowania oraz inteligentnego sterowania. Dopiero wtedy poszczególne urządzenia zaczynają działać jak jeden spójny system.

Czym są systemy zielonej energii?

System zielonej energii to zestaw urządzeń i rozwiązań wykorzystujących odnawialne źródła energii albo ograniczających zużycie paliw kopalnych. Może służyć do produkcji energii elektrycznej, ogrzewania pomieszczeń, przygotowania ciepłej wody, chłodzenia budynku oraz zasilania samochodu elektrycznego.

W domu jednorodzinnym takim systemem może być połączenie paneli fotowoltaicznych, pompy ciepła, ogrzewania podłogowego, zbiornika buforowego i sterownika zarządzającego pracą urządzeń. W budynku wielorodzinnym instalacja fotowoltaiczna może zasilać windy, oświetlenie klatek schodowych i pompy obiegowe. W gospodarstwie rolnym źródłem energii może być dodatkowo biomasa, biogaz albo instalacja odzyskująca ciepło z procesów produkcyjnych.

Nie wszystkie urządzenia należą przy tym do odnawialnych źródeł energii. Magazyn energii sam nie produkuje prądu, a termomodernizacja nie jest źródłem energii. Oba rozwiązania mogą jednak zdecydować o tym, czy cały system będzie efektywny.

Fotowoltaika - własna energia elektryczna

Instalacja fotowoltaiczna zamienia promieniowanie słoneczne na energię elektryczną. Wyprodukowany prąd może zasilać urządzenia domowe, pompę ciepła, klimatyzację, podgrzewacz wody, magazyn energii albo ładowarkę samochodu elektrycznego.

Największą korzyść uzyskuje się wtedy, gdy energia jest zużywana na bieżąco. Dlatego znaczenie ma nie tylko moc instalacji, ale również rytm funkcjonowania budynku. Inaczej projektuje się instalację dla domu pustego przez większość dnia, inaczej dla rodziny pracującej zdalnie, a jeszcze inaczej dla warsztatu, sklepu lub gospodarstwa rolnego.

Co wpływa na pracę fotowoltaiki?

• orientacja i kąt nachylenia dachu,
• zacienienie przez drzewa, kominy i sąsiednie budynki,
• powierzchnia dostępna pod moduły,
• profil zużycia energii w ciągu dnia,
• możliwość zwiększenia autokonsumpcji,
• stan pokrycia i konstrukcji dachu,
• dobór falownika, zabezpieczeń oraz przewodów.

Przykład: w domu z pompą ciepła można ustawić podgrzewanie ciepłej wody lub zwiększanie temperatury w zbiorniku buforowym w godzinach największej produkcji fotowoltaiki. Część energii zostaje wtedy zmagazynowana w postaci ciepła, bez konieczności natychmiastowego oddawania jej do sieci.

Komisja Europejska wskazuje, że energia słoneczna w budynkach może być wykorzystywana bezpośrednio, przechowywana w bateriach albo zamieniana na ciepło i gromadzona w lokalnych magazynach termicznych. Przy projektowaniu trzeba jednak uwzględnić między innymi potencjał danego budynku i nośność konstrukcji.

Pompy ciepła - ogrzewanie energią z otoczenia

Pompa ciepła pobiera energię z powietrza, gruntu lub wody, a następnie przekazuje ją do instalacji grzewczej budynku. Do działania potrzebuje energii elektrycznej, ale znaczną część dostarczanego ciepła pozyskuje z otoczenia.

Najczęściej spotykane rodzaje pomp ciepła

• powietrze-woda - pobiera ciepło z powietrza zewnętrznego i przekazuje je do instalacji wodnej,
• gruntowa - korzysta z energii zgromadzonej w gruncie,
• woda-woda - wykorzystuje odpowiednie zasoby wodne,
• powietrze-powietrze - ogrzewa lub chłodzi pomieszczenia za pomocą nawiewanego powietrza.

Pompa ciepła najlepiej współpracuje z budynkiem o niewielkim zapotrzebowaniu na energię oraz z ogrzewaniem niskotemperaturowym, na przykład podłogowym lub ściennym. W starszym, nieocieplonym domu z małymi grzejnikami wymagającymi bardzo gorącej wody może działać mniej korzystnie.

Przykład: właściciel domu z lat 80. nie powinien zaczynać modernizacji od przypadkowego zakupu pompy ciepła. Najpierw warto sprawdzić izolację stropu i ścian, stan okien, instalację grzewczą oraz rzeczywiste zapotrzebowanie budynku. Po termomodernizacji może się okazać, że wystarczy urządzenie o mniejszej mocy.

Międzynarodowa Agencja Energetyczna wskazuje, że poprawa standardu energetycznego domu może znacząco zmniejszyć zapotrzebowanie na ciepło, a tym samym umożliwić zastosowanie mniejszej pompy i ograniczyć szczytowy pobór energii.

Kolektory słoneczne i magazynowanie ciepła

Kolektory słoneczne bywają mylone z fotowoltaiką. Panele fotowoltaiczne produkują energię elektryczną, natomiast kolektory wykorzystują promieniowanie słoneczne do podgrzewania czynnika krążącego w instalacji. Energia jest następnie przekazywana do zasobnika ciepłej wody lub instalacji grzewczej.

Takie rozwiązanie może dobrze sprawdzać się w budynkach, które przez cały rok zużywają dużo ciepłej wody: pensjonatach, obiektach sportowych, domach wielopokoleniowych, zakładach usługowych lub budynkach wielorodzinnych.

Przykład: w niewielkim pensjonacie kolektory mogą latem podgrzewać dużą część wody użytkowej. Kocioł lub pompa ciepła pozostają źródłem uzupełniającym, uruchamianym wtedy, gdy energia słoneczna jest niewystarczająca.

Magazyn ciepła nie musi być skomplikowany

Najprostszym magazynem ciepła jest odpowiednio dobrany zasobnik wody. Może przechowywać energię dostarczoną przez kolektory, pompę ciepła, grzałkę zasilaną fotowoltaiką albo inne źródło. W większych systemach stosuje się rozbudowane zbiorniki buforowe, magazyny gruntowe i sezonowe magazyny ciepła.

Biomasa, biogaz, wiatr i geotermia

Biomasa

Biomasa obejmuje materiały pochodzenia biologicznego, które mogą być wykorzystywane do produkcji ciepła, energii elektrycznej, biogazu lub paliw. W budynkach spotyka się przede wszystkim kotły na pellet i zrębki, natomiast w gospodarstwach rolnych możliwości są znacznie szersze.

Przykład: gospodarstwo sadownicze może wykorzystywać zrębki powstające podczas pielęgnacji i wycinki drzew do ogrzewania części budynków. Rozwiązanie ma sens przede wszystkim wtedy, gdy surowiec jest rzeczywiście dostępny lokalnie, ma odpowiednią jakość i może być spalany w prawidłowo dobranej instalacji.

Biomasa jest źródłem odnawialnym, ale jej spalanie nadal powoduje emisję zanieczyszczeń. Nie powinna więc być automatycznie przedstawiana jako rozwiązanie całkowicie bezemisyjne, szczególnie w zwartej zabudowie miejskiej.

Biogaz

Biogaz może powstawać z odpadów rolniczych, pozostałości organicznych, ścieków lub innych surowców biologicznych. Po oczyszczeniu może być wykorzystywany do produkcji energii elektrycznej i ciepła, a w określonych instalacjach również przetwarzany na biometan.

Przykład: większe gospodarstwo hodowlane może połączyć biogazownię z produkcją prądu, ogrzewaniem budynków gospodarskich i wykorzystaniem części ciepła w procesach technologicznych. Jest to jednak system wymagający stałego dopływu surowca, obsługi i odpowiedniej skali inwestycji.

Małe turbiny wiatrowe

Przydomowa turbina wiatrowa nie jest uniwersalnym zamiennikiem fotowoltaiki. Jej efektywność zależy od lokalnych warunków wiatrowych, wysokości montażu, ukształtowania terenu, zabudowy i przeszkód powodujących turbulencje.

Przykład: turbina może mieć uzasadnienie na otwartym terenie, w gospodarstwie położonym z dala od zwartej zabudowy. Ten sam model zamontowany nisko pomiędzy domami i drzewami może produkować znacznie mniej energii, niż wynikałoby to z jego mocy znamionowej. Dlatego podstawą powodzenia małej instalacji wiatrowej jest profesjonalna ocena lokalizacji i zasobów wiatru.

Geotermia

Energia geotermalna wykorzystuje ciepło znajdujące się we wnętrzu ziemi. Może zasilać większe systemy ciepłownicze, obiekty publiczne, baseny i kompleksy budynków. Jej zastosowanie zależy jednak od lokalnych warunków geologicznych i możliwości wykonania odpowiednich odwiertów.

Magazyny energii i inteligentne sterowanie

Produkcja energii z odnawialnych źródeł nie zawsze pokrywa się z chwilą jej zużycia. Fotowoltaika produkuje najwięcej w ciągu dnia, podczas gdy wiele domów zużywa najwięcej energii rano i wieczorem. Energia wiatrowa zależy z kolei od pogody, a zapotrzebowanie na ogrzewanie zmienia się wraz z temperaturą.

Magazyn energii może przejąć część nadwyżek prądu i oddać je później. Nie oznacza to jednak pełnej niezależności od sieci. Pojemność magazynu, moc ładowania, moc rozładowania i sposób jego pracy muszą być dopasowane do instalacji oraz rzeczywistego zużycia energii.

Co może robić system zarządzania energią?

• uruchamiać pompę ciepła przy wysokiej produkcji fotowoltaiki,
• podgrzewać wodę wtedy, gdy dostępna jest nadwyżka prądu,
• ładować magazyn energii lub samochód elektryczny,
• ograniczać pobór urządzeń w godzinach największego obciążenia,
• uwzględniać prognozę pogody i przewidywaną produkcję,
• pokazywać mieszkańcom, gdzie i kiedy zużywana jest energia.

Jak łączyć systemy zielonej energii?

Najlepszy system nie składa się z największej liczby urządzeń. Powinien odpowiadać na konkretne potrzeby budynku i wykorzystywać dostępne lokalnie źródła energii.

Fotowoltaika + pompa ciepła

To jedno z najczęściej rozważanych połączeń w domach jednorodzinnych. Fotowoltaika może pokrywać część zapotrzebowania pompy na prąd, szczególnie w okresach przejściowych i podczas przygotowywania ciepłej wody. Zimą produkcja słoneczna jest jednak mniejsza, a zapotrzebowanie na ogrzewanie największe, dlatego system nadal wymaga współpracy z siecią.

Fotowoltaika + magazyn energii

Magazyn umożliwia przesunięcie części zużycia energii z godzin dziennych na wieczór lub noc. Może także współpracować z zasilaniem awaryjnym, ale tylko wtedy, gdy instalacja została odpowiednio zaprojektowana. Samo posiadanie baterii nie oznacza automatycznie, że dom będzie miał prąd podczas awarii sieci.

Pompa ciepła + bufor + ogrzewanie podłogowe

Ogrzewanie powierzchniowe może pracować przy niższej temperaturze wody niż tradycyjne małe grzejniki. Zbiornik buforowy pomaga stabilizować działanie instalacji i może przechowywać część energii w postaci ciepła.

Kolektory + zasobnik ciepłej wody

To rozwiązanie przeznaczone głównie do przygotowywania ciepłej wody. Najlepiej sprawdza się tam, gdzie zapotrzebowanie jest regularne także latem, na przykład w pensjonacie, obiekcie sportowym albo domu zamieszkanym przez dużą rodzinę.

Przykłady zastosowania w różnych budynkach

Przykład 1 - nowy dom jednorodzinny

Dobrze ocieplony dom ma ogrzewanie podłogowe, powietrzną albo gruntową pompę ciepła, fotowoltaikę oraz zasobnik ciepłej wody. System sterowania zwiększa temperaturę w zasobniku w godzinach wysokiej produkcji słonecznej, a ładowanie samochodu odbywa się głównie w ciągu dnia.

Dlaczego to działa? Zapotrzebowanie budynku na ciepło jest niewielkie, instalacja grzewcza pracuje w niskiej temperaturze, a część produkowanej energii jest zużywana bezpośrednio.

Przykład 2 - modernizacja starszego domu

W domu najpierw ocieplono strop i ściany, wymieniono część okien oraz poprawiono instalację grzewczą. Dopiero po zmniejszeniu strat ciepła dobrano pompę ciepła i instalację fotowoltaiczną. Kilka starszych grzejników zastąpiono większymi modelami przystosowanymi do niższej temperatury zasilania.

Dlaczego to działa? Urządzenia zostały dobrane do budynku po modernizacji, a nie do wcześniejszego, znacznie większego zużycia energii.

Przykład 3 - budynek wielorodzinny

Instalacja fotowoltaiczna na dachu zasila oświetlenie części wspólnych, windy, wentylację i pompy obiegowe. W większym projekcie może współpracować z centralnymi pompami ciepła, magazynem energii lub magazynem ciepła.

Ministerstwo Klimatu i Środowiska wskazuje, że w Polsce realizowane są kompleksowe projekty OZE w budynkach wielorodzinnych, obejmujące nie tylko fotowoltaikę, lecz także pompy ciepła, magazyny energii i niewielkie turbiny wiatrowe.

Przykład 4 - gospodarstwo rolne

Fotowoltaika zasila urządzenia pracujące w dzień, pompa ciepła ogrzewa część pomieszczeń, a odzysk ciepła wspiera przygotowanie ciepłej wody. W większym gospodarstwie możliwe jest wykorzystanie biomasy, biogazu albo magazynu energii współpracującego z instalacją słoneczną.

Dlaczego to działa? Gospodarstwo często zużywa dużo energii w godzinach, w których fotowoltaika produkuje prąd, a jednocześnie dysponuje przestrzenią i lokalnymi surowcami energetycznymi.

Przykład 5 - ciepłownia oparta na kilku technologiach

Ciekawym polskim przykładem jest system w Lidzbarku Warmińskim, w którym połączono wysokosprawne pompy ciepła, instalację fotowoltaiczną oraz magazyny ciepła, w tym duży zbiornik zagłębiony w gruncie. Pokazuje to, że zielona energia może być wykorzystywana nie tylko w pojedynczym domu, ale również w skali lokalnego systemu ciepłowniczego.

Tabela: jaki system pasuje do budynku?

Jak wybrać odpowiedni system?

Dobór instalacji powinien zaczynać się od potrzeb budynku, a nie od konkretnego urządzenia znalezionego w reklamie. Dwa domy o tej samej powierzchni mogą wymagać zupełnie innych rozwiązań ze względu na izolację, liczbę mieszkańców, sposób ogrzewania i profil zużycia energii.

Przed podjęciem decyzji warto sprawdzić:

• roczne i godzinowe zużycie energii elektrycznej,
• zapotrzebowanie budynku na ogrzewanie,
• ilość zużywanej ciepłej wody,
• stan izolacji, okien i instalacji grzewczej,
• powierzchnię, orientację i nośność dachu,
• zacienienie działki,
• warunki gruntowe i dostępne miejsce,
• możliwości przyłączeniowe sieci elektrycznej,
• warunki gwarancji i dostępność serwisu,
• koszty eksploatacji oraz wymiany podzespołów.

Najczęstsze błędy przy planowaniu instalacji

• kupowanie urządzenia bez analizy budynku - moc i rodzaj instalacji dobiera się do zapotrzebowania,
• pomijanie termomodernizacji - produkowanie dużej ilości energii nie naprawia strat ciepła,
• przewymiarowanie fotowoltaiki bez pomysłu na wykorzystanie nadwyżek,
• montaż pompy ciepła w nieprzygotowanym domu z instalacją wymagającą bardzo wysokiej temperatury,
• zakup magazynu bez danych o zużyciu,
• wiara w pełną niezależność energetyczną bez uwzględnienia sezonowości produkcji,
• montaż małej turbiny w przypadkowym miejscu bez oceny warunków wiatrowych,
• brak jednego sterowania dla urządzeń, które powinny ze sobą współpracować,
• pomijanie serwisu i kosztów wymiany podzespołów,
• wybieranie instalacji wyłącznie na podstawie dotacji, a nie rzeczywistych potrzeb.

Plan działania krok po kroku

Krok 1 - sprawdź zużycie energii

Zbierz rachunki za prąd i ogrzewanie. Ustal, kiedy energia jest zużywana oraz które urządzenia odpowiadają za największą część kosztów.

Krok 2 - oceń stan budynku

Sprawdź izolację dachu, ścian i podłogi, stan okien, wentylację oraz instalację grzewczą. W starszym domu pomocny może być audyt energetyczny.

Krok 3 - ogranicz niepotrzebne straty

Najpierw usuń problemy, które powodują nadmierne zużycie energii. Czasem docieplenie stropu, regulacja ogrzewania albo wymiana kilku grzejników daje więcej niż zakup kolejnego urządzenia.

Krok 4 - wybierz główne źródło energii

Określ, czy najważniejsza jest produkcja prądu, ogrzewanie, ciepła woda, chłodzenie czy zabezpieczenie przed przerwami w dostawie energii.

Krok 5 - zaplanuj współpracę urządzeń

Ustal, kiedy ma pracować pompa ciepła, gdzie trafi nadwyżka z fotowoltaiki, czy potrzebny jest magazyn oraz które urządzenie będzie pełniło funkcję rezerwową.

Krok 6 - przygotuj możliwość rozbudowy

Nawet jeśli magazyn energii lub ładowarka samochodu nie są potrzebne od razu, można wcześniej przygotować miejsce, przewody, zabezpieczenia i odpowiednią rozdzielnicę.

Krok 7 - kontroluj efekty

Po uruchomieniu instalacji obserwuj produkcję, zużycie, temperatury i pracę urządzeń. Dobre ustawienia systemu mogą mieć równie duże znaczenie jak sam dobór sprzętu.

Podsumowanie

Systemy zielonej energii mogą obejmować fotowoltaikę, pompy ciepła, kolektory słoneczne, biomasę, biogaz, energię wiatrową, geotermię, magazyny energii i inteligentne sterowanie. Nie każde rozwiązanie pasuje jednak do każdego domu, firmy czy gospodarstwa.

Najlepszy system zaczyna się od ograniczenia zapotrzebowania budynku na energię. Dopiero później wybiera się źródło, magazyn i sposób sterowania. W nowym domu może to być fotowoltaika połączona z pompą ciepła i ogrzewaniem podłogowym. W starszym budynku pierwszym krokiem często będzie termomodernizacja. W gospodarstwie rolnym warto dodatkowo rozważyć lokalną biomasę, biogaz i odzysk ciepła.

Zielona energia nie polega więc na zgromadzeniu jak największej liczby urządzeń. Chodzi o stworzenie systemu, który odpowiada potrzebom budynku, wykorzystuje lokalne zasoby i pozwala rozsądnie zarządzać produkowaną energią.