Ekologiczne źródła energii. Jak pozyskiwać energię na miarę XXI wieku?

Aby odejść od konwencjonalnych źródeł energii (jak np. węgiel czy ropa naftowa), które z czasem się wyczerpią, a do tego ich eksploatacja i wykorzystanie negatywnie wpływa na środowisko, zaczęto rozwijać ekologiczne sposoby pozyskiwania energii. Oparte są one na odnawialnych źródłach energii (OZE), takich jak: woda, powietrze, grunt, słońce i biomasy.

Od wieków wykorzystywana jest energia wód płynących. Pierwszymi „turbinami wodnymi" były koła młyńskie. Te małe elektrownie przepływowe, wykorzystujące naturalne spiętrzenia wody, mają znikomy wpływ na środowisko. Wśród elektrowni wodnych można wymienić też elektrownie pływowe, szczytowo-pompowe i przepływowe budowane na zaporach.

Z wody można pozyskiwać również energię cieplną (np. ze źródeł geotermalnych). Wykorzystuje się w tym celu pompy ciepła, które pobierają energię cieplną z otoczenia (w tym przypadku z wody – dolne źródło) i dostarczają ją do instalacji centralnego ogrzewania (górne źródło).

Przeczytaj: Zasada działania powietrznych, gruntowych, wodnych i hybrydowych pomp ciepła

Podobnie jak woda, powietrze (a ściślej siła wiatru) już dawno wykorzystywane było do pozyskiwania energii. Ponad 2500 lat temu stosowano wiatraki do nawadniania pól uprawnych, później zastosowano też siłę wiatru w młynach wiatrowych i tartakach.

Współcześnie w celu wykorzystania powietrza do pozyskania energii stosuje się elektrownie wiatrowe, których turbiny przekształcają energię kinetyczną wiatru na energię mechaniczną. Ta ostatnia trafia do generatora, gdzie przetwarzana jest na energię elektryczną.

Energia z powietrza wykorzystywana jest również w pompach ciepła. Urządzenia te pozyskują ciepło zawarte w powietrzu. Nowoczesne powietrzne pompy ciepła są efektywne w bardzo szerokim zakresie temperatur – od –25ºC do 45ºC. Najchłodniejszym miesiącem w naszym klimacie jest styczeń (średnie temperatury wynoszą od kilku stopni powyżej zera na zachodzie, do kilku stopni poniżej zera na północnym wschodzie).

– W Polsce pokutuje mit, że powietrzne pompy ciepła nie mogą być jedynym źródłem ciepła w domu, gdyż ich działanie zbyt mocno zależy od panujących warunków pogodowych. Zdaniem przeciwników tych urządzeń cecha ta ma się przekładać na zbyt niski komfort cieplny w czasie mroźnych zim. Nic bardziej mylnego, ponieważ rozwój techniki pozwala konstruować powietrzne pompy ciepła, które działają wydajnie nawet przy temperaturze zewnętrznej wynoszącej –25°C – mówi ekspert marki NIBE. I dodaje: – Należy jedynie pamiętać, by powietrzną pompę ciepła zaopatrzyć we wbudowaną grzałkę elektryczną. Przyda się ona jedynie w czasie najmroźniejszych dni w roku, ale właśnie w tych wyjątkowych sytuacjach, grzałka wspomoże system ogrzewania, by zapewnić domownikom odpowiedni komfort cieplny. Warto też podkreślić, że w Szwecji, która jest europejskim liderem w wykorzystaniu pomp ciepła, średnie temperatury są dużo niższe niż w Polsce, a mimo to powietrzne pompy ciepła idealnie się tam sprawdzają.

Warto przeczytać: Pompa ciepła jako jedyne źródło ogrzewania domu

Zasoby ciepła zawarte w ziemi można wykorzystać choćby przez zastosowanie gruntowych pomp ciepła. Urządzenia tego typu potrzebują dolnego źródła ciepła, czyli ułożenia w gruncie (poniżej głębokości przemarzania gruntu) kolektora poziomego lub wykonania głębokich odwiertów i umieszczenia w nich kolektora pionowego. Kolektory to system rur wypełnionych specjalnym ekologicznym czynnikiem roboczym, który pobiera ciepło zakumulowane w ziemi. Po przejściu przez parownik i sprężarkę trafia on do skraplacza, gdzie ciepło czynnika przekazywane jest do źródła górnego (centralnego ogrzewania, które oddaje ciepło do pomieszczeń). Na terenie Polski średnia temperatura gruntu odnotowywana na głębokości 1,5 m waha się od 2ºC (w lutym) do 16ºC (w sierpniu). Amplituda zmian temperatury gruntu w ciągu roku jest oczywiście mniejsza na większych głębokościach. Temperatury te wystarczają, żeby gruntowa pompa ciepła zapewniła aż 65ºC na zasilaniu systemu grzewczego. (np. gruntowa pompa ciepła NIBE F1255).

Energia pochodząca ze słońca może być przekształcana w energię elektryczną lub cieplną. Ważną cechą produkcji obu rodzajów energii jest to, że mogą być one zastosowane przez inwestorów indywidualnych w domach i mieszkaniach.

Panele fotowoltaiczne (PV) produkują energię elektryczną, która wykorzystywana jest do zasilania urządzeń domowych (w tym również pompy ciepła – jeśli jest zamontowana). Dla inwestorów ważną informacją jest to, że ewentualną nadwyżkę pozyskanej ze słońca energii przekazać można operatorowi sieci dystrybucyjnej. A później wykorzystać ją, dzięki zastosowaniu systemu on-grid zintegrowanego z siecią energetyczną, w ciągu roku od daty wprowadzenia jej do sieci.

Energię cieplną ze słońca pozyskuje się dzięki kolektorom słonecznym. Wykorzystać ją można do podgrzewu ciepłej wody użytkowej lub wspomagania centralnego ogrzewania domu.

Instalacje fotowoltaiczne coraz częściej wykorzystuje się w instalacjach hybrydowych. Powstają one przez zintegrowanie pracy nawet kilku różnych urządzeń. Dzięki temu fotowoltaikę można łączyć z nowoczesnymi systemami grzewczymi, które wykorzystują odnawialne źródła energii, takie jak na przykład pompy ciepła.

Dowiedz się więcej: Kiedy sprawdzi się system hybrydowy, czyli pompa ciepła w zestawie z innym źródłem grzewczym

Ważnym naturalnym źródłem energii są też biomasy. Do grupy tej zalicza się pozostałości z produkcji rolnej i leśnej oraz odpady przemysłowe i komunalne, które ulegają biodegradacji. Do biomasy zalicza się też biogazy. Najpopularniejsze na naszym rynku biopaliwa to: drewno opałowe (z lasów, sadów, specjalnych upraw i uzyskiwane z odpadów przemysłu drzewnego), pellet oraz słoma.

Aby pozyskać energię z biomasy poddaje się ją jednemu z procesów: spalaniu po odpowiednim wysuszeniu (czasami również sprasowaniu), zgazowaniu, fermentacji lub estryfikacji. Natomiast gaz uzyskany w wyniku tych procesów wykorzystywany jest jako paliwo. Pozyskiwanie energii z biomasy jest na razie wykorzystywane w Polsce najrzadziej. Powodem tego może być fakt, że prawdziwie ekologiczne spalanie biomas wymaga zastosowania nowoczesnych kotłów, które są drogie. Do tego wyposażone są w zaawansowane systemy automatyki sterujące procesem spalania i ładowania, wymagają bezwzględnie współpracującego z nimi bufora wpiętego w instalację no i nie są bezobsługowe (jak na przykład pompy ciepła).

Warto podkreślić, że wykorzystując OZE można wybudować dom samowystarczalny pod względem energetycznym. Do tego koszty ogrzewania, produkcji ciepłej wody użytkowej, wentylacji, klimatyzacji i zużycia energii elektrycznej (na działanie wszelkiego rodzaju sprzętów rtv i agd) można wtedy zredukować do minimum.

Przykładem takiego domu jest budynek wzniesiony w 2017 roku na Podlasiu. Inwestorzy zdecydowali się na montaż powietrznej pompy ciepła NIBE Split, która współpracuje z centralą wentylacyjną z odzyskiem ciepła oraz zestawem fotowoltaicznym. Ta hybrydowa instalacja już po pierwszym roku użytkowania (obejmującym jeszcze ogrzewanie na cele budowlane) okazała się bardzo opłacalna. Całkowite koszty energetyczne budynku o powierzchni użytkowej równej 143 mkw. wyniosły mniej niż 100 złotych miesięcznie.