MIĘDZYRZECZ: Czy istnieje alternatywa dla kotłów gazowych i dla przysłowiowych „kopciuchów”?

Polska na europejskim forum w wyniku nieodpowiedzialnej polityki rządu jest ostatnio postrzegana jako hamulcowy w kwestii działań na rzecz ochrony środowiska. Na taką opinię składa się wiele działań, a w zasadzie zaniechań i wycofanie się z działania na rzecz szeroko pojętej ekologii. Podstawowym argumentem są ogromne ilości węgla kamiennego sprowadzanego do Polski z zagranicy i bierność w zakresie poprawy jakości powietrza.

Wraz z nastaniem sezonu grzewczego powraca rokrocznie problem smogu w Polsce.  Wielu zauważa, że brak konsekwencji rządzących w kwestii działań na rzecz poprawy jakości powietrza powoduje, że problem jest wciąż aktualny i nasila się w sezonie grzewczym. Wywołuje go przede wszystkim, tzw. niska emisja, czyli zanieczyszczenie powietrza pochodzące głównie ze spalania paliw w gospodarstwach domowych. Odpowiadają one za około połowę całkowitego wydzielania pyłów PM10 i PM2,5 oraz ponad 85% rakotwórczego benzo(a)pirenu.

Jednym ze skutecznych sposobów walki ze smogiem jest wymiana przestarzałych, zasilanych węglem źródeł ciepła na bardziej ekologiczne, efektywniej wykorzystujące spalane surowce.

 Czym są tak zwane indukcyjne pompy ciepła?
Jakiś czas temu na rynku pojawiły się tak zwane „Indukcyjne pompy ciepła”. Producenci chwalą się niskimi kosztami wykorzystania takich technologii. Co w ogóle znaczy określenie „indukcyjna” i czym różni się ten produkt od klasycznej pompy ciepła?

Urządzenia te wykorzystują ciepło Ziemi (wersja gruntowa) lub powietrza atmosferycznego (wersja powietrzna) do wprowadzenia w stan gazowy specjalnego płynu, zwanego czynnikiem roboczym. Wrze on najczęściej we względnie niskich temperaturach, a po przekształceniu całości w gaz, dociera do sprężarki.

Ta podnosi ciśnienie gazu, co powoduje także wzrost jego temperatury. Właśnie to ciepło zostaje wykorzystane do ogrzania mieszkania czy wody użytkowej. Oddanie zakumulowanej energii powoduje powrót do stanu ciekłego. Następnie sama ciecz dostaje się na zawór rozprężny, a jej ciśnienie wraca do początkowej, niskiej wartości. Po wszystkim termodynamiczny cykl się powtarza.

System wykorzystuje złożony układ bazujący na czynniku roboczym oraz dwa źródła ciepła. Dzięki temu pompa ciepła może być bardzo efektywna. Jej współczynnik COP informuje, jak wiele ciepła uzyskamy z każdej wykorzystanej kilowatogodziny prądu. Przykładowo, pompa o COP równym 2,9 da nam 2,9 kWh ciepła w zamian za 1 kWh prądu.

Indukcyjna „pompa ciepła” nie wykorzystuje układu termodynamicznego z czynnikiem roboczym. Nie mamy tutaj obiegu termodynamicznego, a jedynie… prąd podgrzewający wodę. Jaki jest tego skutek dla konsumenta?

O ile prawdziwa, klasyczna pompa pozwoli nam uzyskać około 3-4 kWh ciepła z każdej kWh prądu elektrycznego, tutaj maksymalna efektywność konwersji będzie oscylować z zakresie 90%. W takiej sytuacji ogrzewanie indukcyjną „pseudopompą” zużyje około trzykrotnie więcej prądu niż klasyczne pompy ciepła.

 Czy indukcyjne pompy ciepła są rozwiązaniem idealnym?
Przed powyższą technologią ostrzega znana na polskim rynku odnawialnych źródeł energii organizacja PORT PC, cyt.:
„Wspomniane urządzenie grzewcze nie jest pompą ciepłą, gdyż w urządzeniu tym nie jest pobierane ciepło niskotemperaturowe z dolnego źródła i po podniesieniu jego temperatury do poziomu umożliwiającego wykorzystanie, ciepło przekazywane jest do instalacji odbiorczej, przy czym w procesie tym ilość ciepła wzrasta o ilość energii elektrycznej pobranej przez sprężarkę. „Indukcyjna pompa ciepła” nie ma żadnych elementów mechanicznych i jest to po prostu kocioł elektryczny, w którym bezpośrednio za pomocą energii elektrycznej podgrzewana jest woda. A zatem takie urządzenie grzewcze może mieć klasę energetyczną E, a nie klasę A++, która charakteryzuje urządzenia grzewcze wykorzystujące ciepło z odnawialnych źródeł (powietrzne i gruntowe pompy ciepła) lub urządzenia wysokosprawnej kogeneracji, w których wytwarzane jest ciepło i energia elektryczna”.  
Patrz rysunek poniżej

 A może pompa ciepła?
Szukając komfortowego i taniego w eksploatacji ogrzewania coraz częściej zastanawiamy się nad zastosowaniem pompy ciepła. Przede wszystkim liczymy na to, że pompa ciepła zapewni niskie koszty ogrzewania i będzie pracować niezawodnie przez kilkadziesiąt lat. Jest to w pełni uzasadnione, ponieważ ceny tradycyjnych paliw szybko się zmieniają.
Wyliczono, że dwie trzecie kosztów utrzymania budynku związane są z jego ogrzewaniem. Stosując tanie w eksploatacji źródło ciepła, takie jak pompy ciepła możemy zapewnić sobie niskie koszty jego ogrzewania przez nawet 50 lat.
Produkowane obecnie pompy ciepła są niezawodnym, oszczędnym i przyjaznym środowisku źródłem ciepła o zapewnionej przyszłości. W Szwajcarii już dzisiaj co trzeci dom wyposażony jest w pompę ciepła. Również w Polsce pompy ciepła z roku na rok zyskują coraz więcej zwolenników.

 Dlaczego warto rozważyć ogrzewanie domu pompą ciepła?
Za takim rozwiązaniem w zakresie ogrzewania przemawiają:

• niższe koszty budowy domu – wybierając pompę ciepła nie potrzebujemy budować komina, magazynu opału
• nie musimy tracić czasu na szukanie paliwa o dobrej jakości za przystępną cenę – przy niektórych źródłach ciepła jest to zasadnicza kwestia wpływająca na trwałość kotła, jego awaryjność i koszt ogrzewania
• pompa ciepła jest jednym z najtańszych w eksploatacji źródeł ciepła i nie wymaga uciążliwej obsługi – sprowadza się ona jedynie do odpowiednich ustawień regulatora i dostosowania pracy instalacji do indywidualnych potrzeb użytkowników
• szybki zwrot poniesionych nakładów inwestycyjnych – realny czas zwrotu inwestycji wynosi 5 do 7 lat, w stosunku do kotłowni na olej opałowy, gaz płynny czy ogrzewania elektrycznego (grzejniki elektryczne)
• długa żywotność pompy ciepła – przy odpowiedniej instalacji nawet do 50 lat
• pompa ciepła jest przyjazna dla środowiska naturalnego – łatwo można uzyskać niskooprocentowany kredyt lub dofinansowanie na inwestycję proekologiczną, mimo, że pompa ciepła zasilana jest przez energią elektryczną, która w Polsce wytwarzana jest głównie ze spalania węgla. Jednak, aby uzyskać 1 kW ciepła z pompy ciepła trzeba spalić znacznie mniej węgla niż dla 1 kW z kotła/pieca elektrycznego lub mniej niż w kotle węglowym.
• udział energii elektrycznej pochodzącej z biopaliw, energii słonecznej i wiatru systematycznie wzrasta – w przyszłości pompy ciepła będą zasilane wyłącznie energią elektryczną z odnawialnych źródeł energii tzw. „zielonym prądem”.

Pompa ciepła może być jedynym źródłem ciepła do ogrzewania budynku (wyjątkiem jest pompa ciepła powietrze/woda), może również współpracować z dodatkowymi urządzeniami. Łatwo można podłączyć do instalacji np. kolektory słoneczne czy kominek z płaszczem wodnym. Pompa ciepła może również współpracować z kotłem gazowym, olejowym lub na paliwo stałe. Pompa ciepła oprócz ogrzewania może również chłodzić pomieszczenia w lecie podnosząc komfort w budynku.

Miejmy nadzieję, że polityka państwa będzie coraz „bardziej przyjaźniejsza” dla powszechnego stosowania pomp ciepła – wzorem krajów europejskich i u nas należy się spodziewać bezzwrotnych dotacji wspomagających inwestycje i specjalne taryfy energii elektrycznej (niższe od obecnych) dla zasilania pomp ciepła.

 Pompy ciepła mają wiele zalet, ale i „wady”
Odpowiednie ogrzewanie budynku – pompa ciepła jest niskotemperaturowym źródłem ciepła, co oznacza, że może ogrzać wodę zasilającą instalację centralnego ogrzewania do stosunkowo niskiej temperatury: 55, 65°C. To z kolei wymaga zastosowania przystosowanej do tego instalacji grzewczej, np. z ogrzewaniem podłogowym lub ściennym.
Wyższa cena początkowa inwestycji w porównaniu z tradycyjnymi źródłami ciepła, która jednak stosunkowo szybko zwraca się. Chociaż, jak się dokładnie policzy może okazać się, że całkowite koszty instalacji z pompą ciepła nie są o wiele większe od np. kotła gazowego czy zasilanego paliwem stałym.

 Jeśli nie pompy ciepła i kotły gazowe, to może instalacja fotowoltaiczna na własne potrzeby?
Słońce dostarcza do Ziemi ogromne pokłady energii, należy ona do odnawialnych źródeł, to znaczy, że jej zasoby są niewyczerpalne. Energia słoneczna zapewnia utrzymanie temperatury powierzchni Ziemi, co więcej można ją skutecznie przekształcić zarówno w ciepło jak i prąd. Prąd ze słońca? Czy to możliwe, by samemu produkować darmową energię?

Fotowoltaika to związek dwóch słów – foto, czyli światło i wolt, czyli napięcie prądu elektrycznego. Prąd ze słońca jest znacznie bardziej uniwersalną formą energii niż ciepło które pozyskiwane jest w kolektorach słonecznych. Można go bowiem wykorzystać do zasilania wszelkich urządzeń elektrycznych, w tym do ogrzewania i przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Aby uzyskać darmowy prąd pochodzący z przetwarzania energii słonecznej niezbędne są panele fotowoltaiczne. Montowane na dachach domów instalacje to połączone ze sobą w sposób równoległy lub szeregowy ogniwa, które tworzą moduły.  To właśnie dzięki ogniwom produkowany jest prąd ze słońca.

Z danych statystycznych wiemy, że w samym 2016 roku powstało ponad 101 000 kW nowych mocy w fotowoltaice, z czego ok. 73 000 kW w mikro instalacjach (o mocy do 10 kW) – czyli w zdecydowanej większości, w małych domowych instalacjach fotowoltaicznych, których łączna liczba wynosi blisko 16 000 instalacji. Oznacza to prawie 4 krotny wzrost mocy zainstalowanej w 2016 roku, w porównaniu z rokiem 2015.
Do naszych domów najczęściej kupujemy instalacje fotowoltaiczne o mocy między 3-5 kW, rzadziej o mocy 5-10 kW. Instalacja fotowoltaiczna o mocy 3-5 kW w ciągu roku wyprodukuje ok. 3000 – 5000 kWh słonecznej energii elektrycznej. Co odpowiada ilości zużywanego prądu w naszych domach.

W 2016 roku najwięcej sprzedano modułów fotowoltaicznych w województwach: podkarpackim, śląskim oraz w kujawsko-pomorskim. Najmniej w województwach: lubuskim, opolskim i świętokrzyskim. O stale rosnącym rynku i zainteresowaniu fotowltaiką, świadczyć mogą obroty na polskim rynku, które w 2016 roku wynosiły 550 mln zł.

Prawda jest taka, że już dzisiaj możemy własną mieć instalację fotowoltaiczną i zasilać pompę ciepła wyłączne prądem słonecznym? W takim wariancie będziemy mieli niemal darmowe ogrzewanie! Z pewnością jest to racjonalna propozycja dla właścicieli własnych domów. Dla posiadaczy mieszkań w blokowiskach niestety takie rozwiązanie w indywidualny sposób raczej trudno wdrożyć.

Najprostsze rozwiązanie to instalacja fotowoltaiczna podłączona do publicznej sieci energetycznej i odprowadzanie do niej całego wyprodukowanego prądu, za co otrzymamy wynagrodzenie. Jednak, najbardziej opłacalne rozwiązanie, to w jak największym stopniu wykorzystanie prądu solarnego na własne potrzeby, czyli do zasilania urządzeń RTV i AGD, do oświetlenia domu, a nawet do jego ogrzewania. Możemy w ten sposób zyskać najwięcej, bo prąd, który kupujemy z sieci, jest znacznie droższy od ceny naszego prądu solarnego, który do niej wprowadzamy (sprzedajemy).

W przypadku instalacji fotowoltaicznej wykorzystywanej na własne potrzeby (zużycie własne) prąd solarny, który jest zużywany w tym samym momencie, w którym został wyprodukowany (w ciągu dnia) może być również magazynowany, np. w akumulatorach i wykorzystywany w późniejszym czasie (np. wieczorem). Zużycie prądu w gospodarstwie domowym zależy w dużej mierze od rozkładu dnia jego mieszkańców, od rodzaju urządzeń elektrycznych, jak również od naszych przyzwyczajeń.

Najwięcej prądu solarnego instalacja fotowoltaiczna pozyskuje w ciągu słonecznego dnia – między godziną 12:00 a 15:00 (maksymalnie w przykładzie powyżej 5000 W, czyli 5 kW). Często ilość wyprodukowanego prądu słonecznego nie pokrywa się z zapotrzebowaniem na energię budynku. W takiej sytuacji, nadmiar prądu solarnego możemy odprowadzać do sieci energetycznej. Jednak zanim to nastąpi, warto wykorzystać darmowy prąd ze słońca również do ogrzewania domu i wody użytkowej, do chłodzenia pomieszczeń w lecie i do zasilania wentylacji mechanicznej z odzyskiem ciepła (rekuperacja).
Koncepcję takiego rozwiązania przedstawia rysunek poniżej.

Gdy instalacja fotowoltaiczna dostarcza więcej prądu niż wykorzystują odbiorniki w budynku, automatycznie może załączać się pompa ciepła, która ogrzewa lub chłodzi dom. Jeśli w danym momencie budynek nie potrzebuje ogrzewania, ciepło może być magazynowane w zbiorniku o odpowiedniej pojemności i wykorzystane również w nocy. Kombinacja pompy ciepła Vitocal z instalacją fotowoltaiczną Vitovolt, umożliwia korzystanie z prądu solarnego również innych urządzeń, np. rekuperatora Vitovent 300-F.
Pompy ciepła Vitocal wykorzystują ciepło z gruntu, wody, powietrza atmosferycznego. Niezależnie od rodzaju zastosowanej pompy ciepła, praktycznie każdy budynek możemy wyposażyć w instalację fotowoltaiczną Vitovolt. Dzięki wykorzystaniu darmowej energii elektrycznej rośnie opłacalność stosowania pomp ciepła. A, dzięki zwiększeniu zużycia prądu solarnego na potrzeby własne, wyraźnie wzrasta opłacalność inwestycji w instalację fotowoltaiczną.
Moc ogniw fotowoltaicznych zależy od natężenia promieniowania słonecznego. Jest zmienna w zależności od zachmurzenia. Nie oznacza to jednak, że przy brzydkiej pogodzie instalacja w ogóle nie produkuje prądu – produkuje go, tylko mniej. W przypadku gdy słońce nie jest zakryte, natężenie wytwarzanego prądu sięga 1000W/m2. Gdy chmury zakrywają źródło promieniowania, moc nominalna ogniw spada, nigdy jednak do zera!

 Czy odnawialna energia zyska na znaczeniu?
Niewątpliwie boom na fotowoltaikę stał się faktem, tym bardziej że rząd znacznie przychylniej patrzy dziś na odnawialne źródła energii. Niestety deklaracja przychylności to trochę za mało. Brak stabilnej polityki w tym zakresie powoduje wiele problemów, jak choćby stabilność tego sektora energetyki.

Obecnie, jak się oblicza fotowoltaika dostarcza na rynek energetyczny 0,7 GW mocy, to już w 2020 r. mogłaby zwiększyć tę liczbę niemal pięciokrotnie, do 3,2 GW. Tak przynajmniej szacują analitycy Instytutu Energetyki Odnawialnej. To oczywiście optymistyczny scenariusz, który zakłada, że zostałyby przeprowadzone dodatkowe aukcje interwencyjne (1,5 GW w segmencie farm fotowoltaicznych) oraz udałoby się wprowadzić wsparcie dla fotowoltaicznych instalacji prosumenckich (dodatkowe 0,5 GW). Teoretycznie jest to możliwe: na polskim rynku fotowoltaicznym realizowanych jest 2,1 tys. projektów z warunkami przyłączenia większych instalacji fotowoltaicznych do sieci. Sumaryczna moc tych projektów przekracza 2 GW.