Ekologicznie = ekonomicznie? Magazynowanie energii (część II)

Opisane w ostatnim artykule (w BzG 1/2013) różne sposoby magazynowania energii ze źródeł odnawialnych dotyczyły głównie zastosowań na skalę przemysłową. Wykorzystywane w domowych warunkach akumulatory oraz zbiorniki do magazynowania ciepłej wody mają niestety swoją niezbyt dużą pojemność energetyczną, którą owszem można zwiększyć, ale odbywa się to zawsze kosztem powierzchni niezbędnej do umieszczenia tego typu „zasobników” w budynku. Stąd ciągłe poszukiwania jakiegoś „cudownego” środka pozwalającego na wyeliminowanie słabych stron ww. magazynów energii.

Jednym ze sposobów wyeliminowania ograniczonych możliwości magazynowania energii w wodzie jest zastąpienie jej materiałami, które na znacznie niższym poziomie temperaturowym są w stanie zmagazynować duże ilości energii. Są to materiały zmiennofazowe (PCM ang.– phase-change material). Gdy temperatura otoczenia wzrasta, wiązania chemiczne w materiale PCM zostają zerwane, a jego stan zmienia się ze stałego na ciekły. Z kolei podczas ochładzania materiał PCM wraca do stanu stałego i oddaje wcześniej zakumulowane ciepło. Dla przykładu energia topnienia 1 kg lodu jest równoważna energii podgrzania do temperatury 80 stopni C. Podstawową zaletą materiałów zmiennofazowych jest możliwość magazynowania ciepła w bardzo szerokim zakresie. Ich pojemność cieplna wynosi 100-250 kJ/kg. Jako materiały zmiennofazowe stosuje się węglowodory nasycone, kwasy tłuszczowe, a także sole i ich hydraty. Wykorzystując tego typu materiały możemy podwoić pojemność cieplną naszego zasobnika w stosunku do wody. Inną cechą, którą można dodatkowo wykorzystać, jest fakt magazynowania zarówno ciepła jak i zimna. Stąd materiały te można również wykorzystywać do układów schładzających powietrze – do klimatyzowania pomieszczeń.

Posiadaczom działek o dużej powierzchni można zaproponować jeszcze inne rozwiązanie „magazynu” ciepła. A mianowicie – mogą to być zbiorniki wodno-żwirowe, w których wykorzystuje się mieszaninę żwiru i wody jako środków magazynujących. Wykonanie takiego zasobnika jest stosunkowo proste: wystarczy wykopać dół, który należy odizolować cieplnie od otoczenia, wypełnić go medium, a następnie przykryć. Ciepło tak zmagazynowane może być w późniejszym okresie pobierane za pośrednictwem wężownicy rozłożonej w zbiorniku. Można pokusić się również o wykonanie zbiorników z sondami ziemnymi, w których energia magazynowana jest w glebie lub skałach. Wykorzystując współosiowe rurowe wymienniki ciepła, tłoczymy ciepło na głębokość od 20 do 100 metrów. Aby uzyskać odpowiednio pojemny i efektywny akumulator cieplny, potrzebujemy kilkuset gęsto upakowanych wymienników. Jeśli myślimy w tym przypadku o jednym domku, to sami Państwo sobie wyobraźcie te koszty – 1 m wiercenia to przecież około 100 zł.
W przypadku małej działki będzie taniej, gdy wężownicę przekazującą ciepło umieścimy już na etapie budowy niepodpiwniczonego domu pomiędzy ławami fundamentowymi. W tym celu wybieramy całą ziemię, wykonujemy izolację przeciwwilgociową i termiczną, następnie usypujemy cienką warstwę gliny, układamy wężownicę i całość zasypujemy warstwą ziemi. Później już tylko izolacja przeciwwodna i termiczna, a na koniec wylewka pod podłogę. W ten sposób otrzymujemy układ niskotemperaturowego dogrzewania domu. Nie możemy zapominać, że sukces wykorzystania darmowej energii odnawialnej w dużej mierze będzie zależał od zastosowanej automatyki – sterowania całym układem cieplnym – na tym też nie możemy oszczędzać (niestety).
Jak widzimy nie ma lekko.

No to pomyślmy dalej - może w przypadku bezpośredniego wykorzystania energii elektrycznej będzie nam łatwiej (taniej). Jak się można domyślać i na tym poletku sporo jeszcze do zrobienia. Cóż, energia elektryczna uzyskiwana z ogniw fotowoltaicznych czy przydomowych elektrowni wiatrowych magazynowana jest na dzień dzisiejszy praktycznie tylko przy wykorzystaniu różnego typu akumulatorów. Do najbardziej popularnych należy zaliczyć akumulatory kwasowo-ołowiowe, niklowo-kadmowe, niklowo-metalowo-wodorkowe, czy też litowo-jonowe (Li-Jon i Li-Metal). Każdy z nich posiada swoje zalety i wady. Poniższa tabela pozwala porównać najważniejsze właściwości różnych typów akumulatorów.

Ideałem wydaje się być technologia stosowana w akumulatorach litowo-jonowych. Poza dużą gęstością energii akumulatory te charakteryzują się również najmniejszą masą własną. Jeżeli jednak porównamy cenę akumulatora Pb żelowego o napięciu 12 V i pojemności 18 Ah, która wynosi około 190 zł, z akumulatorem Li-Jon o napięciu 11,1 V i pojemności 20 Ah (czyli o porównywalnych parametrach), za który zapłacimy około 700 zł, to nie jest już tak różowo. Dlatego baterie akumulatorowe służą przede wszystkim do zasilania urządzeń o niskim poborze prądu. Będą to głównie układy oświetlenia LED-owego, oraz układy awaryjnego zasilania urządzeń (chociażby pompy przy naszym ekologicznym kotle). Choć, jak dobrze poszukamy, to możemy znaleźć i taką ciekawostkę, jak samochód sportowy o napędzie elektrycznym, który osiąga 100 km/h poniżej 4 sekund, a jego prędkość maksymalna wynosi 210 km/h. Po jednorazowym naładowaniu baterii litowo-jonowych może przejechać do 400 km, a jego zużycie energii wynosi około 15-21 kWh/100 km. Imponujące…! Jeszcze tylko jeden drobny szczegół – cena około 100 tysięcy dolarów z dopłatą rządową… I tu pojawia się problem, bo za taką kwotę można już sobie wybudować ładny domek. Wracając do akumulatorów, niezaprzeczalną ich zaletą, dzięki której znajdują szerokie zastosowanie w układach magazynowania energii ze źródeł odnawialnych, są: modułowa budowa pozwalająca w łatwy sposób na zestawienie instalacji o mocach zależnych od potrzeb, niskie wymagania dotyczące współpracy z infrastrukturą zewnętrzną, pozwalające na dużą elastyczność lokalizacyjną, a także bardzo szybki czas reakcji na zmianę sytuacji w systemie elektroenergetycznym, a również - co bardzo istotne - zminimalizowane potrzeby w zakresie bieżącej obsługi i przeglądów eksploatacyjnych.

Cóż, może nasz wymarzony dom za kilka lat będzie stanowił jednostkę autonomiczną, niezależną od zewnętrznej sieci energetycznej, gazowej, wodociągowej, a wręcz wspomagający ww. sieci, a tym samym generujący dla nas pieniądze. Wystarczy „tylko” odpowiednio wybrać i poskładać (z opisanych do tej pory w artykułach z cyklu „Ekologicznie=ekonomicznie?”) technologie i voilà.
Spróbujmy więc poukładać nasze ekologiczne puzzle. Wykorzystajmy słońce, wiatr i wodę. Nasz hybrydowy dom będzie składał się przede wszystkim z paneli fotowoltaicznych o wysokiej wydajności prądowej, służących do ładowania baterii akumulatorów. Po naładowaniu akumulatorów prąd z paneli może zasilić grzałki w zasobnikach ciepłej wody. A skoro o zasobnikach ciepłej wody, to poza grzałką będą one wyposażone w dwie wężownice (wymienniki ciepła). Dzięki temu rozwiązaniu możemy podłączyć dwa niezależne źródła ciepła: kolektory słoneczne i pompę ciepła. Kolektory słoneczne poza ogrzewaniem wody na pewno wspomogą nas dodatkowo w ogrzewaniu budynku. Z kolei do ograniczenia strat wentylacyjnych zastosujemy centralę wentylacyjną z rekuperatorem. Pozwoli nam to na rozprowadzenie świeżego powietrza po całym domu. Wysokowydajny wymiennik zapewni wymianę ciepła pomiędzy powietrzem zużytym pobranym z pomieszczeń użytkowych, a powietrzem pobranym z otoczenia. Do ogrzewania domu wykorzystamy ogrzewanie podłogowe niskotemperaturowe, z indywidualną regulacją za pomocą termostatów w każdym pomieszczeniu. Pamiętajmy przy tym o dokładnym policzeniu zapotrzebowania na ciepło. Całość mogą uzupełnić przydomowa oczyszczalnia ścieków i zbiornik na deszczówkę. Zastosowana przez nas biologiczna oczyszczalnia ścieków o zamkniętym obiegu pozwoli wykorzystać oczyszczoną wodę np. do podlewania trawników. Wodę spływającą z dachu czy tarasu zgromadzimy z kolei w zbiorniku na deszczówkę, dzięki czemu nie tylko będziemy mogli ją wykorzystać do celów gospodarczych, ale i nie zapłacimy podatku od wód opadowych, który to prędzej czy później zostanie wprowadzony. Koniecznie musimy wyposażyć nasz dom w systemy automatyki pozwalające na zdalne sterowanie – zarządzanie żaluzjami, oświetleniem, ogrzewaniem i innymi urządzeniami domowymi – zapewniając szybką reakcję na zmienne warunki pogodowe. Nie muszę chyba dodawać, że aby nasz cały system się sprawdził, budynek musi być odpowiednio zaizolowany i ocieplony. Zapomnijmy o wszelkich mostkach cieplnych, przerwanej izolacji przeciwwodnej, źle osadzonej stolarce okiennej i drzwiowej – całość musi być wykonana na tip-top. Dlatego, porywając się na ekologiczne rozwiązania, musimy wydać nie tylko pieniądze na samą technologię, ale i na prawdziwych fachowców, którzy „czują” o co w tym wszystkim chodzi. Nie zaszkodzi sprawdzić ich profesjonalizm przy pomocy chociażby kamery termowizyjnej i w porę zareagować na wszelkie uchybienia.

Nikt nie mówił, że będzie łatwo. To przy którym wybudowanym domu nie popełnimy już błędów?