Tytułowe żywioły towarzyszą nam od zarania dziejów. Od wieków człowiek, z lepszym lub gorszym skutkiem, potrafił spożytkować ich siłę do własnych potrzeb. Moc drzemiąca w nich budzi szacunek, przerażenie, podziw, a odpowiednio przetworzona ułatwia nam codzienne życie. Jak więc wykorzystujemy tę moc, którą daje nam przyroda? Czy to, co wygląda na darmową energię, jest w dzisiejszych czasach odpowiednio wykorzystywane i przyczynia się do oszczędności źródeł nieodnawialnych, jak węgiel, gaz czy ropa naftowa? Jak „zaprząc” naturę dla naszych potrzeb?
Zacznijmy od powietrza, a dokładniej jego ruchu, czyli wiatru. Jego moc wykorzystywali od wieków żeglarze, udając się w podróże w nieznane. Wykorzystujemy go i my, z tym że nasze żeglowanie służy raczej relaksowi, natomiast z innej perspektywy – siła wiatru służy nam głównie jako „paliwo” napędowe do zasilania elektrowni wiatrowych. W zależności od wielkości turbiny mamy bardzo szeroki zakres jej wykorzystania: od gospodarstw domowych, poprzez oświetlenie uliczne, po zastosowania przemysłowe. Do podstawowych zalet elektrowni wiatrowych należą niskie koszty eksploatacji, możliwość zainstalowania turbin w miejscach oddalonych od sieci energetycznej; poza tym nie produkują one zanieczyszczeń i nie wymagają częstej obsługi. Jest jednak jak zwykle małe „ale”, a mianowicie – czy budowa elektrowni wiatrowej jest inwestycją opłacalną? Otóż najważniejszym elementem decydującym o powodzeniu inwestycji jest jej lokalizacja. Wiadomo – nie ma wiatru, nie ma „paliwa”. Stąd przed decyzją o postawieniu siłowni wiatrowej powinniśmy najpierw zapoznać się z mapą stref rozkładu wiatru. Jeżeli z mapy tej wynika, że znajdujemy się w strefie wybitnie korzystnej lub korzystnej, będziemy mieli gwarancję, że inwestycja zakończy się powodzeniem. Z kolei, gdy zainwestujemy w budowę w strefie niekorzystnej, może okazać się, że będziemy zmuszeni zbudować wyższą konstrukcję wieży, co z kolei wpłynie na koszt inwestycji. Należy również pamiętać, by umiejscowić urządzenie z dala od drzew i zabudowań, które mogłyby niekorzystnie wpłynąć na jego pracę. W miejscach, gdzie nie jesteśmy pewni czy warto postawić elektrownię, możemy zlecić sporządzenie audytu wietrzności, za co oczywiście będziemy musieli zapłacić. A jak działa sama elektrownia? Podstawowa zasada opiera się na działaniu prądnicy. Strumień powietrza powoduje obrót łopat wirnika, które z kolei poprzez odpowiednie przekładnie wprawiają w ruch wirnik generatora. Właśnie zadaniem generatora jest przetwarzanie energii mechanicznej na energię elektryczną, która zostaje następnie odprowadzona do odbiorników. Ilość wyprodukowanej energii zależy od kilku czynników: mocy generatora, prędkości wiatru i sprawności układu. Dlatego stosuje się stery kierunkowe dla optymalizacji położenia łopat wirnika oraz systemy regulacji kąta natarcia łopat oraz odpowiednie ich wyprofilowanie. Istotną cechą generatorów stosowanych w elektrowniach wiatrowych jest ich samowzbudność – przez co nie potrzebują żadnego dodatkowego zasilania. Charakteryzują się one również dużą sprawnością, a do generowania napięcia wystarczy nawet minimalna prędkość wirnika. Tak otrzymany prąd elektryczny, dostarczony przez elektrownię wiatrową, możemy wykorzystać na wiele sposobów – przede wszystkim do zasilania wszelkiego rodzaju odbiorników sieciowych, do wspomagania układów centralnego ogrzewania i/lub podgrzewania układu ciepłej wody, co z kolei pozwoli na zaoszczędzenie konwencjonalnych źródeł energii. Elektrownia wiatrowa może stanowić również źródło awaryjnego zasilania w przypadku awarii sieci energetycznej.

Póki co wystarczy nam wiatru, przyjrzyjmy się więc kolejnemu żywiołowi, z którego pomocy możemy skorzystać – ogniowi. Jak możemy go użyć do naszych codziennych potrzeb? Nasi przodkowie używali ognia przede wszystkim jako źródła ciepła i światła. Tak i my obecnie wykorzystamy jego moc cieplną, z tym że źródłem ognia - ciepła nie będzie drewno, węgiel itp., lecz czysta energia cieplna, którą dostarcza nam Słońce. W jaki sposób możemy wykorzystać energię słoneczną? Przede wszystkim na dwa sposoby: poprzez układy magazynujące energię cieplną (układy solarne) lub poprzez układy przekształcające energię świetlną na elektryczną (układy fotowoltaiczne). Głównym zadaniem tych pierwszych jest dostarczenie energii cieplnej do wewnętrznego układu – zasobnika ciepła, skąd może być rozprowadzane po instalacji c.o. i c.c.w. Układy solarne tworzą: kolektory płaskie lub próżniowe (o lepszej sprawności) o odpowiedniej powierzchni absorpcyjnej – umieszczane na dachu pod odpowiednim kątem, zasobniki ciepłej wody z jedną lub dwiema wężownicami, zespół pompowy i sterownik. W naszych warunkach klimatycznych układy solarne mają wykorzystanie głównie przy dogrzewaniu wody i stanowią dodatkowe źródło dostarczania ciepła. Bardzo istotnym jest, aby na etapie projektowania instalacji c.o. i c.c.w. naszego budynku przewidzieć możliwość wykorzystania instalacji solarnej. W innym przypadku odpowiednie włączenie się do instalacji (np. już istniejącej) będzie niemożliwe lub bardzo utrudnione.

Z kolei kilka zdań o układach fotowoltaicznych przetwarzających światło na energię elektryczną. W dzień moduły fotowoltaiczne zamontowane na dachu budynku produkują prąd stały o niskim napięciu. Tak wyprodukowana energia magazynowana jest w akumulatorach. Za pomocą inwertera zmagazynowana energia przetwarzana jest na prąd zmienny o napięciu ~230 V, którym zasilane są wszystkie odbiorniki domowe przyłączone do danej fazy w budynku. W momencie gdy ilość energii zgromadzonej w akumulatorach będzie zbyt mała, nastąpi automatyczne przełączenie na zasilanie z sieci energetycznej, aż do ponownego doładowania akumulatorów z ogniw fotowoltaicznych.
 

 

Jeżeli już choć trochę wykorzystaliśmy słońce, to czas na wodę. W jej przypadku przychodzą na myśl potężne elektrownie wodne (których raczej nie będziemy budować) lub te małe wykorzystywane głównie na młyny. W obu przypadkach potrzebny jest odpowiednio wartki nurt wody do poruszania turbin, które wytwarzają prąd lub bezpośrednio przenoszą moc na urządzenia mechaniczne. Niestety (a może i dobrze – ekologia) zagradzanie, spiętrzanie wód wymaga specjalnych pozwoleń, stąd budowa tego typu budowli jest mocno utrudniona.

A co z ziemią, ostatnim z opisywanych tu żywiołów? Ją również można wykorzystać jako źródło energii. Pierwsza możliwość to wykorzystanie źródeł termalnych – co z pewnością sprawdzi się przy budowie obiektów pływackich, rekreacyjnych itp., a także przy zasilaniu w energię cieplną (wymiennikownie) np. osiedli mieszkaniowych. Druga możliwość to wykorzystanie tzw. pomp ciepła. Pochodząca od słońca energia cieplna zmagazynowana w ziemi ma zbyt niską temperaturę, aby mogła być bezpośrednio używana do ogrzewania. Zadaniem pompy ciepła jest pobranie z otoczenia niskotemperaturowej energii i podwyższenie jej temperatury do poziomu umożliwiającego ogrzewanie budynków. Najczęściej jako źródło ciepła stosuje się kolektory gruntowe zwane też kolektorami ziemnymi. Rozwiązanie to posiada dobre parametry energetyczne i jednocześnie jest łatwe do wykonania. Dlatego będą miały one zastosowanie wszędzie tam, gdzie tylko pozwala na to powierzchnia działki. Kolektor gruntowy nie jest źródłem ciepła, jest tylko wymiennikiem wykonanym z rur ułożonych (zakopanych) w gruncie. W praktyce kolektor ziemny stanowią rury o odpowiedniej długości (1 mb rury to około 20 W) podzielone w pętle zakopane na głębokości 1,2 do 1,5 m i połączone ze sobą w jednym punkcie, z którego biegną dwie rury o większej średnicy do pomieszczenia, w którym pracuje pompa ciepła.

Rozwiązań technicznych związanych z pozyskiwaniem i przekształcaniem na określone potrzeby energii odnawialnej jest bardzo dużo. W artykule tym praktycznie tylko sygnalnie wskazałem możliwości, jakie mamy do wybrania. W zależności od wielkości i miejsca działki, odległości od źródeł energii (gaz, prąd elektryczny) można stosować jedno lub kilka z ww. rozwiązań.
Może się też okazać, że będą to jedyne możliwe rozwiązania.

I na koniec: ile to wszystko kosztuje? Rozpiętość cenowa oczywiście jest bardzo duża (to tak, jak przy kupnie samochodu), ale dla przykładu koszt elektrowni wiatrowej o mocy 6 kW (w tym turbina, układ sterowania i automatyka) to koszt rzędu 35 tysięcy złotych. System solarny o mocy 1,5 kW to wydatek rzędu 45 tysięcy złotych. System z ogniwami fotowoltaicznymi o mocy 0,5 kW – 10 tysięcy złotych. Układ z pompą ciepła o mocy 9 kW to wydatek rzędu 50 tysięcy złotych.
Jak widzimy technologie nie należą do tanich, a zwrot ich kosztu i oszczędności, jakie uzyskamy z ich wykorzystania, mogą nastąpić po kilku, kilkunastu latach.

Najważniejsze jednak, że mamy możliwość uniezależnienia się od dostawców energii elektrycznej, zwiększenia bezpieczeństwa energetycznego budynku, pozytywnie wpływamy na ochronę środowiska (brak wytwarzania szkodliwych gazów cieplarnianych), podnosimy również wartość nieruchomości.

Z tą ochroną środowiska to pewnie też nie do końca wszystko idealnie, bowiem wyobrażam sobie ile energii, CO2 i różnych „śmierdzących” związków potrzeba do wytworzenia elementów powyższej układanki …

Może jednak warto mimo wszystko przyjrzeć się opisywanemu zagadnieniu z większą uwagą. Pamiętajmy przy tym, że wszelkie nowinki i nowości na etapie prototypu i wprowadzania do funkcjonowania w naszym społeczeństwie budziły zdziwienie, niepokój i spore niedowierzanie. Z czasem życie w sposób naturalny weryfikowało, które z nich przyjęły się i stały się nieodzowną częścią cywilizacji, a które przykrył kurz historii i tylko najbardziej wnikliwi badacze czasów przeszłych wiedzą o ich istnieniu. Ze stuprocentową pewnością przyjąć jednak musimy, że nic w miejscu nie stoi i ten kto się nie rozwija, ten się cofa … Miejmy to na uwadze.