W klimacie północnej Europy (czy jakiegokolwiek regionu, gdzie ogrzewanie w zimie jest konieczne do przeżycia) istotną pozycją w bilansie energetycznym jest właśnie to ogrzewanie. Historycznie patrząc to wprowadzenie paliw kopalnych do ogrzewania spowodowało początek rewolucji przemysłowej, zwiększenie zaludnienia (ponieważ tereny lasów dostarczających opału mogły zostać przeznaczone na produkcję żywności) a następnie dalsze zastosowania już łatwo dostępnych (dzięki szerokiemu rynkowi węgla jako surowca grzewczego) paliw do procesów przemysłowych i napędu maszyn. Teraz, jeśli mówimy o prawdziwej Rewolucji Energetycznej czas zrezygnować z paliw kopalnych przy ogrzewaniu, nie wracając oczywiście do masowego spalania lasów. Jak to zrobić? Cóż, nie będzie to tak tanie jak przebudowa miejskiego transportu publicznego, ale zupełnie możliwe.
Rozpocznę od drobnego apelu: sieci ciepłownicze to najlepsze narzędzie dla nowoczesności w ogrzewaniu i należy te konstrukcje szanować i rozbudowywać, ponieważ są inwestycyjne skomplikowane (jak każda infrastruktura), a tam gdzie istnieją, pozwolą dość łatwo i tanio pożegnać paliwa kopalne (OK, łatwo w porównaniu do alternatyw).
Zaczynając od fundamentów.
Komfortowa temperatura dla człowieka to okolice 20-25 st. C, powiedział mi to Kapitan Oczywisty
Nawet w Buenos Aires tyle jest zaledwie jakieś 8 miesięcy w roku. Przez miesiąc z hakiem jest cieplej i nie jest to zbyt przyjemne, a przez pozostały czas zimniej i trzeba ogrzewać. Lub nie, zależnie od budynku. Przy wystarczającej akumulacyjności cieplnej ogrzewanie jest zbędne.
W Polsce i zbliżonym klimacie sytuacja jest bardziej skomplikowana. Olbrzymia większość osób jest przyzwyczajona do konieczności ogrzewania w zimie i nie bardzo potrafi sobie wyobrazić inne rozwiązanie.
I słusznie, ponieważ innego sensownego rozwiązania nie ma
Ale powtórzę to zdanie: nie ma innego sensownego rozwiązania, a nie nie ma żadnego innego rozwiązania. Przy dzisiejszej technologii i możliwościach projektowych zbudowanie domu nie wymagającego żadnego ogrzewania jest rzeczą absolutnie możliwą. Nie będzie używał żadnego ogrzewania, więc i paliw kopalnych – oczywiste.
Ale z takim rozwiązaniem jest jeden zasadniczy problem. Nawet nie koszt budynków pasywnych, tylko fakt, że domów i mieszkań nie buduje się od nowa co 10 lat, tylko co kilkadziesiąt, a czasem można przyjąć 100. Jako rozsądny kompromis bym przyjął wymianę 2% substancji budowlanej co roku. Prawdopodobnie jest to nieco zawyżone, ale bierze pod uwagę migracje i budowę zupełnie nowych domów w nielicznych rosnących demograficznie regionach. To oznacza, że nawet rozpoczynając od dziś budowę wyłącznie budynków pasywnych, kompletna, czy prawie kompletna redukcja potrzeb grzewczych zajmie 50 lat. Co najmniej marginalizacja ich do poziomu, na którym niewielka ilość paliw odnawialnych (w skrócie drewna) wystarczy na całość pozostałych potrzeb grzewczych.
Ale po pierwsze są rozpoczęte inwestycje, budynku zwykle się nie buduje w tydzień, po drugie, budownictwo to ogromny przemysł i przestawienie go na nowy styl budowy musi trwać. Nowe projekty, nowe obliczenia, więcej materiałów izolacyjnych, przestarzałość niektórych rozwiązań, itp. Zupełnie wyjątkowo w miarę się zgodzę z obecnymi polskimi rozwiązaniami promującymi budowę budynków zbliżonych do pasywnych i wymagającymi tego od 2020 r. (choć to chyba regulacje UE, obojętnie- bardzo rozsądne).
To w praktyce daje około 60 lat na doprowadzenie do wysokich dzisiejszych standardów efektywności energetycznej. Z grubsza rzecz biorąc oznacza to, że jakiś system grzewczy musi być do dyspozycji przez około 3 – 4 miesiące w roku. To przynajmniej wnioskuję z lektury forów, gdzie udzielali się posiadacze naprawdę dobrze wykonanych domów. Jakieś ogrzewanie nieco zaczynali włączać zwykle w listopadzie, czasem na początku, czasem pod koniec i używali do lutego, max marca. Absolutnie nie grzejąc cały czas. Po prostu w tych miesiącach się zdarzają potrzeby grzewcze w dobrym domu w Polsce. I tak raczej zostanie w przewidywalnej przyszłości. Z właśnie takiego szacunku ustaliłem w hipotetycznym nowym modelu polskiej energetyki (we wpisie tu), że w okresie zimowym będą pracować elektrociepłownie. Te które obecnie są, w miarę możliwości i potrzeb zmodernizowane, opalane węglem drzewnym. Dokładnie węglem drzewnym, a nie drewnem, dlaczego – przyjdzie czas potem wyjaśnić. A może tylko w książce. Tak czy inaczej obecnie istniejące elektrociepłownie są dobrym i wydajnym rozwiązaniem. Oczywiście dla tejże wydajności potrzebują sieci ciepłowniczej, stąd mój pierwszy apel. Jest to bardzo droga część infrastruktury, od której krytycznie zależy łatwość rezygnacji z paliw kopalnych.
Po oszczędnościach i kogeneracji następną możliwością zapewnienia ciepła w zimie jest jego przechowywanie. W Buenos Aires jest to dość łatwe, w praktyce wystarczy mur, który nie ostygnie za bardzo przez 2 tygodnie, bo po takim czasie zmieni się front i temperatura zmieni się 15 stopni, a nigdy nie spada poniżej zera. W Polsce takiego komfortu nie ma.
W przypadku Polski mówimy o konieczności składowania energii cieplnej na czas rzędu miesięcy.
Czy to możliwe? Taaak, ale trudne i drogie.
Są dwa modele. Pierwszy z nich, właściwy dla większych miejscowości, musi zostać oparty o sieć ciepłowniczą i centralną dystrybucję ciepła. Na szczęście jest to w Polsce stosownie rozwinięte. Pewną innowacją, już dość powszechną w elektrociepłowniach są tzw. akumulatory ciepła. Są to po prostu zbiorniki z wodą, gdzie wlewa się gorącą w trakcie pracy elektrociepłowni i pobiera ją w trakcie zasilania sieci ciepłowniczej. Tak w mocnym uproszczeniu, bo instalacja pracuje pod ciśnieniem i taki zbiornik jest cały czas pełen, tylko woda jest rozdzielona warstwami, itp, itd.
W pojedynczych budynkach taki akumulator także się znakomicie sprawdza razem z kotłem na paliwo stałe, prądem pobieranym w drugiej taryfie oraz wspomaganiem solarami. Jeśli ktoś myśli o usprawnieniu ogrzewania w swoim domu ogrzewanym paliwem stałym czy prądem, lub jak najlepszym wykorzystaniem energii słonecznej – serdecznie polecam dokładne przeczytanie tego wątku.
Ale temat jest o jak najlepszym odejściu od paliw kopalnych, a nie sprawnym paleniu węglem. Bo drewna dla wszystkich w Polsce nie wystarczy, niezależnie od znakomitej pracy jaką długoterminowo wykonują Lasy Państwowe.
Stąd dla oszczędzania i wykorzystywania energii odnawialnej nie ma alternatywy. Wracając do moich poprzednich rozważań o energetyce można zauważyć, ze elektrownie cieplne winny być ograniczone w pracy zasadniczo wyłącznie do sezonu grzewczego. To daje pewną dość dobrą synergię. Centralny akumulator ciepła dla sieci ciepłowniczej i elektrociepłownia pracująca przez sezon grzewczy – czyli z pełną sprawnością. Brakuje rozwiązania kwestii ciepłej wody poza sezonem grzewczym? Nie brakuje. Solarne grzanie wody jest znane od dziesięcioleci i zupełnie dobrze dopracowane. W polskim klimacie tak naprawdę niezbyt tanie, ale jeśli alternatywą dla kraju ma być nowy kontrakt z Gazpromem… W takim razie oczywiście należy wykorzystać jak najwięcej z tego słońca.
I to ostatnie zdanie jest, wbrew banalnemu brzmieniu, dość rewolucyjne. Najprostsza sprawa – mamy dla sieci ciepłowniczej akumulator ciepła wystarczająco duży, aby przez lato zawsze zapewnił ciepłą wodę, niezależnie od kilkudniowej pogody. Znacznie łatwiej coś takiego stworzyć dla sieci – tym razem nawet nie fizyka, a najprostsza matematyka się kłania.
Otóż mając zbiornik z wodą, powiększamy go. Zachowując te same proporcje wymiarów i ten sam kształt objętość rośnie z trzecią potęgą wysokości,a powierzchnia z drugą. Dla mniej matematycznych (jakbym ja był bardziej, heheh) oznacza to, że powiększając zbiornik zwiększamy proporcje objętości do powierzchni, co zmniejsza szybkość utraty ciepła. Jeszcze nie mówiąc o żadnej izolacji. Przy takich rozwiązaniach im większe tym lepsze, ale oczywiście są granice, które określa wysokość i rosnąca wraz z nią siła parcia i wobec tego konieczne zwiększenie wytrzymałości zbiornika i rosnące koszty, które w którymś momencie przeważą korzyści.
Dla dość ekstremalnego przykładu
Tego rodzaju akumulator ciepła, gdyby miał powstać jeden dla potrzeb aglomeracji warszawskiej (co samo jest raczej przesadą). Założyłem, dla okrągłych rachunków, 2 mln mieszkańców, na każdego z których przypada średnio 25 m2 powierzchni ogrzewanej. To daje 50 mln metrów kwadratowych ogrzewanej powierzchni. Ta liczba nie jest oczywiście prawdziwa, ale jest gdzieś w pobliżu. Raczej chodzi o pokazanie rzędu wielkości. Następnym założeniem jest średnie zapotrzebowanie na ciepło tych budynków w wysokości 15 kwh/m2 rocznie, generalnie skumulowanych w ciągu 3 miesięcy. To jest dzisiejszy standard domów pasywnych i okolica tego będzie obowiązywała jako norma od 2020 r. Założyłem bufor dla 1/3 tych potrzeb grzewczych, czyli 250 mln kWh (poprawnie używając jednostek: 250 GWh)
I tak musi być gigantyczny
A dokładniej: Przy założeniu zmiany temperatury wody 70 st. C przy odbiorze ciepła w tysiącu litrów wody (czyli 1 m3) można zmagazynować 81,7 kWh energii cieplnej. 70 stopni w domu oznacza pomiędzy 20 a 90 stopniu. W wypadku takiego bufora raczej pomiędzy 70 a 140 st., ponieważ ta instalacja pracuje pod ciśnieniem.
Daje to przepięknie brzmiące 3,056 mld m3. Brzmi przerażająco. W rzeczywistości nie jest takie straszne. Mówimy o zbiorniku w kształcie pionowego walca (mam nadzieję, że to oczywiste) o wysokości 50 m i średnicy 279 m. Dość potężna konstrukcja, ale jeszcze mieszcząca się w granicach inżynierskiego rozsądku, a podejrzewam, że nawet ekonomii.
Ekonomii — oczywiście jeśli odpowiednio wycenić wartość samego odchodzenia od spalania. Zbiornik tej wielkości zamknięty byłoby śmiesznie łatwo i tanio (w porównaniu do kosztów samej konstrukcji) zaizolować wystarczająco, aby ciepło można było przechowywać miesiącami, a może wręcz latami.
Tak — miesiącami. Oznacza to, że śmiało można go grzać w lecie, za pomocą energii słonecznej i nie martwić się utratą ciepła. Założyłem pokrycie 1/3 potrzeb grzewczych, ponieważ ze schematu energetyki wyszły okresowe, trudne do zagospodarowania nadwyżki elektryczności produkowanej z wiatru, oraz bardzo trudna do zastąpienia resztka energetyki cieplnej, która z jest dość blisko skorelowana z potrzebami grzewczymi, zarówno w czasie jak też miejscu produkcji. Stąd przypuszczam, że jeden taki baniaczek by załatwił sprawę, ale jeśli by była możliwa całkowita rezygnacja ze spalania jako metody produkcji energii, to warto by było zrezygnować również ze spalania w ogrzewaniu. Potrzebne by były 3 pojemniczki dla całej aglomeracji warszawskiej. Razem z przebudową, odbudową lub bardzo głęboką termomodernizacją całej substancji mieszkaniowej i biurowej.
Dla sceptyków. To również nie są żadne gdybania i poszukiwania wydumanych dziwnych technologii. Akumulatory ciepła przy elektrociepłowniach istnieją i mają się dobrze. Są relatywnie małe i służą raczej do bilansowania szczytów, ale w Danii, która jest liderem w tej zabawie, skala jest znacznie poważniejsza. Tam, na razie w mniejszych ośrodkach, trwa przebudowa w taką stroną. Na razie są to akumulatory podgrzewane słońcem kiedy się da i przy okazji produkcji elektryczności w zimie. Ale nowe instalacje są coraz większe, aby sezon bez spalania coraz bardziej wydłużać. Odbiór chwilowych nadmiarów prądu z sieci to standardowe zadanie takich zbiorników. A w duńskich warunkach nadmiary prądu z wiatru są dość dobrze skorelowane z potrzebami grzewczymi. Jak w sumie wszędzie, ale tam produkcja potrafi przekraczać krajowe zapotrzebowanie, nawet z tym dodatkowym odbiorem grzewczym.
Za to jak z powyższego wynika – początek, czyli oszczędności, termomodernizacja i używanie odnawialnych paliw stałych to coś, co można zrobić indywidualnie. Dla pełnej rezygnacji ze spalania dla potrzeb ogrzewania w polskim klimacie niezbędna jest sieć ciepłownicza. A to jest droga infrastruktura. Stąd początkowy apel o szacunek dla takich instalacji.
Ale całkiem przyjemne jest to, że przy dzisiejszej technologii łatwo jest zrobić małą sieć ciepłowniczą, nawet na skalę wioski, co także jest praktykowane w Danii, razem z produkcją prądu, czasem przy lokalnej biogazowni, czasem przy produkującej biogaz oczyszczalni ścieków.
Oczywiście dla zapotrzebowania mniejszego niż ten dość bizantyjski przykład 2-milionowego miasta tego typu akumulatory ciepła są znacznie mniejsze. Przy tych samych założeniach dla 20 tys mieszkańców jest to 30 tys m3, czyli zbiornik o wysokości 25 m i średnicy 39 m. To wygląda już prawie jak normalna konstrukcja, choć nadal by to była najprawdopodobniej największa konstrukcja w mieście.
Nadal trzymając się tych samych założeń, konstrukcja dla 200 mieszkańców, co oczywiście w praktyce oznacza małe osiedle bloków lub duże domów. Tu wychodzi 300 m3. Teoretycznie, ponieważ przy tej wielkości straty są w oczywisty sposób większe niż niż przy wspomnianych wyżej bizantyjskich konstrukcjach. Wyjdzie przykładowo 6 m średnicy i 10 wysokości. To już jest wystarczająco mała konstrukcja aby nie straszyła całego miasta i mogła się wtopić w otoczenie, a jednocześnie mająca jeszcze na tyle mała powierzchnię w stosunku do pojemności, że łatwa do ocieplenia i trzymająca ciepło wystarczająco długo. W szczególności dla poboru ciepłej wody użytkowej przetrzyma kilka chłodniejszych i pochmurnych dni, co właściwie gwarantuje, nawet w polskim klimacie ciepłą wodę wyłącznie ze słońca i tak samo ogrzewania w marcu – kwietniu, kiedy jeszcze bywa potrzebne, a słońca jest już wystarczająco dużo. To przy okazji jest wystarczająco duża instalacja, aby kupować prąd na giełdzie, a konkretnie to kupować go tylko wtedy gdy jest bardzo tani – czyli solidna nadprodukcja z wiatru lub słońca. I jak najbardziej tylko podgrzewać wodę. Zwykłą prymitywną grzałką, lub pompą ciepła, jeśli jest obok dostępne odpowiednie dolne źródło ciepła (w praktyce rzeka lub morze, dla małych instalacji jezioro). Dokładnie tak działają i wyglądają nowe instalacje tego typu w Danii. Sprawdza się znakomicie:
1. Nie ma dymu i smrodu złego spalania byle czego.
2. Nie ma zużycia paliw kopalnych.
3. W samej produkcji ciepło jest śmiesznie tanie.
4. Pozwala bilansować sieć energetyczną i odbierać szczyty produkcji z OZE.
5. Aby nie było tak różowo- jest drogą inwestycją.
A podsumowując- tak jak w dziedzinie miejskiego transportu pasażerskiego kopalnią dobrych wzorów jest Ameryka Południowa, tak w dziedzinie systemowego rozwiązywania problemu ogrzewania- Dania. Po prostu nie ma co wyważać otwartych drzwi, dobre rozwiązania należy kupować lub kopiować. A w tejże Danii od zeszłego roku np. istnieje ZAKAZ montowania w nowych budynkach pieców gazowych lub olejowych, za dwa lata taki zakaz ma obowiązywać też przy remontach. I to również jest bardzo dobre rozwiązanie. A tu można w wywiadzie przeczytać o kolejnej nowej instalacji tego typu. Niektóre są nawet lepsze, bo produkujące także prąd w cyklu Kaliny, i jest to przy okazji kolejny typ konstrukcji nocnej elektrowni słonecznej.
Źródło: Rewolucja energetyczna
