efekty ekologiczne zastosowania kolektorów - PTES-ISES

EFEKTY EKOLOGICZNE ZASTOSOWANIA KOLEKTORÓW
SŁONECZNYCH W DOMU JEDNORODZINNYM
K. Gaj1, A. Pakuluk1
1. Instytut Inynierii Ochrony rodowiska, Politechnika Wrocławska, Polska
STRESZCZENIE
Przedstawiono zagroenia rodowiskowe powodowane
energetycznym wykorzystywaniem paliw konwencjonalnych,
okrelono emisj zanieczyszcze powietrza w wyniku ich
spalania do celów podgrzewu wody uytkowej w domu
jednorodzinnym oraz obliczono wielko jej redukcji po
zastosowaniu
kolektorów
słonecznych.
Oszacowano
potencjalne korzyci ekologiczne zastosowania kolektorów
słonecznych w domach jednorodzinnych na terenie Polski.
WSTP
Polska ley w strefie klimatu umiarkowanego,
w której wystpuje ok. 1600 godzin słonecznych
w roku. W okresie kwiecie-wrzesie istnieje
moliwo wykorzystania 80% energii słonecznej
docieraj
cej do powierzchni Ziemi. Polskie warunki
klimatyczne uzasadniaj
wykorzystanie tej energii do
przygotowania ciepłej wody uytkowej (c.w.u.)
i technologicznej. Instalacje słoneczne stanowi mog
istotne
uzupełnienie
tradycyjnych
systemów
grzewczych (Jastrzbska, 2007).
Przedstawione w artykule zagroenia rodowiskowe, jak równie perspektywa wyczerpania si paliw
kopalnych, spowodowały, e popularyzacja i wdraanie odnawialnych ródeł energii stały si istotnym
elementem polityki energetycznej Unii Europejskiej.
Zwłaszcza w Polsce, z uwagi na bardzo niekorzystn
–
z punktu widzenia ochrony atmosfery i klimatu –
struktur zuycia pierwotnych noników energii,
wykorzystanie odnawialnych jej ródeł powinno by
jednym z priorytetów polityki pastwa.
Celem pracy była ocena korzyci ekologicznych
wynikaj
cych z zastosowania kolektorów słonecznych
w budownictwie jednorodzinnym do przygotowania
ciepłej wody uytkowej. Efekty ekologiczne, tj.
zmniejszenie
emisji
gazowych
i
pyłowych
zanieczyszcze powietrza, oceniono na podstawie
oblicze ograniczenia zuycia konwencjonalnych
noników energii, w wyniku zastosowania systemu
słonecznego.
ZAGROENIA RODOWISKOWE ZWIZANE
Z ENERGETYK KONWENCJONALN
oraz powstawanie odpadów. Z transportem paliw wi
e
si pylenie i emisja spalin oraz ryzyko katastrof
skutkuj
cych skaeniem rodowiska. Spalanie paliw
wi
e si z emisj
toksycznych i stwarzaj
cych
zagroenia dla klimatu substancji oraz ciepła
odpadowego.
Udział
szkodliwych
składników
w spalinach jest róny w zalenoci od rodzaju paliwa
i warunków prowadzenia procesu spalania. Nale
do
nich m.in.: ditlenek wgla którego nadmiar potguje
efekt cieplarniany, toksyczne tlenki siarki i azotu
powoduj
ce zakwaszanie gleby, degradacj lasów oraz
niszczenie konstrukcji stalowych i betonowych, grony
dla rodowiska ze wzgldu na duy potencjał
cieplarniany i niszczenie warstwy ozonowej podtlenek
azotu (generowany zwłaszcza w kotłach fluidalnych
oraz w wyniku spalania biomasy), silnie toksyczne
polichlorowane dioksyny i furany, metale cikie
(w tym ołów, kadm, rt) oraz kancerogenne
wielopiercieniowe
wglowodory
aromatyczne
i zwi
zki chlorowcoorganiczne.
METODYKA ANALIZY EKOLOGICZNEJ
Analiz efektów ekologicznych przeprowadzono na
podstawie wyników oblicze iloci energii uzyskanej
z kolektorów słonecznych zainstalowanych w domu
jednorodzinnym zamieszkałym przez cztery osoby.
Charakterystyk domu, wyniki oblicze zapotrzebowania na ciepł
wod uytkow
oraz parametry
dobranych kolektorów przedstawiono w poprzednim
artykule (Gaj, Pakuluk, 2010). Podstaw
oblicze iloci
zaoszczdzonego paliwa oraz zwi
zanej z tym
wielkoci redukcji emisji produktów spalania było
wyznaczone zapotrzebowanie na energi do podgrzewu
wody uytkowej. Wielko ograniczenia emisji zaley
od rodzaju zaoszczdzonego paliwa i parametrów
konwencjonalnego urz
dzenia grzewczego (tab. 1).
Do oblicze emisji zanieczyszcze powietrza
zastosowano metodyk wskanikow
(Dbski i in.,
2003), wykorzystuj
c wyniki własnych oblicze
zapotrzebowania na energi (2965 kWh·(a)-1) oraz
roczny uzysk energetyczny z dwóch dobranych dla
analizowanego domu kolektorów płaskich o ł
cznej
powierzchni 4,64 m2 (2047 kWh·(a)-1) (Gaj, Pakuluk,
2010).
Zagroenia rodowiska ze strony energetyki
konwencjonalnej
istniej
na
kadym
etapie
pozyskiwania energii, zarówno w skali globalnej, jak
i lokalnej. Wydobyciu paliw towarzysz
szkody
górnicze, degradacja i zapylenie terenów górniczych
!
Tab. 1. Kotły i paliwa uwzgldnione w analizie
2,0
1,8
Kocioł
stalowy z
paleniskiem
retortowym
o mocy 22kW
86,4
86,4
Gazowy
kocioł
grzewczy
o mocy
10-25 kW
90
90
Niskotempera
-turowy,
eliwny
kocioł
grzewczy o
mocy 22 kW
89
Wgiel
kamienny
typ 31, klasa
25/050/06
Pellet
drewniany,
granulat 820 mm
Gaz płynny
LPG –
propan
techniczny
Gaz ziemny
E
Olej
opałowy
lekki
26,0
MJ(kg)-1
kocioł
kocioł + kolektory
1,6
-1
Paliwo
Emisja NOx, kg(a)
Kocioł
Warto
opałowa
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
0,0
WĊgiel
kamienny
19,0
MJ(kg)-1
95,0
MJ(m)-3
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
Gaz LPG propan
techniczy
60
31,0
MJ(m)-3
42,7
MJ(kg)-1
Pellet
drewniany
Rys. 2. Ograniczenie emisji tlenków azotu (w
przeliczeniu na ditlenek) w wyniku zastosowania
kolektorów słonecznych do przygotowania c.w.u.
50
Emisja CO, kg(a)-1
Sprawno
cieplna, %
40
kocioł
kocioł + kolektory
30
20
10
0
OGRANICZENIE EMISJI ZANIECZYSZCZE
POWIETRZA W SKALI POJEDYNCZEGO
DOMU
Na rys. 1-9 przedstawiono roczne zmniejszenie
emisji
zanieczyszcze
powietrza
wynikaj
ce
z doposaenia instalacji do podgrzewania wody
w kolektory słoneczne.
WĊgiel
kamienny
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
Gaz LPG propan
techniczy
Rys. 3. Ograniczenie emisji tlenku wgla w wyniku
zastosowania kolektorów słonecznych do
przygotowania c.w.u.
6
9
5
Emisja CxHy, kg(a)
-1
8
7
Emisja SO2, kg(a)-1
Pellet
drewniany
kocioł
kocioł + kolektory
6
5
4
3
4
kocioł
kocioł + kolektory
3
2
1
2
0
1
WĊgiel
kamienny
0
WĊgiel
kamienny
Pellet
drewniany
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
Gaz LPG propan
techniczy
Rys. 1. Ograniczenie emisji ditlenku siarki w wyniku
zastosowania kolektorów słonecznych do
przygotowania c.w.u.
Pellet
drewniany
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
Gaz LPG propan
techniczy
Rys. 4. Ograniczenie emisji wglowodorów (poza
metanem) w wyniku zastosowania kolektorów
słonecznych do przygotowania c.w.u.
0,04
2,0
1,8
kocioł
kocioł + kolektory
1,4
-1
0,03
kocioł
kocioł + kolektory
1,2
Emisja N2O, kg(a)
Emisja pyłu, kg(a)-1
1,6
1,0
0,8
0,6
0,02
0,01
0,4
0,2
0,00
0,0
WĊgiel
kamienny
Pellet
drewniany
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
WĊgiel
kamienny
Gaz LPG propan
techniczy
Rys. 5. Ograniczenie emisji pyłu w wyniku
zastosowania kolektorów słonecznych do
przygotowania c.w.u.
Emisja CO2, kg(a)-1
-1
Gaz LPG propan
techniczy
kocioł
kocioł + kolektory
1200
1,0
Emisja CH4, kg(a)
Gaz ziemny
E
1400
1,2
kocioł
kocioł + kolektory
0,8
0,6
1000
800
600
0,4
400
0,2
200
0
0,0
WĊgiel
kamienny
Pellet
drewniany
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
Gaz LPG propan
techniczy
Rys. 6. Ograniczenie emisji metanu w wyniku
zastosowania kolektorów słonecznych do
przygotowania c.w.u.
3,5
3,0
kocioł
kocioł + kolektory
2,5
WĊgiel
kamienny
Pellet
drewniany
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
Gaz LPG propan
techniczy
Rys. 9. Ograniczenie emisji ditlenku wgla w wyniku
zastosowania kolektorów słonecznych do
przygotowania c.w.u.
Na powyszych wykresach porównano emisje
zanieczyszcze z instalacji wyposaonej tylko w kocioł
grzewczy z emisjami z systemu, w którym praca kotła
wspomagana jest energi
słoneczn
. Efekt ekologiczny
wynikaj
cy z zastosowania kolektorów słonecznych
przedstawiono w odniesieniu do wykorzystania na
potrzeby podgrzewu c.w.u. tradycyjnych paliw
konwencjonalnych stosowanych w budownictwie
jednorodzinnym. Jest on najwikszy w przypadku
wgla, który ze wzgldu na struktur cen noników
energii
przeywa
niestety
swój
renesans
w budownictwie jednorodzinnym w Polsce, zwłaszcza
na terenach wiejskich.
4,0
-1
Olej
opałowy
Rys. 8. Ograniczenie emisji podtlenku azotu w wyniku
zastosowania kolektorów słonecznych do
przygotowania c.w.u.
1,4
Emisja NM-LZO, kg(a)
Pellet
drewniany
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
WĊgiel
kamienny
Pellet
drewniany
Olej
opałowy
Gaz ziemny
E
Gaz LPG propan
techniczy
Rys. 7. Ograniczenie emisji niemetanowych lotnych
zwi
zków organicznych w wyniku zastosowania
kolektorów słonecznych do przygotowania c.w.u.
OGRANICZENIE EMISJI ZANIECZYSZCZE
POWIETRZA W SKALI POLSKI
Celem oszacowania potencjalnej redukcji emisji w
skali kraju przyjto, e połowa domów wybudowanych
w latach 1991-2010 – tj. ok. 520000 (GUS 2010) –
zostanie wyposaona w kolektory słoneczne. Do
oblicze przyjto przykładow
struktur zuycia
noników energii dla wybranej gminy wg tab. 2,
uprzednio wyznaczone wielkoci redukcji emisji dla
pojedynczego domu (w przypadku paliw) oraz
wskaniki emisji opublikowane przez elektrowni
Bełchatów z roku 2009 (tab. 3) – w przypadku energii
elektrycznej. Wyniki oblicze redukcji emisji
podstawowych zanieczyszcze w zalenoci od
zastpowanego kolektorami słonecznymi nonika
energii (z uwzgldnieniem struktury zuycia noników
energii) zestawiono w tabeli 4 a ł
czne zmniejszenie
emisji SO2, NOx i pyłu – na rys. 10.
Tab. 2. Struktura zuycia noników energii
(Wicka i in. 2010)
Nonik energii
Udział, %
Wgiel
30,41
Drewno
0,24
Olej opałowy
2,19
Gaz ziemny
33,58
Gaz LPG
0,49
Energia elektryczna
33,09
Tab. 3. Wskaniki emisji – Elektrownia Bełchatów
(http://www.elbelchatow.bot.pl, 12.12.2009)
Substancja
Wskanik emisji,
kg(MWh)-1
Ditlenek siarki
1,85
Tlenki azotu (jako ditlenek)
1,57
Pył
0,07
Ditlenek wgla
1076
Tab. 4. Potencjalna redukcja emisji w Polsce w wyniku
doposaenia konwencjonalnych systemów grzewczych
w kolektory słoneczne do podgrzewu c.w.u., Mg(a)-1
Substancja
Nonik
energii
Wgiel
Drewno
Olej opałowy
Gaz ziemny
Gaz LPG
Energia elektr.
SO2
Pył
876,76
0,12
7,07
1,43
0,02
651,61
215,82
0,75
0,28
0,71
0,01
24,66
NOx
(jako NO2)
209,07
1,17
8,96
85,79
1,25
552,99
CO2
128142
1139
7167
78644
1335
378992
1600
1400
1200
Mg(a)
-1
1000
800
600
400
W przypadku ditlenku wgla potencjalna całkowita
redukcja emisji w skali kraju wynosi prawie 600 000
Mg rocznie.
PODSUMOWANIE
W warunkach polskich z zastosowaniem
kolektorów słonecznych w instalacji przygotowuj
cej
c.w.u. wi
e si zmniejszenie iloci spalanego paliwa,
czyli redukcja emisji zanieczyszcze do atmosfery.
Efekt ekologiczny zaley od rodzaju paliwa, które
zostało zast
pione energi
z promieniowania
słonecznego i jest proporcjonalny do iloci uzyskanej
energii. Najwiksza redukcja emisji towarzyszy
wyposaeniu w kolektory słoneczne systemu opartego
na kotle grzewczym na paliwo wglowe (w przypadku
pojedynczego domu jednorodzinnego zmniejszenie
emisji CO2 wynosi ok. 1 tony rocznie).
W rzeczywistoci zyski ekologiczne bd
wiksze,
gdy do oblicze przyjto minimalny, gwarantowany
przez producenta, uzysk energii z 1 m2 kolektora
słonecznego oraz nominalne sprawnoci cieplne
kotłów, które czsto nie s
osi
gane w warunkach
zmniejszonego obci
enia poza sezonem grzewczym.
Wykazany w niniejszej pracy efekt ekologiczny
w przypadku pojedynczego domu moe wydawa si
znikomy. W skali kraju s
to jednak potencjalnie
znacz
ce
wielkoci
redukcji
zanieczyszcze
emitowanych do atmosfery (tab. 4).
Zastosowanie kolektorów słonecznych w nowo
budowanych oraz istniej
cych małych obiektach
mieszkalnych odpowiada zasadzie zrównowaonego
rozwoju i jest zgodne z przyszłociow
koncepcj
energetyki rozproszonej. Dodatkowym argumentem za
inwestowaniem w systemy słoneczne na osiedlach
domów jednorodzinnych powstaj
cych na obrzeach
miast i na terenach wiejskich (oprócz korzyci
ekonomicznych i ekologicznych), jest czsto brak lub
nieopłacalno budowy sieci ciepłowniczej czy te
gazowej na tych terenach.
Doposaenie konwencjonalnych instalacji grzewczych w budownictwie jednorodzinnym w systemy
słoneczne dobrze wpisuje si w działania maj
ce na
celu zwikszenie udziału odnawialnych ródeł energii
w bilansie paliwowo-energetycznym kraju do 14 %
w roku 2020 (Ministerstwo rodowiska, 2008).
Obecny ich udział wynosi ok. 7 %, w czym energia
słoneczna stanowi jedynie ok. 0,24 %. Dla osi
gnicia
tego celu niezbdna jest intensyfikacja promocji
energetyki słonecznej oraz wprowadzanie przez organy
pastwowe
i
samorz
dowe
dalszych
zacht
finansowych i organizacyjnych w tym zakresie.
200
0
Ditlenek siarki
Tlenki azotu
(przeliczone na NO2)
Pył
Rys. 10. Potencjalna redukcja emisji głównych
zanieczyszcze powietrza w Polsce w wyniku
zastosowania kolektorów słonecznych w domach
jednorodzinnych do podgrzewania c.w.u.
LITERATURA CYTOWANA
Dbski B., Olendrzyski K., Skokiewicz J., Rosicki
M., Pazdan R., 2003, Wskazówki dla wojewódzkich inwentaryzacji emisji na potrzeby ocen
biecych i programów ochrony powietrza,
Ministerstwo rodowiska, Główny Inspektorat
Ochrony rodowiska, Warszawa.
Budownictwo mieszkaniowe 1991-2010, 2010, GUS,
Warszawa
Gaj K., Pakuluk A., 2010, Efekty ekonomiczne
zastosowania kolektorów słonecznych w domu
jednorodzinnym, PES, Nr 2,3,4 - artykuł przyjty
do druku
Jastrzbska G., 2007, Odnawialne ródła energii i
pojazdy proekologiczne, Wydawnictwa NaukowoTechniczne, Warszawa
Polityka ekologiczna pastwa w latach 2009-2012 z
perspektyw
do roku 2016, 2008, Ministerstwo
rodowiska, Warszawa, p. 42
Ruch budowlany w 2009 r., 2010, Główny Urz
d
Nadzoru Budowlanego, Warszawa.
Wicka A., Winiewski G., Kwasieborski M., 2010,
Grupowa budowa kolektorów słonecznych to
szansa na wiksz dotacj, Czysta Energia, Wyd.
ABRYS, Nr 10 (110)
"