biuletyn wdrożeń - Czystsza Produkcja GIG Katowice

BIULETYN WDROĩEē
Egzemplarz bezpłatny
1/2012 (34)
&=<676=(-352'8.&-,
0RWWR=LHPLQLHRG]LHG]LF]\OLĤP\SRQDV]\FKSU]RGNDFK=LHPLĐZ\SRİ\F]\OLĤP\RGQDV]\FKZQXNyZ
Odnawialne Ĩródła energii - jak wykorzystaü wiatr?
SPIS TREĝCI
1. Odnawialne Ĩródła energii - jak
wykorzystaü wiatr?
2. Termomodernizacja budynków szkolnych
w Siemianowicach ĝląskich oraz w gminie
Psary
Wprowadzenie
Wiatr,
poza
drewnem,
był
najwczeĞniej
wykorzystywanym przez człowieka odnawialnym
Ĩródłem energii. Najstarsze informacje o urządzeniach
korzystających z energii wiatru pochodzą juĪ z 1750 r.
p.n.e. i opisują wiatraki słuĪące do pompowania wody na potrzeby nawadniania. Wiatr stanowi
niewyczerpalne, odnawialne Ĩródło energii, przez co jego wykorzystanie pozwala na ograniczenie
zuĪywania zasobów paliw kopalnych. Technologia wykorzystania wiatru pozbawiona jest ryzyka
zastosowania (np. awaria reaktora, z jakim związana jest energetyka atomowa), a takĪe wywiera jeden
z najmniejszych wpływów na Ğrodowisko spoĞród znanych aktualnie technologii energetycznych.
KorzyĞcią ekologiczną wyprodukowania 1 kWh energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej w stosunku
do jej wyprodukowania w elektrowni wĊglowej jest unikniĊcie emisji do Ğrodowiska nastĊpujących
zanieczyszczeĔ: 5,5 g SO2, 4,2 g NOX, 700 g CO2, 49 g pyłów oraz popiołu. Ostatnie 30 lat to okres
dynamicznego rozwoju energetyki wiatrowej, wywołany problemami energetycznymi Ğwiata (głównie
kurczącymi siĊ zasobami ropy naftowej) i nasilającym siĊ efektem cieplarnianym.
1. Charakterystyka energii wiatru
Energia wiatru jest energią pochodzenia słonecznego. Wiatr to ruch powietrza spowodowany róĪnicą
gĊstoĞci ogrzanych mas powietrza i ich przemieszczaniem siĊ ku górze. Wytworzone podciĞnienie
powoduje zasysanie zimnych mas powietrza. Około 1÷2% energii promieniowania słonecznego
docierającego do powierzchni Ziemi przekształca siĊ w energiĊ kinetyczną wiatru, co odpowiada mocy
ok. 2 700 TW. MoĪliwoĞci techniczne zagospodarowania tej energii są jednak ograniczone. Wiatry
wiejące nad powierzchnią lądów, w miejscach odpowiednich do zainstalowania siłowni wiatrowych,
z uwzglĊdnieniem strat mają potencjał energetyczny o mocy 40 TW, co stanowi jednak 10-krotnoĞü
potencjału Ğródlądowej energii wodnej. Natomiast moĪliwoĞci energetycznego wykorzystania wiatrów
wiejących nad otwartym morzem szacuje siĊ na poziomie 20 TW, co wynika z ograniczeĔ technicznych
związanych z lokalizacją elektrowni wiatrowych na dnie morskim.
2. Stan aktualny energetyki wiatrowej w Polsce
Polska leĪy w strefie o przeciĊtnych warunkach wietrznoĞci, z
prĊdkoĞciami wiatru na poziomie 3,5÷4,5 m/s. Jednak ze wzglĊdu
na moĪliwoĞü wykorzystania energii wiatru (prĊdkoĞci powyĪej
4 m/s) korzystne warunki ma aĪ 2/3 terytorium Polski. Najlepsze
warunki wietrznoĞci wystĊpują na wybrzeĪu Bałtyku i
SuwalszczyĨnie. WzglĊdnie dobre warunki panują w
Wielkopolsce i na Mazowszu. Według stanu na połowĊ roku
2011, moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce
wynosiła 1489 MW i pochodziła z 484 koncesjonowanych Ĩródeł
energii wiatrowej. Nasycenie elektrowniami wiatrowymi w Polsce
naleĪy do najniĪszych w Europie. Moc zainstalowana w
energetyce wiatrowej na mieszkaĔca w połowie 2011 r. wynosiła
0,012 kW, a na 1 km2 obszaru lądowego przypadało 1,44 kW.
GŁÓWNY INSTYTUT GÓRNICTWA Zakład OszczĊdnoĞci Energii i Ochrony Powietrza
Krajowe Centrum WdroĪeĔ Czystszej Produkcji
Plac Gwarków 1, 40-166 Katowice
tel.: 32 259 21 38 e-mail: [email protected] http://cp.gig.katowice.pl
Opracowanie biuletynu: Piotr Krawczyk, Lech Malara
Redakcja i skład: Jacek Boba
Biuletyn dofinansowano ze Ğrodków Narodowego Funduszu Ochrony ĝrodowiska i Gospodarki Wodnej
1,20%
Produkcja energii z wiatru
1400
1,00%
Udział generacji wiatrowej w
krajowym zuĪyciu
1200
0,80%
1000
0,60%
800
600
0,40%
400
0,20%
200
0
0,00%
2004
2005
2006
2007
2008
2009
2010
Udział generacji wiatrowej w krajowym
zuĪyciu energii elektrycznej [%]
Produkcja energii z wiatru [GWh]
1600
Produkcja energii z wiatru w Polsce
systematycznie roĞnie. W roku 2010
elektrownie wiatrowe wyprodukowały
1 484 929 MWh energii elektrycznej,
wobec 135 292 MWh w roku 2005
(ponad 10-krotny wzrost!). ZwiĊksza
siĊ równieĪ udział generacji wiatrowej
w
krajowym
zuĪyciu
energii
elektrycznej. Liczba wydanych do tej
pory promes koncesji na produkcjĊ
energii elektrycznej w elektrowniach
wiatrowych wskazuje, Īe w Polsce moc
zainstalowana takich elektrowni bĊdzie
w kolejnych latach dynamicznie
wzrastaü.
3. Zasady działania elektrowni wiatrowej
Energia elektryczna w elektrowni wiatrowej
wytwarzana jest wówczas, gdy wieje wiatr
z prĊdkoĞcią wyĪszą od tzw. prĊdkoĞci
startowej, poniĪej której turbina nie jest w
stanie pracowaü. Obecnie produkowane są
turbiny wiatrowe z prĊdkoĞciami startowymi
w przedziale 2÷5 m/s. Producenci turbin
oferują urządzenia, które są zoptymalizowane
do pracy przy znamionowej prĊdkoĞci wiatru
od 11 do 17 m/s (prĊdkoĞü, przy której
elektrownia pracuje z mocą nominalną).
SprawnoĞü przetwarzania energii wiatru na
energiĊ elektryczną jest iloczynem sprawnoĞci
turbiny wiatrowej oraz połączonej z nią
prądnicy i wynosi ok. 60%.
Typowa elektrownia wiatrowa to rurowa wieĪa, na której osadzona jest głowica. Z głowicy wystaje
poziomy wał, na którym zamontowany jest zazwyczaj trójłopatowy wirnik. Wirnik ten, wprawiany w
ruch przez wiatr, napĊdza bezpoĞrednio lub poprzez przekładniĊ zĊbatą generator energii elektrycznej.
Kilka, kilkanaĞcie lub kilkadziesiąt takich maszyn połączonych razem nazywa siĊ farmą wiatrową.
4. MoĪliwoĞci zastosowania energetyki wiatrowej na potrzeby budynków mieszkalnych
Mikroelektrownie wiatrowe (o mocy poniĪej 100 W) oraz małe elektrownie wiatrowe (od 100 W do
50 kW) coraz czĊĞciej znajdują zastosowanie jako dodatkowe Ĩródło energii elektrycznej w budynkach
mieszkalnych. Mikro- i małe elektrownie wiatrowe z reguły produkują prąd na potrzeby sieci wydzielonej
lub odbiorników wydzielonych, a wiĊc pracujących poza centralną siecią elektroenergetyczną.
Zastosowane w nich generatory synchroniczne samowzbudne są jednak droĪsze i bardziej zawodne od
generatorów asynchronicznych pracujących na potrzeby sprzedaĪy do sieci centralnej.
Turbiny wiatrowe działają z wiĊkszą sprawnoĞcią, gdy strumieĔ wiatru jest niezaburzony. Dlatego
umieszcza siĊ je zwykle obok budynku na masztach (słupach) posadowionych w gruncie na fundamencie
lub utrzymywanych odciągami. Małe wiatraki moĪna teĪ instalowaü na dachu budynku, jednak w tym
przypadku warunkiem zainstalowania wiatraka jest odpowiednia konstrukcja dachu, która wytrzyma takie
obciąĪenie.
Materiały Ĩródłowe:
Bogacki M., Osicki A., Pasierb S., Wojtulewicz J.: Poradnik. Odnawialne Ĩródła energii. Efektywne wykorzystanie w
budynkach. Finansowanie przedsiĊwziĊü. Fundacja na rzecz Efektywnego Wykorzystania Energii. 2010.
Krawiec F.: Odnawialne Ĩródła energii w Ğwietle globalnego kryzysu energetycznego. Diffin. Warszawa 2010.
Lewandowski W.M.: Proekologiczne odnawialne Ĩródła energii. Wydawnictwo Naukowo – Techniczne. Warszawa 2007.
http://www.energiazwiatru.com.pl/, http://www.psew.pl, http://www.ure.gov.pl
2
Termomodernizacja budynków szkolnych w Siemianowicach ĝląskich oraz w gminie Psary
Wprowadzenie
W latach 2001 – 2008 w Siemianowicach ĝląskich oraz w gminie Psary zrealizowano szereg inwestycji
dotyczących kompleksowej termomodernizacji obiektów szkolnych. Podstawą do przeprowadzenia
inwestycji były audyty energetyczne wykonane przez Główny Instytut Górnictwa w Katowicach. W
oparciu o wyniki audytów opracowano projekty technologiczno - wykonawcze dotyczące wspomnianych
inwestycji.
Przyczyną podjĊcia działaĔ inwestycyjnych były stwierdzone wysokie straty ciepła spowodowane
brakiem izolacji termicznej Ğcian zewnĊtrznych oraz Ğcian piwnic ogrzewanych, stropodachów
budynków, złym stanem technicznym okien drewnianych i metalowych podwójnie szklonych, drzwi
wejĞciowych do budynków, małą sprawnoĞcią istniejących wĊzłów cieplnych oraz istniejącej instalacji
centralnego ogrzewania w obiektach.
Celem planowanych inwestycji było ograniczenie strat ciepła przez wykonanie kompleksowej
termomodernizacji budynków szkół obejmującej ocieplenie Ğcian zewnĊtrznych obiektów, Ğcian
zewnĊtrznych piwnic, stropodachów wentylowanych nad budynkami, wymianĊ starych okien w ramach
drewnianych, wymianĊ okien w ramach metalowych, eliminacjĊ przegród z luksferów, zmniejszenie
powierzchni okiennej, wymianĊ drzwi wejĞciowych do budynków oraz wykonanie modernizacji Ĩródeł
ciepła i usprawnieĔ wewnĊtrznych instalacji grzewczych zasilanych z kotłowni gazowych lub wĊzłów
cieplnych znajdujących siĊ w pomieszczeniach piwnicznych budynków szkolnych. Dalszym celem
inwestycji było zmniejszenie zapotrzebowania budynków szkół na energiĊ cieplną, a w konsekwencji
zredukowanie emisji zanieczyszczeĔ pyłowo-gazowych do powietrza w sezonie grzewczym.
Opracowania wykonane przez Główny Instytut Górnictwa obejmowały inwentaryzacjĊ stanu przegród
budowlanych budynków w celu sporządzenia bilansu cieplnego oraz obliczenia zapotrzebowania na
ciepło i moc potrzebną do wytworzenia tego ciepła. W pracach przedstawiono optymalne przedsiĊwziĊcia
termomodernizacyjne mające na celu ograniczenie potrzeb cieplnych obiektów szkolnych. Opracowania
zawierały analizy ekonomiczne, w tym: kosztów ogrzewania, wielkoĞci nakładów inwestycyjnych na
prace termomodernizacyjne oraz propozycje ich finansowania.
Stan techniczny obiektów przed modernizacją i po termomodernizacji
Kubatura budynków zawierała siĊ w granicach 6,5 tys. ÷ 16,0 tys. m3. Technologia budynków: tradycyjna
- murowane z cegły pełnej i kamienia łamanego lub wykonane z prefabrykowanych elementów
Īelbetowych. Budynki mają 2 lub 3 kondygnacje oraz są podpiwniczone.
Stan techniczny obiektów przed termomodernizacją nie był zadowalający ze wzglĊdu na wysokie
współczynniki przenikania ciepła „U” (wyraĪone w W/m2·K) w przegrodach zewnĊtrznych, wynoszące
przeciĊtnie: dachy (U = 1,5 ÷ 2,7), stropodachy (U = 1,1 ÷ 2,3), Ğciany zewnĊtrzne budynków (U = 1,0 ÷
1,8), okna zewnĊtrzne (U = 3,2 ÷ 5,6), drzwi zewnĊtrzne (U = 2,5 ÷ 5,6). Okna w Ğcianach zewnĊtrznych
budynków były podwójnie szklone w ramach drewnianych lub pojedynczo szklone w ramach stalowych.
WystĊpowały teĪ okna drewniane typu skrzynkowego podwójnie szklone. Stan okien oceniono jako zły okna były nieszczelne. Drzwi wejĞciowe główne do budynków były najczĊĞciej w ramach stalowych lub
aluminiowych, podwójnie lub pojedynczo szklone o złym stanie technicznym. Drzwi wejĞciowe boczne drewniane pełne, stan ich równieĪ oceniono jako zły, drzwi były nieszczelne.
Po termomodernizacji uzyskano nastĊpujące współczynniki przenikania ciepła „U” w przegrodach
zewnĊtrznych: dachy i stropodachy (U = 0,21 ÷ 0,22), Ğciany zewnĊtrzne budynków (U = 0,23 ÷ 0,25),
okna zewnĊtrzne (U = 1,3 ÷ 1,5), drzwi zewnĊtrzne (U = 1,1 ÷ 1,2). Okna w Ğcianach zewnĊtrznych
budynków wymieniono na okna wykonane z PCW, podwójnie szklone (szyba niskoemisyjna). Drzwi
wejĞciowe główne i boczne do budynków szkolnych wymieniono na drzwi wykonane z PCW z szybą
specjalną.
Bilans energetyczny obiektów
Obliczenia zapotrzebowania na ciepło i moc dla modernizowanych budynków wykonano z
wykorzystaniem programu komputerowego AUDYTOR OZC 3.0 Narodowej Agencji Poszanowania
Energii S.A. w Warszawie, w oparciu o obowiązujące przepisy i normy.
3
Modernizacja Ĩródeł ciepła i systemów grzewczych
Systemy grzewcze w modernizowanych obiektach szkolnych były w złym stanie technicznym. Dotyczyło
to zarówno Ĩródeł ciepła (były to stare kotły wĊglowe lub kotły stalowe, wodne, niskotemperaturowe z
palnikami na gaz ziemny o niskiej sprawnoĞci), jak równieĪ wyeksploatowanej dwururowej stalowej
instalacji grzewczej. Brak zaworów termostatycznych na grzejnikach nie pozwalał na ustalanie właĞciwej
temperatury w zajmowanych pomieszczeniach, co z kolei wpływało na brak moĪliwoĞci oszczĊdzania
energii podczas ogrzewania pomieszczeĔ szkolnych w obiektach. Modernizacja systemów grzewczych w
obiektach szkolnych polegała na: wymianie Ĩródeł ciepła na nowoczesne - o wysokiej sprawnoĞci Ĩródła
ciepła zaopatrzone w elementy regulacyjne (np. automatykĊ pogodową), kompleksowej wymianie
instalacji grzewczej na nową, wymianie starych grzejników Īeliwnych na grzejniki konwekcyjne,
zabudowie na grzejnikach zaworów termostatycznych, hermetyzacji (przez zastosowanie naczyĔ
wzbiorczych zamkniĊtych) i odpowietrzaniu instalacji (zastosowanie indywidualnych odpowietrzników
na pionach), a nastĊpnie przeprowadzeniu regulacji hydraulicznej.
Optymalizacja przedsiĊwziĊcia termomodernizacyjnego
Przy wyborze optymalnego wariantu przedsiĊwziĊcia termomodernizacyjnego – z punktu widzenia
inwestora - brano pod uwagĊ wielkoĞü maksymalnych oszczĊdnoĞci uzyskanych w wyniku wykonania
jak najwiĊkszej liczby usprawnieĔ termomodernizacyjnych w obiektach szkolnych. Optymalny wariant
przedsiĊwziĊcia termomodernizacyjnego dotyczącego poprawy sprawnoĞci cieplnej systemu grzewczego
jest to wariant, dla którego zdyskontowana wartoĞü netto inwestycji NPV przyjmuje wartoĞü
maksymalną.
Finansowanie termomodernizacji obiektów i modernizacji systemów grzewczych
W czasie przeprowadzania przedsiĊwziĊü termomodernizacyjnych w obiektach szkolnych, zarówno
gmina Psary jak i miasto Siemianowice ĝląskie korzystały ze Ğrodków własnych, ze Ğrodków
Powiatowego Funduszu Ochrony ĝrodowiska i Gospodarki Wodnej oraz Wojewódzkiego Funduszu
Ochrony ĝrodowiska i Gospodarki Wodnej w postaci dotacji, umorzeĔ i niskooprocentowanych
poĪyczek.
Podsumowanie
Gmina Psary bĊdąca czĊĞcią powiatu bĊdziĔskiego oraz miasto Siemianowice ĝląskie, naleĪące do
GórnoĞląskiego OkrĊgu Przemysłowego (GOP) konsekwentnie realizują program ograniczenia
zanieczyszczenia powietrza (tzw. niskiej emisji) poprzez kompleksową termomodernizacjĊ obiektów
szkolnych. Termomodernizacja obiektów szkolnych spowodowała zmniejszenie zapotrzebowania na
energiĊ cieplną, a w efekcie zmniejszenie iloĞci paliwa (gazowego lub stałego) do jej produkcji, co w
konsekwencji powoduje zmniejszenie emisji zanieczyszczeĔ do powietrza. Kompleksowo
przeprowadzona termomodernizacja jest podstawą do osiągniĊcia duĪych efektów ekonomicznych. W
wyniku przeprowadzonych przedsiĊwziĊü termomodernizacyjnych w obiektach szkolnych osiągniĊto
oszczĊdnoĞü energii cieplnej w granicach 35,7 ÷ 76,0% (gmina Psary) oraz 61,6 ÷ 74,9% (miasto
Siemianowice ĝląskie). (LM)
Opracowanie własne, na postawie artykułów autora opublikowanych w kwartalniku Prace Naukowe GIG „Górnictwo i
ĝrodowisko”: nr 4/2005, nr 2/2006 i nr 4/200; fotografie termomodernizowanych obiektów: Lech Malara.
4