Ciepło odnawialne - Renewable heat

Ciepło odnawialne to zastosowanie energii odnawialnej związane z wytwarzaniem ciepła ze źródeł odnawialnych; na przykład zasilanie grzejników wodą ogrzewaną skupionym promieniowaniem słonecznym, a nie kotłem na paliwo kopalne. Odnawialne technologie grzewcze obejmują odnawialne biopaliwa, ogrzewanie słoneczne, ogrzewanie geotermalne, pompy ciepła i wymienniki ciepła. Izolacja jest prawie zawsze ważnym czynnikiem przy wdrażaniu ogrzewania odnawialnego.

Wiele chłodniejszych krajów zużywa więcej energii na ogrzewanie niż na dostarczanie energii elektrycznej. Na przykład w 2005 r. Wielka Brytania zużyła 354 TWh energii elektrycznej, ale jej zapotrzebowanie na ciepło wyniosło 907 TWh, z czego większość (81%) została pokryta gazem. Sam sektor mieszkaniowy zużył na ogrzewanie 550 TWh energii, pochodzącej głównie z metanu. Prawie połowa energii końcowej zużywanej w Wielkiej Brytanii (49%) miała postać ciepła, z czego 70% zużywały gospodarstwa domowe oraz budynki komercyjne i publiczne. Gospodarstwa domowe wykorzystywały ciepło głównie do ogrzewania pomieszczeń (69%).

Względna konkurencyjność odnawialnej energii elektrycznej i odnawialnego ciepła zależy od podejścia danego kraju do polityki energetycznej i środowiskowej. Niewiele technologii odnawialnych (zarówno w zakresie ciepła, energii elektrycznej, jak i transportu) jest konkurencyjnych wobec paliw kopalnych bez jakiejś formy wyceny emisji dwutlenku węgla lub dotacji. W tych krajach, takich jak Szwecja, Dania i Finlandia, gdzie interwencja rządu była najbliższa neutralnej technologicznie formie wyceny emisji dwutlenku węgla (tj. podatki węglowe i energetyczne ), ciepło ze źródeł odnawialnych odegrało wiodącą rolę w bardzo istotnym udziale energii odnawialnej w końcowym zużycie energii. W tych krajach, takich jak Niemcy, Hiszpania, USA i Wielka Brytania, gdzie interwencja rządu została ustalona na różnych poziomach dla różnych technologii, zastosowań i skali, wkład technologii odnawialnego ciepła i odnawialnej energii elektrycznej zależał od względnych poziomów wsparcia i ogólnie zaowocowały niższym wkładem energii ze źródeł odnawialnych w końcowe zużycie energii.

Wiodące odnawialne technologie grzewcze

Ogrzewanie solarne

Ogrzewanie słoneczne to styl konstrukcji budynku, który wykorzystuje energię letniego lub zimowego słońca do ekonomicznego dostarczania pierwotnego lub uzupełniającego ciepła do konstrukcji. Ciepło może być wykorzystywane zarówno do ogrzewania pomieszczeń (patrz słoneczne ogrzewanie powietrza ) jak i ogrzewania wody (patrz słonecznej ciepłej wody ). Projekt ogrzewania słonecznego dzieli się na dwie grupy:

  • Pasywne ogrzewanie słoneczne opiera się na konstrukcji i konstrukcji domu do gromadzenia ciepła. Projekt pasywnego budynku wykorzystującego energię słoneczną musi również uwzględniać magazynowanie i dystrybucję ciepła, które można realizować pasywnie, lub wykorzystywać kanały powietrzne do aktywnego odprowadzania ciepła do fundamentu budynku w celu magazynowania. Jeden z takich projektów został zmierzony, podnosząc temperaturę domu do 24°C (75°F) w częściowo słoneczny zimowy dzień (-7°C lub 19°F) i twierdzi się, że system zapewnia pasywnie większość ogrzewanie budynku. Dom o powierzchni 4000 stóp kwadratowych (370 m 2 ) kosztował 125 USD za stopę kwadratową (lub 370 m 2 przy 1351 USD/m 2 ), podobnie jak koszt tradycyjnego nowego domu.
  • Aktywne ogrzewanie słoneczne wykorzystuje pompy do przetłaczania powietrza lub cieczy z kolektora słonecznego do budynku lub obszaru magazynowania. Zastosowania, takie jak słoneczne ogrzewanie powietrza i słoneczne ogrzewanie wody, zwykle wychwytują ciepło słoneczne w panelach, które można następnie wykorzystać do zastosowań takich jak ogrzewanie pomieszczeń i uzupełnianie domowych podgrzewaczy wody. W przeciwieństwie do paneli fotowoltaicznych , które służą do wytwarzania energii elektrycznej, słoneczne panele grzewcze są tańsze i przechwytują znacznie większą część energii słonecznej.

Systemy ogrzewania słonecznego zwykle wymagają małego dodatkowego systemu ogrzewania zapasowego, konwencjonalnego lub odnawialnego.

Ogrzewanie geotermalne

Gorące źródła znajdujące się w Nevadzie.

Dostęp do energii geotermalnej uzyskuje się poprzez wiercenie studni wodnych lub parowych w procesie podobnym do wiercenia w poszukiwaniu ropy. Energia geotermalna jest ogromnym, niewykorzystanym źródłem ciepła i energii, które jest czyste (emituje niewiele lub wcale nie emituje gazów cieplarnianych), jest niezawodne (średnia dostępność systemu na poziomie 95%) i rodzime (co sprawia, że ​​populacje są mniej zależne od ropy naftowej).

Ziemia pochłania energię słoneczną i przechowuje ją w postaci ciepła w oceanach i pod ziemią. Temperatura gruntu pozostaje stała i wynosi od 6 do 38°C od 42 do 100°F przez cały rok, w zależności od miejsca zamieszkania na ziemi. System ogrzewania geotermalnego wykorzystuje stałą temperaturę pod powierzchnią Ziemi i wykorzystuje ją do ogrzewania i chłodzenia budynków. System składa się z szeregu rur zainstalowanych pod ziemią, połączonych z rurami w budynku. Pompa przetłacza ciecz przez obwód. Zimą płyn w rurze pochłania ciepło ziemi i wykorzystuje je do ogrzewania budynku. W okresie letnim płyn odbiera ciepło z budynku i unieszkodliwia je w ziemi.

Pompy ciepła

Pompy ciepła wykorzystują pracę do przenoszenia ciepła z jednego miejsca do drugiego i mogą być wykorzystywane zarówno do ogrzewania, jak i klimatyzacji. Pompy ciepła, choć wymagają dużych nakładów finansowych, są ekonomiczne w eksploatacji i mogą być zasilane energią elektryczną ze źródeł odnawialnych. Dwa popularne typy pomp ciepła to powietrzne pompy ciepła (ASHP) i gruntowe pompy ciepła (GSHP), w zależności od tego, czy ciepło jest przekazywane z powietrza, czy z gruntu. Powietrzne pompy ciepła nie są skuteczne, gdy temperatura powietrza na zewnątrz jest niższa niż około -15°C, podczas gdy gruntowe pompy ciepła nie mają na nie wpływu. Wydajność pompy ciepła jest mierzona współczynnikiem wydajności (CoP): Na każdą jednostkę energii elektrycznej wykorzystywanej do pompowania ciepła, powietrzna pompa ciepła wytwarza od 2,5 do 3 jednostek ciepła (tj. ma współczynnik CoP wynoszący od 2,5 do 3). ), podczas gdy GSHP generuje od 3 do 3,5 jednostek ciepła. Na podstawie aktualnych cen paliw dla Wielkiej Brytanii, zakładając CoP 3–4, GSHP jest czasami tańszą formą ogrzewania pomieszczeń niż ogrzewanie elektryczne, olejowe i na paliwo stałe. Pompy ciepła mogą być połączone z międzysezonowym magazynem energii cieplnej (gorącej lub zimnej), podwajając współczynnik CoP z 4 do 8 poprzez pozyskiwanie ciepła z cieplejszego gruntu.

Międzysezonowy transfer ciepła

Główny artykuł: Sezonowe magazynowanie energii cieplnej

Pompa ciepła z międzysezonowym transferem ciepła łączy aktywną kolekcję słoneczną do magazynowania letnich nadmiarów ciepła w bankach cieplnych z gruntowymi pompami ciepła, aby wykorzystać je do ogrzewania pomieszczeń zimą. Zmniejsza to wymagany „Podnoszenie” i podwaja CoP pompy ciepła, ponieważ pompa uruchamia się z ciepłem z banku ciepła zamiast zimna z gruntu.

CoP i winda

CoP pompy ciepła wzrasta, gdy różnica temperatur lub „Podnoszenie” zmniejsza się między źródłem ciepła a miejscem docelowym. Współczynnik CoP można zmaksymalizować w czasie projektowania, wybierając system grzewczy wymagający jedynie niskiej końcowej temperatury wody (np. ogrzewanie podłogowe) oraz wybierając źródło ciepła o wysokiej średniej temperaturze (np. grunt). Ciepła woda użytkowa (CWU) i konwencjonalne grzejniki wymagają wysokich temperatur wody, co ma wpływ na wybór technologii pompy ciepła. Grzejniki niskotemperaturowe stanowią alternatywę dla grzejników konwencjonalnych.

Typ i źródło pompy Typowy przypadek użycia Zmiana CoP pompy ciepła z temperaturą wyjściową
35 °C
(np. podgrzewana podłoga jastrychowa) 		45 °C
(np. grzejnik niskotemperaturowy lub podgrzewana podłoga jastrychowa) 		55 °C
(np. grzejnik niskotemperaturowy lub podgrzewana podłoga drewniana) 		65 °C
(np. grzejnik lub CWU) 		75 °C
(np. grzejniki standardowe i CWU) 		85 °C
(np. grzejniki standardowe i CWU)
Wysoka sprawność powietrza ASHP w temperaturze -20 °C   2.2 2,0 - - - -
Powietrze dwustopniowe ASHP w temperaturze -20 °C Niska temp. źródła 2,4 2.2 1,9 - - -
Wysoka sprawność powietrza ASHP w temperaturze 0 °C Niska temp. wyj. 3,8 2,8 2.2 2,0 - -
Prototypowy nadkrytyczny CO
2 (R744) Pompa ciepła z trójstronną chłodnicą gazu, źródło przy 0 °C 		Wysoka temp. wyj. 3,3 - - 4.2 - 3.0
Woda GSHP o temperaturze 0 °C   5.0 3,7 2,9 2,4 - -
GSHP uziemiony w temperaturze 10 °C Niska temp. wyj. 7,2 5.0 3,7 2,9 2,4 -
Teoretyczna granica cyklu Carnota , źródło -20 °C   5,6 4,9 4.4 4.0 3,7 3.4
Teoretyczna granica cyklu Carnota, źródło 0 °C   8,8 7,1 6,0 5.2 4,6 4.2
Teoretyczny limit cyklu Lorentza ( CO
2 pompa), powrotna ciecz 25°C, źródło 0°C 		  10.1 8,8 7,9 7,1 6,5 6,1
Teoretyczna granica cyklu Carnota, źródło 10 °C   12,3 9,1 7,3 6,1 5.4 4,8

Rezystancyjne ogrzewanie elektryczne

Energia elektryczna ze źródeł odnawialnych może być wytwarzana przez energię wodną, ​​słoneczną, wiatrową, geotermalną oraz spalanie biomasy. W kilku krajach, w których energia elektryczna ze źródeł odnawialnych jest niedroga, powszechne jest ogrzewanie oporowe . W krajach takich jak Dania, gdzie energia elektryczna jest droga, nie wolno instalować ogrzewania elektrycznego jako głównego źródła ciepła. Turbiny wiatrowe mają większą moc w nocy, kiedy jest małe zapotrzebowanie na energię elektryczną, grzejniki akumulacyjne zużywają tę tańszą energię w nocy i oddają ciepło w ciągu dnia.

Ogrzewanie pelletem drzewnym

Piecyk opalany drewnem.
Drewniane palety.

Ogrzewanie pelletem drzewnym i inne rodzaje systemów ogrzewania drewnem osiągnęły największy sukces w ogrzewaniu pomieszczeń, które są poza siecią gazową, zwykle wcześniej ogrzewanych olejem opałowym lub węglem. Stałe paliwo drzewne wymaga dużej ilości wydzielonej przestrzeni magazynowej, a specjalistyczne systemy grzewcze mogą być drogie (chociaż w wielu krajach europejskich dostępne są programy dotacji w celu zrównoważenia tego kosztu kapitałowego). Niskie koszty paliwa oznaczają, że ogrzewanie opalane drewnem w Europie jest często możliwe osiągnąć okres zwrotu krótszy niż 3 do 5 lat. Ze względu na duże wymagania dotyczące przechowywania paliwa, paliwo drzewne może być mniej atrakcyjne w scenariuszach mieszkaniowych w miastach lub w budynkach podłączonych do sieci gazowej (chociaż rosnące ceny gazu i niepewność dostaw oznaczają, że paliwo drzewne staje się bardziej konkurencyjne). nad zanieczyszczeniem powietrza z ogrzewania drewnem w porównaniu z ciepłem olejowym lub gazowym, zwłaszcza drobnymi cząstkami.

Ogrzewanie piecem na drewno

Spalanie paliwa drzewnego na otwartym ogniu jest zarówno wyjątkowo nieefektywne (0-20%), jak i zanieczyszczające z powodu częściowego spalania w niskiej temperaturze. W ten sam sposób, w jaki budynek z przeciągami traci ciepło przez utratę ciepłego powietrza z powodu złego uszczelnienia, otwarty ogień jest odpowiedzialny za duże straty ciepła, wyciągając z budynku bardzo duże ilości ciepłego powietrza.

Nowoczesne konstrukcje pieców na drewno pozwalają na bardziej efektywne spalanie, a następnie odbiór ciepła. W Stanach Zjednoczonych nowe piece na drewno są certyfikowane przez amerykańską Agencję Ochrony Środowiska (EPA) i spalają się czyściej i wydajniej (całkowita wydajność wynosi 60-80%) oraz pobierają mniejsze ilości ciepłego powietrza z budynku.

„Cleaner” nie należy jednak mylić z clean. Australijskie badanie rzeczywistych emisji z grzejników do drewna spełniających obecną australijską normę wykazało, że emisje cząstek stałych wynoszą średnio 9,4 g/kg spalonego drewna (zakres od 2,6 do 21,7). Grzejnik o średnim zużyciu drewna wynoszącym 4 tony rocznie emituje zatem 37,6 kg PM2,5, czyli cząstek mniejszych niż 2,5 mikrometra . Można to porównać z samochodem osobowym spełniającym obecne normy Euro 5 (wprowadzone we wrześniu 2009 r.) 0,005 g/km. Tak więc jeden nowy piec na drewno emituje tyle PM2,5 rocznie, co 367 samochodów osobowych przejeżdżających 20 000 km rocznie. Niedawne europejskie badanie wykazało, że PM2,5 jest najbardziej niebezpiecznym dla zdrowia zanieczyszczeniem powietrza, powodując około 492 000 przedwczesnych zgonów. Kolejne najgorsze zanieczyszczenie, ozon, jest odpowiedzialne za 21 000 przedwczesnych zgonów.

Ze względu na problemy z zanieczyszczeniem, Australian Lung Foundation zaleca stosowanie alternatywnych środków kontroli klimatu. American Lung Association „zdecydowanie zaleca używanie czystszych, mniej toksycznych źródeł ciepła. Przekształcenie kominka lub pieca opalanego drewnem na gaz ziemny lub propan wyeliminuje narażenie na niebezpieczne toksyny generowane przez spalanie drewna, w tym dioksyny, arsen i formaldehyd.

„Odnawialne” nie powinno być mylone z „neutralnym cieplarnianym”. Niedawny recenzowany artykuł wykazał, że nawet przy spalaniu drewna opałowego ze zrównoważonych źródeł emisje metanu z typowego australijskiego pieca na drewno spełniającego obecne normy powodują bardziej globalne ocieplenie niż ogrzewanie tego samego domu gazem. Ponieważ jednak duża część drewna opałowego sprzedawanego w Australii nie pochodzi ze zrównoważonych źródeł, australijskie gospodarstwa domowe, które korzystają z ogrzewania drewnem, często powodują bardziej globalne ocieplenie niż ogrzewanie trzech podobnych domów gazem.

Piece o wysokiej wydajności powinny spełniać następujące kryteria projektowe:

  • Dobrze uszczelnione i precyzyjnie skalibrowane, aby pobierać niewielką, ale wystarczającą ilość powietrza. Ograniczenie przepływu powietrza ma kluczowe znaczenie; mniejszy dopływ zimnego powietrza powoduje mniejsze ochłodzenie pieca (w ten sposób uzyskuje się wyższą temperaturę). Pozwala to również na dłuższy czas na odbiór ciepła ze spalin , a także pobiera mniej ciepła z budynku.
  • Piec musi być dobrze zaizolowany, aby podnieść temperaturę spalania, a tym samym kompletność.
  • Dobrze izolowany piec emituje niewiele ciepła. Dlatego ciepło musi być pobierane zamiast z kanału spalin. Efektywność absorpcji ciepła jest wyższa, gdy kanał wymiany ciepła jest dłuższy, a przepływ spalin jest wolniejszy.
  • W wielu konstrukcjach kanał wymiany ciepła zbudowany jest z bardzo dużej masy ciepłochłonnej cegły lub kamienia. Taka konstrukcja powoduje, że pochłonięte ciepło jest emitowane przez dłuższy czas – zazwyczaj dzień.

Odnawialny gaz ziemny

Odnawialny gaz ziemny definiuje się jako gaz otrzymywany z biomasy, który jest uszlachetniany do jakości zbliżonej do gazu ziemnego . Dzięki podniesieniu jakości do jakości gazu ziemnego możliwe staje się rozprowadzanie gazu do odbiorców istniejącą siecią gazową. Według Centrum Badawczego ds. Energii w Holandii odnawialny gaz ziemny jest „tańszy niż alternatywy, w których biomasa jest wykorzystywana w elektrociepłowni lub w lokalnym spalarni”. Jednostkowe koszty energii są obniżane dzięki „korzystnej skali i godzinom pracy”, a koszty kapitałowe użytkownika końcowego są eliminowane dzięki dystrybucji za pośrednictwem istniejącej sieci gazowej.

Efektywności energetycznej

Ciepło odnawialne idzie w parze z efektywnością energetyczną . Rzeczywiście, sukces projektów ogrzewania ze źródeł odnawialnych w dużej mierze zależy od efektywności energetycznej; w przypadku ogrzewania słonecznego ograniczyć uzależnienie od wymogu dogrzewania, w przypadku ogrzewania paliwem drzewnym obniżyć koszty zakupu drewna i objętości magazynowanej, a w przypadku pomp ciepła zmniejszyć wielkość i inwestycje w pompę ciepła, koszty radiatora i energii elektrycznej.

W zakresie efektywności energetycznej budynku można dokonać dwóch głównych rodzajów ulepszeń:

Izolacja

Ulepszenia izolacji mogą znacznie zmniejszyć zużycie energii, czyniąc pomieszczenie tańszym do ogrzewania i chłodzenia. Jednak modernizacja istniejących mieszkań może być często trudna lub kosztowna. Nowsze budynki mogą korzystać z wielu technik superizolacji . Starsze budynki mogą skorzystać z kilku rodzajów ulepszeń:

  • Izolacja ścian litych : Budynek o ścianach litych może skorzystać z izolacji wewnętrznej lub zewnętrznej. Izolacja ścian zewnętrznych polega na dodaniu dekoracyjnych, odpornych na warunki atmosferyczne paneli izolacyjnych lub innej obróbki na zewnątrz ściany. Alternatywnie, izolację ścian wewnętrznych można wykonać za pomocą gotowych laminatów izolacyjnych/płyt gipsowo-kartonowych lub innymi metodami. Grubości izolacji wewnętrznej lub zewnętrznej zwykle wahają się od 50 do 100 mm.
  • Izolacja ścian szczelinowych : Budynek ze ścianami szczelinowymi może skorzystać z izolacji wpompowanej do szczeliny. Ta forma izolacji jest bardzo opłacalna.
  • Programowalne termostaty umożliwiają wyłączenie ogrzewania i chłodzenia pomieszczenia w zależności od pory dnia, dnia tygodnia i temperatury. Na przykład sypialnia nie musi być ogrzewana w ciągu dnia, ale salon nie musi być ogrzewany w nocy.
  • Ocieplenie dachu
  • Izolowane okna i drzwi
  • Sprawdzanie wersji roboczej

Ogrzewanie podłogowe

Ogrzewanie podłogowe może być czasami bardziej energooszczędne niż tradycyjne metody ogrzewania:

  • Woda krąży w systemie w niskich temperaturach (35 °C - 50 °C), dzięki czemu kotły gazowe, kotły opalane drewnem i pompy ciepła są znacznie bardziej wydajne.
  • Pomieszczenia z ogrzewaniem podłogowym są chłodniejsze przy suficie, gdzie ciepło nie jest potrzebne, ale cieplejsze pod stopami, gdzie komfort jest najbardziej potrzebny.
  • Tradycyjne grzejniki są często umieszczane pod słabo zaizolowanymi oknami, niepotrzebnie je ogrzewając.

Odzysk ciepła ze ścieków

Recykling ciepła.

Możliwe jest odzyskanie znacznych ilości ciepła z ciepłej wody odpadowej poprzez recykling ciepła z ciepłej wody . Główne zużycie gorącej wody to zlewozmywaki, prysznice, wanny, zmywarki i pralki. Prysznic zużywa średnio 30% ciepłej wody użytkowej w obiekcie. Napływająca świeża woda ma zazwyczaj znacznie niższą temperaturę niż ścieki z prysznica. Niedrogi wymiennik ciepła odzyskuje średnio 40% ciepła, które normalnie zostałoby stracone, ogrzewając dopływającą zimną świeżą wodę ciepłem z wypływających ścieków.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki