Odnawialne źródło energii (OZE) jest to źródło wykorzystujące w procesie przetwarzania energię: wiatru, promieniowania słonecznego, aerotermalną, geotermalną, hydrotermalną, spadku wody, fal, prądów i pływów morskich, otrzymywaną z biomasy, biogazu, biogazu rolniczego oraz z biopłynów.
Ze względu na możliwości wykorzystania OZE w budynkach, poniżej zostaną scharakteryzowane następujące rodzaje energii: promieniowania słonecznego, geotermalna oraz energia otrzymywana
z biomasy.
Energia słoneczna
Energia słoneczna jest najbardziej dostępnym rodzajem energii odnawialnej. Najczęściej wykorzystywaną do obliczeń miarą energii słonecznej jest nasłonecznienie, czyli ilość energii słonecznej padającej na jednostkę powierzchni płaskiej w określonym czasie wyrażona w jednostkach MJ/m2. Nasłonecznienie zależy od bardzo wielu czynników: długości dnia, zachmurzenia, przezroczystości atmosfery oraz kąta pochylenia osi Ziemi w stosunku do płaszczyzny ekliptyki, ale też efektu zacienienia od sąsiednich budynków. Z uwagi na zmienność tych parametrów, na obszarze Polski występuje niejednakowy rozkład promieniowania słonecznego w ciągu roku. Około 80% nasłonecznienia przypada na okres 6 miesięcy wiosenno-letnich. Na poniższym rysunku zaprezentowano rozkład nasłonecznienia w Polsce.
Nasłonecznienie w MJ/m2
Najkorzystniejsze warunki dla wykorzystania energii słonecznej występują w pasie nadmorskim,
w województwie wielkopolskim, łódzkim i lubelskim. Z kolei najmniej korzystne – w rejonie województwa podlaskiego, lubuskiego
Energię promieniowania słonecznego można wykorzystać na drodze konwersji termicznej (wykorzystanie energii promieniowania słonecznego do ogrzewania wody lub powietrza) lub fotowoltaicznej (zmiana promieniowania słonecznego na energię elektryczną).
Konwersję termiczną, która wykorzystywana jest m.in. w kolektorach słonecznych, można przeprowadzić w sposób pasywny lub aktywny. Konwersja fotowoltaiczna polega na bezpośrednim przetwarzaniu energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną przy wykorzystaniu zjawiska fotowoltaicznego (efektu fotowoltaicznego).
Podstawowym elementem paneli fotowoltaicznych jest ogniwo fotowoltaiczne, którego zadaniem jest wytwarzanie energii elektrycznej. Zjawisko fotoelektryczne, które zachodzi w ogniwach, polega na zmianie właściwości elektrycznych ogniwa, pod wpływem padającego na nie promieniowania słonecznego.
Ogniwa fotowoltaiczne łączy się ze sobą w gotowe panele, które są dodatkowo wyposażone w elementy dostosowujące wytwarzany w ogniwach prąd stały do potrzeb zasilanych urządzeń.
Fotowoltaika jest dziedziną, która wciąż się rozwija i w której poszukuje się co raz bardziej efektywnych rozwiązań, przez co istnieje wiele typów ogniw różniących się od siebie wykorzystanym materiałem (krzem, półprzewodniki złożone, półprzewodniki organiczne, itd.) i strukturą materiału (monokrystaliczna, polikrystaliczna, amorficzna).
Obecnie produkowane są m.in.:
- ogniwa fotowoltaiczne z krzemu monokrystalicznego,
- ogniwa fotowoltaiczne z krzemu polikrystalicznego,
- cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne z krzemu amorficznego,
- cienkowarstwowe ogniwa fotowoltaiczne ze związków półprzewodnikowych.
Budowa panelu fotowoltaicznego
Ogniwa słoneczne można łączyć szeregowo lub równolegle w systemy wyższej mocy tworząc panele fotowoltaiczne. Poszczególne ogniwa umieszcza się obok siebie pomiędzy materiałami nośnymi. Materiał nośny z ogniwami zamyka się w aluminiowe ramy z kauczukowym uszczelnieniem, co znacznie zwiększa stabilność całych paneli. W celu poprawy wytrzymałości paneli przed zjawiskami atmosferycznymi (np. opadami śniegu) moduły montuje się w ramach ze stali szlachetnej (nierdzewnej).
Oprócz paneli, na działający system fotowoltaiczny składa się jeszcze wiele innych niezbędnych elementów. Wśród nich można wyróżnić elementy dostosowujące prąd do potrzeb wykorzystywanych urządzeń elektrycznych: dla urządzeń zasilanych prądem stałym mogą to być kontrolery napięcia, a dla urządzeń zasilanych prądem przemiennym – falowniki.
W przypadku, gdy system został przewidziany również do dostarczania energii w porze nocnej, konieczne jest zastosowanie podsystemu magazynowania w postaci dostatecznej ilości akumulatorów odpowiedniego typu. W celu maksymalnego wykorzystania dostępnego nasłonecznienia należy zachować stały kąt paneli względem słońca przez całą porę dzienną. Systemy takie wyposaża się dodatkowo w układy kierujące panele w stronę słońca.
Energia geotermalna
Energia geotermalna jest to ciepło zgromadzone w skorupie ziemskiej. To odnawialne źródło energii można wykorzystywać do pozyskania ciepła lub energii elektrycznej. W celu ustalenia zasobów geotermalnych wykonuje się specjalne odwierty.
Miarą zasobów energii geotermalnej jest stosunek energii dostępnej w skorupie ziemskiej do średniej rocznej temperatury na powierzchni badanego terenu. Zasoby energii geotermalnej mogą występować na głębokościach od 700 do 3000 m.
Zasoby geotermalne można podzielić na:
- zasoby hydrotermiczne,
- zasoby petrotermiczne.
Zasoby hydrotermiczne są to zasoby energii w postaci gorącej wody i pary wodnej występujące
w warstwach wodonośnych, szczelinach skalnych i żyłach wodnych. Natomiast zasoby petrotermiczne opierają się na energii związanej z ciepłem skał skorupy ziemskiej.
Energia geotermalna na obszarze Polski jest dostępna w dużych ilościach. Często źródła geotermalne znajdują się pod obszarami miejskimi, co może zmniejszyć koszty ich wykorzystania.
Poniżej określono dostępne zasoby geotermalne w Polsce.
| Nr okręgu | Nazwa okręgu geotermalnego |
ΔT [°C] 3 km |
GJ / m2 3 km |
Powierzchnia 10 9 [m2] |
Dostępne zasoby energii geotermalnej·1021 [J] 3 km |
|---|---|---|---|---|---|
| Grudziądzko-warszawski | 70 | 260 | 70 | 18 | |
| 2 | Szczecińsko-łódzki | 85 | 320 | 67 | 21 |
| 3 | Podsudecki | 90 | 340 | 39 | 13 |
| 4 | Pomorski | 65 | 240 | 12 | 3 |
| 5 | Lubelski | 80 | 300 | 12 | 4 |
| 6 | Bałtycki | 65 | 240 | 15 | 4 |
| 7 | Podlaski | 65 | 240 | 7 | 2 |
| 8 | Przedgórze Karpat | 80 | 300 | 16 | 5 |
| 9 | Karpaty | 70 | 260 | 13 | 3 |
W celu wykorzystania energii geotermalnej, dokonuje się odwiertów, a następnie umieszcza się w nich odpowiednie instalacje. Źródła niskotemperaturowe (20-35°C) wykorzystuje się do ogrzewania pomieszczeń i przygotowywania ciepłej wody użytkowej. Wysokoenergetyczne źródła energii najlepiej wykorzystać w bezpośredni sposób do napędzania generatorów energii elektrycznej. Energię geotermalną można również wykorzystywać w rolnictwie (np. do suszenia płodów rolnych) i w przemyśle spożywczym.
Energia ze spalania biomasy
Biomasa to stałe lub ciekłe substancje pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, które ulegają biodegradacji, pochodzące z produktów, odpadów i pozostałości z produkcji rolnej oraz leśnej, przemysłu przetwarzającego ich produkty, a także części pozostałych odpadów, które ulegają biodegradacji, a w szczególności surowce rolnicze. Energię biomasy można pozyskiwać na dwa sposoby: poprzez bezpośrednie spalanie biomasy lub przez wykorzystanie gazu będącego produktem reakcji zachodzących w biomasie.
Najprostszą i najczęściej stosowaną metodą pozyskiwania energii z biomasy w przypadku budynków jest bezpośrednie spalanie. Do spalania biomasy wykorzystuje się specjalne kotły. Kotły te, poza biomasą, mogą także spalać typowe paliwa przy zachowaniu wysokiej sprawności.
Inne środki dotyczące ograniczenia zużycia energii elektrycznej
Wpływ na ograniczenie zużycia energii w budynku ma również zmiana zachowań użytkowników budynków. W tym celu warto organizować kampanie informacyjne i motywacyjne.
Warto zwrócić uwagę, by dobry przykład w tym zakresie dały władze lokalne oraz podmioty, które zarządzają budynkami. Opłaty za energię elektryczną są jednymi z podstawowych, jakie każda rodzina reguluje każdego miesiąca. Wystarczy zmiana nawyków i niektórych przyzwyczajeń np. wyciągnięcie ładowarki
z gniazdka lub racjonalne gotowanie wody w czajniku elektrycznym. Po pewnym czasie nowe rozwiązania staną się codziennością, a rachunki za energię będą odczuwalnie niższe.