Małoskalowe OZE w gospodarstwach rolnych

Konstrukcja projektu ustawy o OZE promuje wykorzystanie przydomowych instalacji OZE w taki sposób, aby inwestor mógł zmniejszyć konsumpcję energii elektrycznej z sieci i ciepła z konwencjonalnych źródeł energii oraz nie traktować tych instalacji jako dodatkowego źródła pasywnego dochodu. Dlatego też inwestycja w instalację prosumencką, czyli małoskalowe technologie OZE będzie opłacalna w momencie, kiedy źródło energii odnawialnej zostanie optymalnie dobrane i dopasowane do potrzeb energetycznych gospodarstwa rolnego, tzn. powinno uwzględniać dobowe i sezonowe cykle zużycia energii elektrycznej, ciepła i chłodu. W tabeli 1 zestawiono listę najczęściej zachodzących procesów produkcyjnych w różnych typach gospodarstw rolnych oraz przyporządkowano im technologie OZE, z których energia w tych procesach może być optymalnie spożytkowana, bez konieczności jej długotrwałego magazynowania.

Tabela 1. Możliwości wykorzystania technologii OZE w różnych procesach technologicznych występujących w gospodarstwach rolnych

Proces produkcyjny

Systemy fotowoltaiczne

 

 

Małe elektrownie wiatrowe

 

 

 

 

Mikrobiogazownie

 

 

Systemy kolektorów słonecznych

 

Kotły na biomasę

 

Gruntowe pompy ciepła

 

 

 

Centralne ogrzewanie budynków mieszkalnych, ew. inwentarskich

 

 

 

Hybrydy z pompami ciepła, ogrzewanie niskotemperaturowe budynków o wysokim standardzie energetycznym

 

 

 

Hybrydy z pompami ciepła, kolektorami słonecznymi, kotłami na biomasę (ze zbiornikami buforowymi)

 

 

 

Zasadne, jeśli ciepło odpadowe jest rozprowadzone siecią ciepłowniczą do kilku lub więcej gospodarstw domowych/rolnych (mikrosieci ciepłownicze)

 

 

 

Tylko dobrze zaizolowane budynki (wysoki standard energetyczny)

 

 

 

Brak ograniczeń

 

 

 

Tylko dobrze zaizolowane budynki; odzysk ciepła z gnojowicy

 

 

 

Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej

 

 

 

Hybrydy z pompami ciepła, kolektorami słonecznymi i kotłami na biomasę (ze zbiornikami buforowymi)

 

 

 

Tylko turbiny małej mocy o prostych i tanich generatorach

 

Brak ograniczeń

Brak ograniczeń

 

 

Odzysk ciepła z gnojowicy i/lub mleka

 

 

 

Suszenie płodów rolnych

 

 

 

 

 

Z wykorzystania ciepła odpadowego

 

 

 

Raczej małe suszarnie do ziół i owoców oraz zielonek i zbóż

 

Brak ograniczeń

 

 

Kontrolowany proces suszenia drogich produktów z odzyskiem ciepła

 

 

 

Ogrzewanie upraw pod osłonami

 

 

 

 

 

Z wykorzystania ciepła odpadowego

 

 

Brak ograniczeń

 

 

 

Chłodzenie

 

 

 

Zasilanie agregatów chłodniczych, tylko w okresie letnim

 

 

 

Zasilanie agregatów chłodniczych, przez cały rok

 

 

 

Zasilanie agregatów chłodniczych, przez cały rok

 

 

 

W systemach chłodziarek absorpcyjnych

 

 

 

 

Chłodzenie mleka z odzyskiem ciepła

 

 

 

Punktowe ogrzewanie dla młodych zwierząt (kwoki, płyty grzejne)

 

 

 

Jako wspomaganie zasilania urządzeń elektrycznych, głównie w okresie letnim

 

 

 

Jako wspomaganie zasilania urządzeń elektrycznych

 

 

 

Jako zasilanie urządzeń elektrycznych, bądź źródło ciepła w przypadku wodnego ogrzewania podłogowego

 

 

 

Jako wspomaganie wodnego ogrzewania podłogowego

 

 

 

Jako źródło ciepła wodnego ogrzewania podłogowego

 

 

 

Jako źródło ciepła wodnego ogrzewania podłogowego

 

 

 

Pompowanie wody z własnego ujęcia

 

 

 

Tylko w okresie letnim; wymagany zbiornik na wodę pokrywający zapotrzebowanie do kilku dni

 

 

 

Brak ograniczeń: wymagany zbiornik na wodę pokrywający zapotrzebowa-nie do kilku dni

 

 

 

Dotyczy raczej dużych pompowni wody wymagających stałego wydobycia wody

 

 

 

 

 

 

Nawadnianie upraw

 

 

 

Bardziej optymalne rozwiązanie w połączeniu z wiatrakiem

 

 

 

Bardziej optymalne rozwiązanie w połączeniu z fotowoltaiką

 

 

 

Pompy nawadniające powinny być jednym z odbiorników energii, lecz nie jedynym

 

 

 

 

 

 

Wentylacja budynków inwentarskich

 

 

 

Tylko w okresie letnim; istnieje dodatnia korelacja między produkcją energii z PV a potrzebą wentylacji

 

 

 

Przez cały rok, jako źródło wspomagające

 

 

 

Wentylatory powinny być jednym z odbiorników energii, lecz nie jedynym

 

 

 

 

 

 

Zasilanie pastucha elektrycznego

 

 

 

Brak ograniczeń

 

 

 

Brak ograniczeń

 

 

 

 

 

 

 

Urządzenia do przetwórstwa płodów rolnych: np. mycie, sortowanie, pakowanie i inne

 

 

 

Jako źródło wspomagające, w zależności od charakterystyki działania urządzeń

 

 

 

Jako źródło wspomagające, w zależności od charakterystyki działania urządzeń

 

 

 

Urządzenia mogą być jednym z kilku odbiorników, lecz nie jedynym

 

 

 

 

 

 

Przygotowanie pasz

 

 

 

Jako źródło wspomagające, w zależności od charakterystyki działania urządzeń

 

 

 

Jako źródło wspomagające, w zależności od charakterystyki działania urządzeń

 

 

 

Urządzenia mogą być jednym z odbiorników energii, lecz wielu przypadkach nie jedynym źródłem

 

 

 

 

 

 

Ładownie baterii, np. w wózkach widłowych

 

 

 

Brak ograniczeń

 

 

 

Brak ograniczeń

 

 

 

 

 

 

Systemy fotowoltaiczne

 

Rys. 1. Instalacja fotowoltaiczna na dachu chlewni © Ben Whitle, flicr.com

 

Decydując się na budowę systemu fotowoltaicznego (PV) należy mieć świadomość bardzo dobrej lokalizacji inwestycji (tj. niezacieniona powierzchnia dachu o południowej wystawie nachylona pod optymalnym kątem 35 - 45°). Jest to jedno z głównych kryteriów decydujących o wydajności instalacji, a tym samym gwarantującym szybszy zwrot z inwestycji. Kolejną kwestią jest optymalny dobór mocy znamionowej instalacji. W obecnym systemie zachęt finansowych proponowanych przez rząd inwestorowi nie opłaca się ani sprzedawać energii do sieci energetycznej, ani nadmiaru energii magazynować w akumulatorach – to również oznacza, że nie opłaca się przewymiarowywać instalacji PV, aby nie „marnować” generowanych nadwyżek energii. Pozostaje zatem optymalnie dobrać instalację na miarę potrzeb danego gospodarstwa rolnego. Należy w tym celu określić, jakie zapotrzebowanie na moc w gospodarstwie rolnym występuje w okresie letnim oraz jakie urządzenia i o jakiej mocy pracują głównie w godzinach około południowych. W ten sposób można wyznaczyć przybliżoną moc elektrowni fotowoltaicznej, z której większość energii będzie bezpośrednio konsumowana przez odbiorniki w gospodarstwie, podczas gdy mniejsza część nadwyżek energii zostanie przesłana do sieci.

Poniżej zestawiono zastosowania systemów fotowoltaicznych w gospodarstwach rolnych o różnych profilach działalności:

 

Zasilanie pomp z własnego ujęcia wody

Wiele gospodarstw rolnych posiada własne ujęcie wody, z którego woda pobierana jest hydroforem. Woda wykorzystywana jest do nawadniania upraw (drzewa i krzewy owocowe, warzywa, uprawy pod osłonami, rośliny ozdobne i szkółkarskie) lub pojenia i mycia zwierząt gospodarskich. Często gospodarstwo zużywa od kilku do nawet kilkudziesięciu metrów sześciennych wody dziennie. Cała energia z instalacji fotowoltaicznych wykorzystywana jest do zasilania pomp wydobywających wodę do zbiornika umieszczonego ponad powierzchnią gruntu, co eliminuję także konieczność magazynowania nadwyżek energii elektrycznej w akumulatorach. Moc systemu PV powinna uwzględniać dobowe i sezonowe zapotrzebowanie na wodę przez gospodarstwo rolne.

 

Zasilanie agregatów chłodniczych

Chłodnie do przechowywania zbiorów charakteryzują się tym, że gdy zostaną uruchomione działają w trybie ciągłym, aby zachować odpowiednie parametry atmosfery w chłodni (temperatura, wilgotność) przez cały okres przechowywania. Sprawia to, że łatwo jest wspomagać zasilanie chłodni odpowiednio wyskalowanymi niestabilnymi źródłami takimi jak fotowoltaika, gdyż cała energia ze słońca może być w każdej chwili na bieżąco zużywana przez agregaty chłodnicze. Systemy PV zasilające chłodnie sprawdzą się przede wszystkim w tych gospodarstwach, gdzie chłodzenie plonów wymagane jest w okresie największego promieniowania słonecznego, tj. od marca do października. Innym typem chłodni jest schładzalnik mleka. W tym przypadku fotowoltaika nie jest odpowiednim źródłem, gdyż w porach dojenia krów poziom promieniowania słonecznego jest poza szczytem.

 

Zasilanie systemów wentylacyjnych

Systemy fotowoltaiczne sprawdzą się w gospodarstwach rolnych o profilu produkcji zwierzęcej w systemie chowu oborowego (przede wszystkim trzoda chlewna, drób i bydło). Głównie w okresie letnim w celu utrzymania odpowiedniego mikroklimatu (temperatura i wilgotność powietrza, stężenie amoniaku, itp.) w oborach stosuje się wentylację mechaniczną, a dodatkowo w kurnikach również nagrzewnice powietrza lub zraszacze. Systemy PV mogą też zasilać wymienione urządzenia w okresie letnim w sieci wydzielonej bez konieczności magazynowania nadwyżek energii w akumulatorach, jednak uprzednio moc instalacji powinna być wyskalowana do potrzeb energetycznych wspomnianych urządzeń.

 

Małe elektrownie wiatrowe

 

Wykorzystanie małych elektrowni wiatrowych w gospodarstwach rolnych determinowane jest przede wszystkim lokalizacją i zasobami wiatru. Najkorzystniejszymi terenami przeznaczonymi pod lokalizacje energetyki wiatrowej są: tereny leżące wzdłuż wybrzeża Bałtyku, północna część Mazur, Pogórze Karpackie oraz części centralne województw wielkopolskiego i mazowieckiego. Z praktyki jednak wynika, że w najniższych warstwach atmosfery (poniżej 20 m), średnie prędkości wiatru w Polsce są względnie zbliżone i wahają się w granicach 4,0-5,5 m/s. Tworzy to umiarkowane warunki dla rozwoju małej energetyki wiatrowej.

Produktywność małej elektrowni wiatrowej w znacznym stopniu zależy od jej lokalizacji. Stąd czynnikiem, który głównie wpływa na efektywność ekonomiczną inwestycji jest odpowiednie, prawidłowe umiejscowienie instalacji. Należy możliwie wysoko montować turbinę, ponad wysokość najwyższej przeszkody w okolicy oraz unikać miejsc osłoniętych od wiatru lub rejonów o wysokiej turbulencji (rys. 2.2). Należy dodać, że z uwagi na wysokie koszty prowadzenia monitoringu warunków wiatrowych, dla instalacji małych turbin wiatrowych takich audytów się nie wykonuje, ograniczając się do miejscowej oceny lokalizacji pod kątem występowania przeszkód terenowych.

 

Rys 2. Oddziaływanie przeszkód terenowych na przepływ mas powietrza

 

Poniżej zestawiono zastosowania małych elektrowni wiatrowych w gospodarstwach rolnych o różnych profilach działalności:

 

Podgrzewanie ciepłej wody użytkowej dla gospodarstw domowych i celów gospodarczych

Małe elektrownie wiatrowe, zwłaszcza z prostym i tanim generatorem, mogą stanowić źródło podgrzewania ciepłej wody użytkowej (elektrownie małej mocy do 5 kW). Do tego celu wykorzystuje się elektrownie małej mocy, które mogą zaspokoić potrzeby domowników gospodarstwa, inwentarza wymagającego ciepłej wody pitnej (np. cielęta) lub osób korzystających z ciepłej wody sezonowo (np. pracownicy sezonowi, letnicy w gospodarstwach agroturystycznych, itp.). Małe elektrownie wiatrowe mogą wspomagać systemy kolektorów słonecznych lub pomp ciepła. Ważnym aspektem przy projektowaniu takiej instalacji jest dobór odpowiedniej wielkości zasobnika ciepłej wody użytkowej. Dla oszacowania wielkości zasobnika przyjmuje się orientacyjnie około 60 – 75 litrów na dobę na jednego użytkownika ciepłej wody użytkowej w gospodarstwie rolnym.

 

Suszenie plonów rolnych

W uprawach niektórych roślin konsumpcyjnych i paszowych występuje znaczne zużycie energii zwłaszcza po zebraniu plonów od późnego lata nawet do wczesnej wiosny następnego roku, czyli także wtedy, gdy elektrownie wiatrowe mają najwyższą wydajność. W tym czasie najczęściej wykorzystywane są suszarnie, dmuchawy wentylacyjne, a także urządzenia do transportu plonów oraz ich przetwórstwa, np. młyny.

 

Procesy w uprawach szklarniowych

Elektrownie wiatrowe w uprawach szklarniowych mogą służyć w okresie krótszego dnia do doświetlania roślin w godzinach popołudniowych, gdy występują relatywnie wyższe prędkości wiatru. Ponadto energia z wiatru może być wykorzystywana do zasilania pomp systemu nawadniania i nawożenia roślin oraz chłodni do przechowywania owoców czy kondycjonowania nasion, cebul i całych roślin.

 

Pompowanie wody z własnego ujęcia

Podobnie jak w przypadku systemów fotowoltaicznych, w gospodarstwach z uprawami warzywniczymi i owocowymi, małe elektrownie wiatrowe mogą zasilać pompy nawadniające rośliny, maszyny do sortowania i pakowania zbiorów oraz pomieszczenia chłodnicze do przechowywania zebranych plonów, ponieważ pozwoli to na optymalne zużycie energii z elektrowni wiatrowych na potrzeby własne bez konieczności sprzedaży jej do sieci.

 

Procesy w gospodarstwach mlecznych

W przypadku gospodarstw mlecznych, szczyt zużycia energii przypada zazwyczaj na porę dojenia krów i chłodzenia udojonego mleka, który w tradycyjnym chowie występuje głównie w godzinach porannych i popołudniowych, co częściowo może pokrywać się z dobowym cyklem cyrkulacji powietrza i zwiększoną wydajnością elektrowni wiatrowej w tym czasie, gdyż w godzinach popołudniowych najczęściej występują wyższe prędkości wiatru. W celu maksymalizacji wykorzystania energii z wiatru, można rozważyć wykorzystanie akumulatorów energii elektrycznej.

 

Mikrobiogazownie rolnicze

 

W ogólnym ujęciu należy przyjąć, że mikrobiogazownia jest rozwiązaniem zalecanym dla większych i średnich gospodarstw rolnych, posiadających znaczne potrzeby energetyczne. Optymalną lokalizacją mikrobiogazowni może być gospodarstwo o profilu produkcji mieszanej, wytwarzające znaczne ilości zbędnych odpadów produkcyjnych, których przechowywanie jest kłopotliwe lub kosztowne. Przy wstępnej ocenie potrzebnych zasobów pod kątem instalacji biogazowej decydująca jest przede wszystkim powierzchnia upraw i wielkość hodowli zwierzęcej, co pokazano poniżej na przykładzie dwóch najczęściej stosowanych w biogazowniach substratów tj. kiszonki kukurydzy i gnojowicy świńskiej. Dla rozważanego zakresu instalacji o mocy 10-40 kW niezbędna powierzchnia upraw kukurydzy do produkcji kiszonki wynosi od 2-26 ha, natomiast pogłowie trzody chlewnej do pozyskania gnojowicy świńskiej od 20-270 DJP[1] przy czym należy zaznaczyć, że wartości te nie uwzględniają zasobów wykorzystywanych na potrzeby własne gospodarstwa np. w celach paszowych lub jako wyściółka dla zwierząt. Szacunkowe zapotrzebowanie substratów dla instalacji bazującej na mieszance gnojowicy świńskiej i kiszonki kukurydzy w odpowiednich proporcjach przedstawia rys. 3 i rys. 4.

 

Rys. 3. Porównanie wymaganej powierzchni upraw kukurydzy dla mikrobiogazowni 10 i 40 kW przy różnych proporcjach wsadu (źródło: IEO)

 

 

Rys. 4. Porównanie wymaganego pogłowia trzody chlewnej dla mikrobiogazowni 10 i 40 kW przy różnych proporcjach wsadu (źródło: IEO)

 

Należy także ocenić możliwości zagospodarowania nawozowego lub ew. przechowywania, bądź dystrybucji wyprodukowanej masy pofermentacyjnej. Przykład oszacowania powierzchni gruntów do wykorzystania rocznie wyprodukowanej masy pofermentacyjnej przedstawia rys. 2.5. Dla mikrobiogazowni w zakresie 10 – 40 kW, powierzchnia wymagana do zagospodarowania masy pofermentacyjnej w ciągu roku mieści się w granicach 20 – 120 ha i decydującym czynnikiem dla określenia wielkości potrzeb terenowych jest udział stosowanej gnojowicy. Nawóz pofermentacyjny pozyskany w mikrobiogazowni z substratów rolniczych można bez przeszkód wykorzystywać na własny użytek, ponieważ wykazuje lepsze właściwości na rośliny od nawozów naturalnych, z czym wiążą się znaczne oszczędności, natomiast pozostała nadwyżka może być suszona z wykorzystaniem ciepła nadmiarowego z instalacji, a następnie wykorzystywana na opał.

 

Rys. 5. Porównanie powierzchni do zagospodarowania masy pofermentacyjnej z mikrobiogazowni 10 i 40 kW przy różnych proporcjach wsadu (źródło: IEO)

 

Zagospodarowanie energii elektrycznej z mikrobiogazowni

W celu zapewnienia opłacalności ekonomicznej mikrobiogazowni instalacja ta powinna być eksploatowana (tzn. produkować energię elektryczną z maksymalną mocą) przez możliwie najdłuższy czas w roku, podczas gdy przerwy w pracy instalacji powinny wynikać tylko z potrzeby dokonania przeglądów technicznych. Również z przyczyn technologicznych w związku z utrzymaniem warunków pracy bakterii fermentacyjnych zalecane jest aby instalacja pracowała w sposób ciągły. Dla gospodarstw chcących wykorzystać energię przede wszystkim na potrzeby własne (na zasadzie off-grid) mikrobiogazownia może okazać się rozwiązaniem mało elastycznym, które sprawi kłopot z zagospodarowaniem nadmiaru energii, gdy aktualnie jej w gospodarstwie nie potrzeba. Dlatego z reguły mikrobiogazownie powinny być podłączone do sieci energetycznej i ewentualnie przekazywać energię na potrzeby gospodarstwa rolnego, gdy występuje zapotrzebowanie. Takie rozwiązanie sprawdzi się w tych gospodarstwach, które w cyklu dobowym i rocznym zużywają duże ilości energii, np. mieszalnia pasz, klimatyzacja kurników, itp.

 

Zagospodarowanie ciepła odpadowego z mikrobiogazowni

Cechą wyróżniającą mikrobiogazownie od innych technologii OZE jest to, że obok agregatów kogeneracyjnych na biopłyny, jednocześnie produkują energię elektryczną i ciepło. O ile energia elektryczna może być przesłana i sprzedana do sieci elektroenergetycznej, o tyle może wystąpić problem ze zbytem nadmiaru ciepła. Część ciepła z mikrobiogazowni wykorzystywane jest do podtrzymania procesu fermentacji metanowej (około 15-20%), natomiast reszta (ok. 80 – 85%) może być wykorzystana w gospodarstwie rolnym.

Aby ciepło z biogazowni mogło być wykorzystane, potrzebna jest budowa dodatkowej infrastruktury do jego przesyłu. Odbiorcami ciepła mogą być gospodarstwa domowe znajdujące się w pobliżu mikrobiogazowni (do około 200 m). Jedna mikrobiogazownia może dostarczyć ciepło dla 10 -15 domostw. Należy mieć na uwadze, że im dalej znajduje gospodarstwo, tym większe będą nakłady inwestycyjne na poprowadzenie ciepłociągu i większe straty na przesyle ciepła.

Innymi obiektami korzystającymi z ciepła mikrobiogazowni mogą być szklarnie i stawy rybne, gdzie hoduje się ciepłolubne gatunki ryb. Ponadto suszarnie płodów rolnych mogą wykorzystywać ciepło odpadowe z mikrobiogazowni, choć suszenie zbóż odbywa się tylko przez krótki okres w roku, więc należało by zabezpieczyć mikrobiogazownię także w inne odbiory ciepła.

Kolektory słoneczne

 

Rys. 6. System kolektorów słonecznych na dachu domu jednorodzinnego © Czas Białegostoku

 

Systemy kolektorów słonecznych powszechnie wykorzystywane są jako źródło energii do podgrzewania ciepłej wody użytkowej, zastępując inne konwencjonalne mniej efektywne technologie do przygotowywania CWU, m.in. bojlery z grzałką elektryczną czy piecyki olejowe lub gazowe. Ponadto w gospodarstwach rolnych także inne procesy produkcyjne wymagają dostarczenia ciepła, które może pochodzić z systemów kolektorów słonecznych.

Przygotowanie ciepłej wody użytkowej dla gospodarstw domowych

Właściwie w każdym gospodarstwie domowym można zainstalować system kolektorów słonecznych o ile posiada on odpowiednią powierzchnię dachu o wystawie południowej. Systemy kolektorów słonecznych mogą również wspomagać inne instalacje do podgrzewania wody użytkowej istniejące w gospodarstwie rolnym, np. kotły na biomasę ze zbiornikiem buforowym czy pompy ciepła.

Skala inwestycji w systemy kolektorów słonecznych powinna być oszacowana w oparciu o analizę zapotrzebowania na ciepłą wodę użytkową (o temperaturze 40 – 65°C) w gospodarstwie domowym. Zwykle inwestor nie dysponuje szczegółową wiedzą ile ciepłej wody zużywa w gospodarstwie, choć ogólnie przyjmuje się od 1,2 do 1,6 m2 kolektora na każdego domownika lub od 30 do 75 litrów ciepłej wody na domownika. Prawidłowe wyznaczenie skali inwestycji wraz z wyznaczeniem optymalnej pojemności zbiornika buforowego będzie decydowało o efektywności działania całej instalacji.

Przygotowanie ciepłej wody do mycia i pojenia zwierząt

Zużycie ciepłej wody użytkowej w dużych ilościach występuje w gospodarstwach mleczarskich, głównie w celu pojenia młodych cieląt oraz do mycia krów przed dojeniem. Systemy kolektorów słonecznych mogą zastąpić tradycyjnie używane do tego celu bojlery elektryczne zwiększając znacznie efektywność procesów.

Suszenie plonów rolnych

Systemy kolektorów słonecznych, a raczej specjalnie do tego celu przystosowane konstrukcje urządzeń, pozwalają na suszenie plonów z upraw roślin konsumpcyjnych. W warunkach polskich najlepiej do tego celu nadają się rośliny (np. zioła) lub owoce (np. suszone śliwki itp.), których zbiór przypada na miesiące letnie. Suszarnie słoneczne budowane są głównie w postaci kontenerowej o różnych rozmiarach, w zależności od ilości plonów do wysuszenia w danym gospodarstwie.

Ogrzewanie powierzchni szklarniowych

Uprawy szklarniowe mogą korzystać z energetyki słonecznej nie tylko w sposób bezpośredni tj. poprzez utrzymywanie cieplarnianych warunków dla upraw pod osłonami. Systemy kolektorów słonecznych pozwalają na magazynowanie ciepła za dnia, aby przekazywać je roślinom pod osłonami po zachodzie słońca, co pozytywnie wpływa na plonowanie upraw pod osłonami.

Chłodzenie

W ostatnich latach coraz popularniejsze stają się słoneczne systemy chłodzenia pomieszczeń, gdzie w instalacji wykorzystuje się system chłodziarek absorpcyjnych.

Kotły na biomasę

 

Rys. 7. Kotłownia na biomasę do ogrzewania upraw szklarniowych © Blue Flame Stoker

 

Wybór systemu grzewczego jest ważną decyzją ekonomiczną, której konsekwencje będą odczuwalne przez kilkanaście lat eksploatacji. Z drugiej strony gospodarz nie jest energetykiem i koncentrując się na gospodarstwie na ogół przyzwyczaja się do funkcjonującego rozwiązania i niechętnie zajmuje się jego późniejszą modernizacją, by na przykład ograniczyć koszty paliwa, którego cena znacznie wzrosła. W rezultacie wybierając rozwiązanie dla własnych potrzeb należy wziąć pod uwagę zarówno koszt zakupu kotła, jak i przyszłe koszty eksploatacji oraz oczekiwany komfort obsługi. Istotnym czynnikiem ryzyka są wspomniane zmiany cen paliw. W długim horyzoncie czasu najbardziej przewidywalne są ceny paliw lokalnie dostępnych, a takim paliwem jest biomasa. Należy również pamiętać o tym, że większość kotłów na biomasę ma możliwość stosowania paliw zamiennych i warto wziąć pod uwagę kotły elastyczne w tym względzie.

Jeszcze do niedawna w wielu gospodarstwach biomasa będąca pozostałością z cięć pielęgnacyjnych drzew owocowych była spalana na wolnym powietrzu jako odpad. Tymczasem można ją z powodzeniem wykorzystać do celów grzewczych. Tak coroczne cięcie drzew, jak i wymiana drzewostanu stanowi dodatkowy, niekiedy istotny surowiec w bilansie paliw gospodarstwa rolnego. W zależności od zastosowanej technologii kotła, ścięte gałęzie i konary rozdrabnia się do postaci wiórów oraz dodatkowo prasuje w peleciarkach.

Poniżej zestawiono zastosowania kotłów na biomasę w gospodarstwach rolnych o różnych profilach działalności:

Centralne ogrzewanie budynków mieszkalnych i przygotowanie ciepłej wody użytkowej

Kotły na biomasę z powodzeniem mogą dostarczać ciepło na potrzeby bytowe. Dobór mocy kotła c.o. wynika z kubatury ogrzewanych pomieszczeń oraz charakterystyki energetycznej budynku. Na przykład wskaźnik dla budynków dobrze zaizolowanych wynosi 70-80 W/m2, dla budynków starszych 100-120 W/m2. Normatywne zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową dla jednego mieszkańca to 120 l/dobę, rzeczywiste zużycie jest niższe, przyjmuje się wartości od 40 do 80 l/dobę. W przypadku wykorzystania kotła podgrzewania CWU należy nie tylko zwiększyć moc kotła, ale również uwzględnić w instalacji zbiornik akumulacyjny.

Suszenie plonów rolnych

Suszarnie wykorzystywane są w gospodarstwach rolnych w celu przygotowania ziarna do długookresowego magazynowania w silosach zbożowych. Aby ziarno mogło być zmagazynowane i nie uległo zepsuciu musi osiągnąć odpowiednią wilgotność (około 14-15%). Najwięcej ciepła potrzeba do suszenia kukurydzy mokrej (o wilgotności ok. 35% w momencie zbioru), a także zbóż i rzepaku zbieranych z nocy i godzinach porannych, gdy przy gruncie panuje wyższa wilgotność powietrza. Najczęściej wykorzystywanym paliwem do zasilania suszarni są bele słomy, do których przystosowane są komory spalania kotłów. Wydajność kotła może być dodatkowo wspomagana palnikiem na olej opałowy. Przykładowo: 10 ton kukurydzy mokrej może zostać wysuszona przy spaleniu 2-3 belek słomy (o masie 200-250 kg) i 100 litrów oleju opałowego.

Ogrzewanie obiektów szklarniowych

Systemy spalania biomasy wykorzystywanej w szklarniach są bardziej skomplikowane niż systemy zasilane paliwami kopalnymi i na ogół wymagają dodatkowych elementów poza prostym systemem grzewczym. Główne elementy systemu ogrzewania na biomasę zazwyczaj obejmują:

  • podajnik biomasy;

  • magazyn do składowania paliw;

  • kocioł do spalania biomasy;

  • wymiennik ciepła;

  • układ kominowy wraz z systemem wychwytywania cząsteczek lotnych;

  • oprzyrządowanie, sterowanie i systemy bezpieczeństwa;

  • awaryjne źródło ciepła;

  • sieć dystrybucji ciepła - rurociągi gorącej wody lub pary.

Istnieje wiele dostępnych metod ogrzewania szklarni. Jednym z najczęściej wykorzystywanych jest system ogrzewania z gorącą wodą. Korzyści z centralnego ogrzewania ciepłą wody i gorącą parą są ewidentne w szklarniach o dużej skali. Koszt instalacji centralnego ogrzewania jest co prawda wyższy niż punktowych podgrzewaczy, jednak w dłuższej perspektywie korzyści z jednostki centralnej znacznie przewyższają początkowe nakłady inwestycyjne. Systemy ogrzewania szklarni mogą być również stosowane do nawadniania wodą ciepła, aby uniknąć wstrząsu roślin od działania zimnej wody.

Gruntowe pompy ciepła

 

Ogrzewanie budynków pompami ciepła korzystającymi z gruntu

W przypadku montażu w domu pompy ciepła z poziomym gruntowym wymiennikiem ciepła oraz przy wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii w postaci energii geotermalnej, rolnik może uzyskać szereg korzyści:

  • koszty eksploatacyjne ogrzewania pompą ciepła zbliżone do opalania węglem;

  • całkowity brak emisji lokalnej zanieczyszczeń (tzw. niskiej emisji zanieczyszczeń);

  • niezawodna praca pompy ciepła i długa trwałość elementów składowych (żywotność pompy ciepła to ok. 20 lat, poziomy gruntowy wymiennik ciepła ok. 50 lat);

  • kompletnie bezobsługowa praca (np. brak wynoszenia popiołu, czyszczenia rusztu itd.);

  • ilość energii odnawialnej (OZE) przekazywanej przez pompy ciepła do budynku sięga od 75% do 80% całego ciepła przekazywanego przez pompę ciepła. Pozostała część energii służąca do napędu pompy ciepła nie jest zaliczana do OZE.

Ciepło jest pobierane z gruntu za pomocą pionowych i poziomych gruntowych wymienników ciepła. Ciepło jest zwykle rozprowadzane przez system hydrauliczny lub powietrzny. Gruntowe pompy ciepła mogą pracować bardzo efektywnie dzięki stabilnym i stosunkowo wysokim temperaturom gruntu.

 

Rys.8. Przykład instalacji z pompą ciepła korzystającą z z energii geotermalnej (poziome i pionowe gruntowe wymienniki ciepła - źródło BWP, PORTPC)

 

Pompy ciepła w obiektach inwentarskich; chlewnie i odzysk ciepła zawartego w gnojowicy

Zastosowanie pomp ciepła jest szczególnie korzystne w przypadku występowania ciepła odpadowego o niskiej temperaturze. Z taką sytuacją mamy do czynienia np. w chlewniach. Bilans ciepła w chlewni wskazuje, że aż połowa energii w postaci ciepła wydalana jest z chlewni wraz z gnojowicą. Głównym składnikiem gnojowicy jest w 90% woda o temperaturze bliskiej 20°C. Odzysk ciepła z gnojowicy przez pompę ciepła czyli jej schładzanie, ma szereg zalet i co najważniejsze nie wpływa negatywnie na stan zwierząt. Z kanału gnojowicy o powierzchni 1 m2 możemy odzyskać ok. 30 W darmowej mocy grzewczej. Oznacza to, że przy powierzchni 400 m2 kanału gnojowicy możemy odzyskać moc 12 kW, co daje przynajmniej moc 15 kW realizowaną za pompą ciepła (przy założeniu, że SPF[2]=5). Jest to wystarczająca ilość ciepła do ogrzania budynku mieszkalnego hodowcy. Dzięki wysokiej temperaturze gnojowicy można uzyskać niezwykle wysoką sezonową efektywność. W przypadku ogrzewania budynku instalacją niskotemperaturową np. z ogrzewaniem płaszczyznowym można uzyskać bardzo wysoką efektywność sezonową (tzw. współczynnik SPF wynosi powyżej 5). Oznacza to, że dostarczając jedną jednostkę energii elektrycznej do napędu pompy ciepła można otrzymać 5 jednostek ciepła. (4 jednostki ciepła pobierane są z gnojowicy). Kolejną istotną cechą jest wysoki komfort obsługi i całkowity brak lokalnej emisji zanieczyszczeń. Ważną kwestią jest również to, że w schłodzonej gnojowicy wolniej przebiegają procesy gnilne i tworzenie się gazów, takich jak: metan, dwutlenek węgla, siarkowodór, amoniak.

Nie bez znaczenia są też obecne trendy, które mogą nas przybliżyć do masowego stosowania pomp ciepła w polskich chlewniach (komasacja produkcji trzody chlewnej, chów bezściółkowy, zwiększanie populacji świń w gospodarstwie rolnym, itd.).

Inne zastosowania pomp ciepła korzystające z odzysku ciepła odpadowego

Pompy ciepła mogą mieć zastosowanie także w procesie gdzie emitowane jest ciepło odpadowe. Takimi źródłami ciepła będą suszarnie płodów rolnych, instalacje chłodnicze (np. wymienniki ciepła z chłodzenia mleka, chłodnie plonów rolnych), pryzmy obornika czy zużyte powietrze z budynków inwentarskich.

 
Bardziej szczegółowych informacji na opisany temat może udzielić Piotr Dziamski z Instytutu Energetyki Odnawialnej,

mail: pdziamski@ieo.pl,    www.ieo.pl

 

Przypisy:

[1] DJP - duża jednostka przeliczeniowa inwentarza (ang. LU, LSU - Livestock Unit) – umowna jednostka liczebności zwierząt hodowlanych w gospodarstwie, według polskich norm odpowiadająca jednej krowie o masie 500 kg. Używana jest m.in. do szacowania zapotrzebowania gospodarstwa na paszę.

[2] SPF (ang. Seasonal Performance Factor) określa efektywność pompy ciepła w warunkach rzeczywistych (na podstawie pomiarów). Współczynnik SPF jest definiowany jako zależność pomiędzy energią przekazywaną przez pompę ciepła (kWh), a energią elektryczną (w kWh) która jest dostarczona do sprężarki pompy ciepła w określonym okresie pracy. Najczęściej okresem dla obliczania SPF jest rok.

Wyszukiwarka
Kanał Youtube
 
Facebook
Zamknij

Ten serwis internetowy wykorzystuje pliki cookies.

Używamy informacji zapisanych za pomocą cookies m.in. do celów reklamowych i statystycznych. Mogą stosować je też współpracujące z nami firmy - m.in. reklamodawcy.

W przeglądarce internetowej, w której otwierasz nasz serwis możesz zmienić ustawienia dotyczące cookies.

Korzystając z tego serwisu bez zmiany ustawień dotyczących cookies wyrażasz zgodę na ich używanie i zapisywanie w pamięci urządzenia. Więcej informacji znajdziesz w Polityce prywatności.