Енергія з біомаси

1. ЕНЕРГІЯ БІОМАСИ

Біомаса - термін, який об'єднує всі органічні речовини рослинного і тваринного походження. Біомаса поділяється на первинну (рослини, тварини, мікроорганізми) і вторинну (відходи переробки первинної біомаси, продукти життєдіяльності людини і тварин).

До XIX століття в Росії біомаса була основним джерелом енергії. У країнах екваторіального поясу таке положення зберігається і понині. Її частка в енергобалансі країн становить 35%, у світовому споживанні енергоресурсів - 12%, в Росії - 3%. У Росії тільки 2 млн. сільських будинків мають мережевий газ, решта 12,6 млн. використовують для опалення дрова і вугілля.

У біомасі рослин, створюваної в процесі фотосинтезу, сонячна енергія запасається в хімічному, тобто в законсервованому вигляді. Для отримання біопалива можуть служити також будь-які органічні відходи: гній, відходи деревообробки та харчових виробництв. Біомаса за допомогою різних процесів може перероблятися як в рідке паливо (метанол, диз-паливо), так і в газоподібний.

Існують породи швидкозростаючих дерев і трав, які вже зараз вирощуються для потреб енергетики. У Білорусії проводилися дослідження по можливості вирощування швидкозростаючої верби. Виявилося, що потенційний урожай сухої маси становить 5,1 т / га на піщаних ґрунтах і 10,5 на торф'яних (для порівняння в Бельгії відповідно 7,5 і 11,7 т / га). Використання деревного палива доцільно при ціні на місці доставки не більше 60 дол за кубометр. Останнім часом з'явилися повідомлення про те, що вирощувати траву для енергетичних потреб вигідніше, ніж дерева.

На початку ланцюжка утворення будь-якої біомаси завжди знаходяться рослини як первинні виробники біопродукції. Якщо спалювання нафти, вугілля і природного газу випускає в атмосферу вуглекислий газ, який був давно «похований» в гірських породах і виключений з атмосфери, то спалювання палива з біомаси вивільняє лише ту кількість вуглекислого газу, яке рослини поглинули з атмосфери в процесі росту. Таким чином, сумарна кількість двоокису вуглецю, що відноситься до парникових газів, в атмосфері не збільшується і тим самим не вноситься внесок в глобальне потепління.

У Екобудинку енергія біомаси виділяється у вигляді вироблюваного біотуалетом тепла. У сільській місцевості за наявності достатньої кількості біомаси екобудинок може повністю перейти на енергопостачання з використанням біопалива.

Біомаса може спалюватися безпосередньо, або після розділення, наприклад рапсове масло додається до дизельного палива. Тверді види біомаси зазвичай піддають термохімічної конверсії (піроліз, газифікація, зрідження). Біотехнологічної конверсії піддають біомасу з великим вмістом вологи - відходи тваринництва, мулові опади очисних споруд з отриманням як рідкого, так і газоподібного палива.

Може виникнути запитання, навіщо, наприклад, переробляти в паливо деревні відходи, коли вони і так є паливом? Відповідь полягає в тому, ми отримуємо рідке чи газоподібне паливо, яке:
-горить більш чисто, з меншим виділенням шкідливих речовин;
-дозволяє легше здійснити автоматизацію процесів горіння;
-можна використовувати в двигунах або електрохімічних генераторах з отриманням не тільки тепла, але і електроенергії.

Травоїдні тварини досить погано засвоюють енергію рослинних кормів, більше половини її йде в гній, дозволяючи розглядати його не тільки як цінна сировина для органічних добрив, але і як рясний джерело відновлюваної енергії. Один кубометр біогазу має середню теплотворну здатність 6 кВт-ч/м3, що становить 60% від відповідної здатності природного газу. У перерахунку на одну корову це складе 10 кВт-ч/сут, на свиню - 2 кВт-ч/сут. У добре спроектованому енергоефективному будинку дві-три корови з надлишком покриють всі енергопотреби домогосподарства. Додатково від однієї корови виходить 12-14 тонн цінних органічних добрив на рік.

Існують як великі енергетичні установки на біомасі, здатні забезпечувати енергією цілі селища, так і дрібні, для окремого будинку або невеликої ферми. На обслуговування однієї селянської родини розрахована біогазова установка ІБГУ-1. У неї завантажується 200 кг органічних відходів з вологістю 85% щодня. Виробляє вона 10-12 м / сут. біогазу, з енерговмісту 70 кВт-год. Річний вихід екологічно чистих органічних добрив 72 тонни. Окупність установки менше півроку. Недоліком її є необхідність витрат електроенергії на її функціонування, відсутність в її складі електрогенератора. Існують аналогічні установки на 25 і більше голів худоби мають у своєму складі електрогенератори.

У Всеросійському НДІ електрифікації сільського господарства (ВІЕСХ) розроблена газогенераторна електростанція на рослинних відходах, що виробляє в годину 3,5 кВт-год електрики і 16 кВт-год тепла при споживанні 14 кг дров чи тирси. Там же розроблені та біогазові установки різної потужності, найменша з яких розрахована на 3 корови.

Біогазові установки використовуються досить широко. З досвіду відомо, що 20-25 корів дають гною достатньо для енергопостачання звичайного фермерського господарства. Якщо побудувати фермерську садибу по енергоефективним технологіям, можна буде обходитися і меншою кількістю корів.

У Китаї працюють більше 7 мільйонів домашніх біогазових установок малої продуктивності. У Росії продано аналогічних установок заводського виготовлення менше сотні. Фахівцями складена карта забезпеченості Росії одним з найважливіших видів біопалива - деревиною.

2. ТЕПЛОВІ НАСОСИ

Як це не дивно може здатися на перший погляд, можливо опалювати будинок, відбираючи тепло від холодного повітря, води або льоду. Всі речовини навколо нас підігріті сонцем до температури в три сотні градусів по абсолютній шкалі. У ньому міститься багато теплової енергії, але при трохи більш низькій температурі, ніж та, яка потрібна нам для опалення та гарячого водопостачання. Технічно її можна підвищити, подібно до того, як трансформатори підвищують напругу струму.

Задамося питанням: де більше тепла, у склянці окропу або в брилі льоду? Звичайно, руки про брилу льоду не погрієш, але тепла в ній, точніше, теплової енергії все ж більше. Тепло це - механічна енергія руху молекул, у окремої молекули в льоду вона менша, ніж в окропі, але сумарна енергія по всім молекулам більше. Оскільки в брилі льоду або в будь-якому іншому холодному тілі є енергія, можна поставити питання: чи не можна її якимось чином витягти? Виявляється, можна і такі пристрої є майже в кожному будинку.

Тепло мимовільно перетікає від гарячих тіл до холодних, але не навпаки, проте за допомогою додаткової витрати енергії, наприклад електричної або механічної, можна його змусити текти від холодних тіл до гарячих, подібно до того, як насос змушує текти воду вгору. За аналогією такі пристрої назвали тепловими насосами. Інакше кажучи, щоб перекачувати енергію проти напрямку її природного перебігу (від гарячих тіл до холодних), потрібно витрачати якусь іншу енергію, наприклад електричну. Це подібно до того, як людина ходить в ліс за дровами для печі. Щоб добути паливо, він сам витрачає енергію, але це виправдано, оскільки одержувана у вигляді дров запасена від сонця енергія більше витраченої на її доставку. Аналогічно і в тепловому насосі, на його привід затрачується енергії в 3 - 5 разів менше, ніж він дає у вигляді тепла (також, до речі, має першоджерелом сонце). Тобто на один кіловат витраченої енергії виходить 3-5 кіловат на виході насоса. Має тепловий насос не потрібно ходити в ліс за дровами, він отримує теплову енергію, запасені від Сонця в ґрунті, водоймі або повітрі.

Здавалося б, тепловий насос - це технічна дивина, яку рідко побачиш. Насправді ж звичайний побутовий холодильник працює і як тепловий насос. Холодильник - це завжди «гермафродит». Він не може охолоджувати в одному місці, не нагріваючи в іншому. Поторкайте його морозилку - холодильник, поторкайте задню панель - нагрівач. Те, що ми називаємо холодильником, не тільки охолоджує, але і нагріває. Це пристрій розводить температуру «по різні сторони барикад», тобто грубо кажучи робить, наприклад, з нуля градусів -20 і +20.

Якщо ми хочемо від цього пристрою побільше тепла, то треба морозилку збільшити в розмірах і винести на вулицю, з тим щоб збільшити охолоджуваний об'єм. Причому для роботи теплового насоса краще охолоджувати те, що «погарячіше». А що взимку погарячіше? Наші ж вентиляційні викиди та стоки (+16-18 ° С), ґрунт вже на глибині декількох метрів (+5-8 ° С), вода в річці або озері (+4-10 ° С) і т.д. У ці середовища і поміщають колишню морозилку, тепер іменовану випарним теплообмінником або збірником низько-потенційного тепла.

Для роботи теплового насосу потрібен підвід зовнішньої енергії, найчастіше електричної. Однак, на виході він дає енергії в кілька разів більше, ніж було витрачено (хоча це різні види енергії, їх можна міряти в одних одиницях), чим і визначається доцільність його застосування.

Ще краще, якщо нам потрібні одночасно і холод і тепло; в цьому випадку коефіцієнт трансформації (відношення отриманої енергії до витраченої) буде ще вище, до 6-8. Ще одна перевага теплового насоса в тому, що він може бути реверсивним: взимку гріти, влітку охолоджувати. Через цих корисних властивостей теплові насоси знаходять все більш широке застосування в усьому світі для опалення та гарячого водопостачання.

Таким чином, тепловий насос витягує тепло з повітря, ґрунтових вод і землі і вводить його в опалювальне кровообіг будинку. На відміну від сонячних колекторів теплові насоси не перетворюють безпосереднє сонячне випромінювання на корисне тепло, навпаки, вони черпають його там, де довгий час накопичувалося сонячне тепло - в глибинних шарах Землі, в грунтових водах і в навколишньому повітрі.

Подібно до того як робота водяного насоса полегшується при зменшенні висоти підйому води, ефективність теплового насоса піднімається при зменшенні температурного перепаду на вході і виході. Щоб отримати від тепло-насосу теплову енергію, треба затратити якусь іншу енергію на його привід. Закономірне питання, чи варта шкурка вичинки. Не завжди, але часто виявляється, що варто, тому що одержуваної енергії виявляється зазвичай у декілька разів більше, ніж витраченої. Ставлення одержуваної енергії до витраченої називається для теплового насоса коефіцієнтом трансформації. Для реально експлуатованих сучасних тепло-насосів він становить від 3 до 5 і більше. Цей коефіцієнт тим вище, чим менше різниця температури між холодним і «гарячим» тілами, між якими прокачується тепло. Тому з можливих тіл - джерел «холодної» теплової енергії вибирають ті, які «потепліше».

На вході будь-якого тепло-насоса розташований низькотемпературний теплообмінник для відбору тепла від холодної середовища, на виході - високотемпературний для віддачі теплової енергії при підвищеній температурі. У разі, якщо можливо організувати через вхідний теплообмінник потік речовини, його можна зробити менше за розмірами, що дешевше. Крім того, вигідно вибирати масив речовини для тепло відбору з максимально високою температурою. Цим умовам якраз задовольняє видаляється з приміщення вентиляційне повітря. Тому доцільно робити каналізованих видалення повітря (через спеціальний отвір з вентилятором) і ставити в його потік теплонасос або хоча б теплообмінник.

Уявний ККД тепло-насоса складає 300-500%. Це, на перший погляд, нагадує вічний двигун. Однак ніякого порушення фізичних законів тут не відбувається, оскільки енергія не виникає з нічого, а береться з навколишнього середовища, яка навіть взимку нагріта до високої температури в порівнянні з абсолютним нулем - до 253 градусів за Кельвіном (при -20 ° С). Поверхня Землі нагрівається в основному від сонця, отже теплові насоси відносяться до поновлюваних джерел енергії.

Питання про вигідність або невигідність застосування Тепло насосів одним тільки коефіцієнтом трансформації не вичерпується. В енергетиці існує таке поняття, як якість енергії. Чим легше конкретний вид енергії передавати, зберігати і перетворювати в інші, тим вище його якість. У цьому ряду найкращою вважається електрична енергія, найменш цінного - топлова. Для приводу тепло-насосів найчастіше використовується електроенергія, отримуємо ж ми теплову, тобто низькоякісну з високоякісної. Тому щоб таке перетворення було виправданим, коефіцієнт трансформації повинен бути достатньо високим. Сказане можна проілюструвати наступним прикладом. Нехай ми використовуємо тепловий насос з коефіцієнтом трансформації 3. Мережева електроенергія для нього виходить на ТЕЦ з ККД приблизно 35%, решта втрачається. Тоді немає особливого сенсу в тепловому насосі, простіше привезти паливо в будинок і спалити його з тепловим ККД 80-90%. Виграш від тепло-насосу в цьому випадку мінімальний, а сам він дорожче і складніше, у тому числі в експлуатації, ніж котел або піч. Однак ситуація зміниться, якщо ми припустимо, що теплова енергія на ТЕЦ не втрачається, а корисно використовується, наприклад, для опалення будівель. Для системної характеристики роботи тепло-насоса застосовується паливний показник ефективності, рівний відношенню отриманої теплової енергії до енерговмісту палива, витраченого на електростанції для приводу насоса. При величині цього показника порядку одиниці і вище, застосування тепло-насосів може бути виправданим. Таким чином, питання про принципову раціональності застосування тепло насосів виявляється залежним від побудови конкретного енергетичного циклу.

У всякому разі, тепло-насоси безумовно в кілька разів вигідніше, з точки зору ефективного використання енергії, ніж широко розповсюджені прямі електричні обігрівачі. При прямому нагріванні ми отримуємо з однієї одиниці електроенергії одну тепла, за допомогою тепло-насосу - три-п'ять. Тому прямий електронагрівник з позицій енергоефективності - надзвичайно енерговитратна, відстала технологія.

На вході і виході тепло-насоса можуть знаходитися речовини в різному агрегатному стані: твердому, рідкому, газоподібному. Відповідно і тепло-насоси класифікують за цією ознакою на повітро-повітряні, повітря-водяні, ґрунтовно-рідинні і т. д.

При конструюванні теплового двигуна намагаються отримати максимум механічної енергії при мінімумі витрат теплоти (палива), іншими словами, досягти найбільшого ККД. Тепло насос - та ж теплова машина; що і двигун і підпорядковується тим же фізичним законам. Тільки при конструюванні тепло-насоса цілі будуть зворотними - отримання максимуму теплоти при мінімумі витрат енергії на привід насоса. Максимальний теоретично можливий ККД теплового двигуна, як відомо з шкільного курсу фізики, дорівнює (Т1-Т2) / Т1, де (Т1-Т2) - різниця між максимальною і мінімальною температурами робочого тіла (при розрахунках температуру необхідно брати за шкалою Кельвіна: Т О К = Т ° С + 273). Відповідно максимальний теоретично можливий коефіцієнт перетворення (КП) тепло-насосу буде Т1 / (Т1-Т2), звідки випливає, що його ефективність тим вище, чим менше різниця температур Т1-Т2 на якій працює тепло-насос. Верхня межа температури Т1 задається одержувачем теплоти, якщо це, наприклад, підлогова система опалення, то це 35-40 ° С. Тіло чи середу-донора теплової енергії слід вибирати, з міркувань ефективності, «по гарячіше» - наприклад видаляється вентиляційне повітря (Т2 = 180 ° С) або ґрунт (на глибині> 3 м 6-8 ° С), воду в близькому водоймі (взимку не нижче 40 ° С). При цьому теоретичні КП будуть рівні відповідно 25, 13, 12. Реально досяжний КП буде нижче, у сучасних теплових насосів він невисокий, становить зазвичай 3-5, але має тенденцію до підвищення.

Побутові опалювальні тепло-насоси встановлюють зазвичай зовні будинку, подібно газових балонів, або в підвалі. Низькотемпературні системи опалення з температурою теплоносія 30-50 ° С забезпечують досить високі коефіцієнти перетворення тепло-насосів 3,5-5,0.

Застосування децентралізованих систем теплопостачання на базі теплових насосів дозволяє уникнути багатьох технологічних економічних та екологічних недоліків систем централізованого теплопостачання.

З технічної точки зору, за рідкісним винятком, навколо будь-якого житла достатньо ресурсів природної теплоти для економічно виправданого використання теплових насосів. Тому в економічно розвинених країнах теплові насоси для опалення впроваджуються зараз прискореними темпами і в масовому порядку. Число їх, вже встановлених в житловому секторі, вимірюється десятками мільйонів і продовжує швидко рости.Згідно з прогнозами Світового енергетичного комітету, до 2020 р. 75% комунального та виробничого теплопостачання в економічно розвинених країнах буде здійснюватися за допомогою теплових насосів.

У США 30% знову споруджуваних малоповерхових будинків оснащуються тепло-насосними установками. Розроблено ефективні технології і технічні засоби для відбору теплоти ґрунту

Діє ефективна система штрафів за викид С02 при спалюванні палива і заохочень за використання теплових насосів.

У Швеції близько половини тепла вже виробляється тепло-насосними установками. У Німеччині виплачуються найбільш великі дотації за використання тепло-насосів, за один кВт введеної теплової потужності з бюджету виплачується 300 марок. Світовий досвід показує, що енергетичні та екологічні проблеми з неминучістю приводять до необхідності широкого застосування теплових насосів.

Застосування теплових насосів в Росії більш актуально, ніж де б то не було ще, через безпрецедентною суворості її клімату. Однак число встановлених в опалювальних системах тепло-насосів вимірюється лише сотнями.

Як всяка теплова машина, тепловий насос звернемо, тобто при наявності двох мас речовини з різною температурою за рахунок тепло-потоку між ними за допомогою теплового насоса, що працює навпаки, можна отримувати електричну енергію. Таким чином, в деяких випадках тепло-насос може служити поновлюваним джерелом електроенергії. Теплові насоси влітку можна використовувати для охолодження приміщень, а вивільняється тепло може закачуватиметься в сезонні акумулятори.

3. ВИХРОВОГО ТЕПЛО-ГЕНЕРАТОРА

Останнім часом для опалення будівель успішно застосовуються так звані вихрові тепло-генератори. Влаштовані вони досить просто - складаються з електромотора, що обертає відцентровий водяний насос спеціальної форми. Вода в ньому закручується, завихряється і на виході з пристрою нагрівається. Саме чудове, що на виході теплоти виходить значно більше, ніж було витрачено електроенергії на привід пристрою. А це формально є порушенням закону збереження енергії. Авторів пристрою намагалися звинуватити у пропаганді лженауки і в підтасовуваннях. Але численні ретельні перевірки підтвердили факт того, що ККД пристрою може бути вище 100%, а в окремих випадках він може досягати 300%. Такі показники дозволяють рекомендувати ці генератори для опалення та гарячого водопостачання із застосуванням електроенергії.

Логічно припустити, що в цьому випадку ми маємо справу з новим фізичним феноменом, природу якого наука поки не з'ясувала. Можна навести з цього приводу висловлювання одного вченого XIX століття, про те, що незнання законів травлення не є для нього приводом для відмови від прийняття їжі. Дослідження біологів не виявили явного шкоди для живих організмів від роботи вихрових тепло-генераторів. Слід тільки з обережності розташовувати вісь обертання генератора таким чином, щоб вона не перетинала житлові приміщення. Втім, це справедливо і для будь-яких інших обертових пристроїв.

Відносним недоліком вихрових тепло-генераторів є те, що їх ККД непередбачуваний, він може виявитися для конкретного пристрою в конкретному місці як високим, так і не дуже. Підбір параметрів для досягнення високого ККД залишається поки мистецтвом, яким володіють лише небагато розробників.

4. МікроГЕС

На зорі періоду широкого будівництва гідроелектростанцій (ГЕС) вони пропагувалися не тільки як дешеві, але і як екологічно бездоганні джерела енергії. Практика їх експлуатації показала, що, навпаки, вони заподіюють значний екологічний збиток. Цей приклад вчить тому, що до будь-яких нових повідомленнях про відкриття рясних джерел нешкідливої ​​енергії, які, до речі, з'являються регулярно, слід ставитися з великим скептицизмом. У кожному випадку треба ретельно аналізувати можливі негативні наслідки. До цих пір не знайдено джерел енергії, використання яких не супроводжувалося б тими чи іншими небажаними ефектами. Мабуть, це закон природи і так буде й надалі. Пропаговані,  сонячні та інші ВДЕ також небездоганні, але перевага їх в тому, що вони завдають набагато менший збиток природі, ніж паливні або атомні електростанції. Ще один висновок, який звідси випливає, полягає в тому, що економити енергію чи підвищувати енергоефективність економіки та споживчої сфери актуально буде завжди.

На відміну від середніх та великих малі ГЕС можуть бути екологічно майже нешкідливими. Особливо це відноситься до сучасних станціях, а яких усунені багато недоліки, властиві старим конструкціям. Останнім часом на ринку з'явилися і мікроГЕС, які для початку роботи іноді просто достатньо занурити в річку. Вітчизняні гідрогенератори Для малих та мікроГЕС дуже досконалі і користуються попитом за кордоном. Малі та мікроГЕС, там де є можливість їх встановлення, є зручним енергоджерелом для Екобудинків і еко попоселень .

5. ІНШІ ТИПИ ВДЕ

Вище розглядалися найпоширеніші, широко доступні джерела відновлюваної енергії. Це не означає, що для енергопостачання еко будинку не можна використовувати й інші, більш специфічні ВДЕ, такі як геотермальні, приливні, хвильові, осмотичні і т.д., якщо для цього є можливості.

Площа, що вимагається для виробництва одиниці енергії за допомогою різних енергоджерел (з урахуванням допоміжних площ: шахт, рудників, водосховищ), наведена в таблиці нижче.

Огляд програм з розвитку ВДЕ в світі

Практичний успіх першої програми «1000 сонячних дахів" у Німеччині як відносно обраних технічних рішень, так і в частині економічних і правових механізмів реалізації, сприяв появі програм «70 000 сонячних дахів» в Японії, «100 000 сонячних дахів» в Німеччині, « Мільйон фотоелектричних установок »в Європейському союзі.

Практична реалізація сонячних енергетичних технологій в США почалася із середини 70-х років і активно розвивалася в наступні роки. У 1997 році в США була прийнята програма «Мільйон сонячних дахів», що передбачає установку сонячних енергосистем, фотоелектричних і теплових, на дахах одного мільйона муніципальних і приватних будинків до 2010 року.

Слідом за економічно розвиненими країнами програми розвитку та підтримки ВДЕ взяли і багато що розвиваються, зокрема Індія, Китай, Монголія. У Монголії прийнята програма «100 000 сонячних будинків (юрт)», в якій пріоритет віддається фотоелектричним установкам. Під патронажем ЮНЕСКО діє Всесвітня програма з сонячної енергетики на 1996-2005 рр..

У поширений набір методів стимулювання розвитку ВДЕ, широко застосовуваних у світі, входять: створення спеціальних програм і демонстраційних проектів, звільнення від податків або їх зниження, субсидування інвестицій, пільгові позики на інвестиції, прискорена амортизація, державне фінансування наукових розробок, закони, які зобов'язують енергокомпанії купувати енергію ВДЕ за підвищеними фіксованими цінами, встановлення екологічних податків на викопне паливо, мораторій на будівництво атомних електростанцій і т.д.

Урядом Росії з метою дотримання міжнародної пристойності прийнята програма розвитку ВДЕ, але вона дуже слабка. У ній, зокрема, не передбачено будь-яких дієвих заходів щодо стимулювання виробників та споживачів поновлюваних ВДЕ.

Економічність ВДЕ для екобудинку

В даний час вартість електроенергії, що виробляється на теплових станціях, що використовують викопне паливо, становить близько 7 центів за кіловат-годину. Дані про ціну сонячної електроенергії, що наводяться різними авторами в даний час, характеризуються значним розкидом. За одними даними, вони лише незначно перевищують ціни ТЕС, за іншими - перевищують їх у кілька разів. Краще йдуть справи з економічністю вітру-джерел, вироблювана ними енергія за вартістю наближається до «теплової» або навіть, по окремим повідомленнями, спускається нижче. Так, за вісімдесяті роки ціна вітром-електро-енергії, вироблюваної в США, зменшилася в десять разів і склала 7 центів. Це було досягнуто на морально застарілих установках. У США прогнозується у зв'язку з впровадженням нових вітро-установок зниження вартості їх енергії до 3,5 цента за кіловат-годину.

Слід зазначити, що у вартість енергії, одержуваної на традиційних джерелах, не включається вартість наносного при її виробництві екологічного збитку, тому пряме вартісне зіставлення з енергією відновлюваних джерел некоректно. З урахуванням же екологічні компоненти вартості сонячна і вітрова енергія економічно вигідніше традиційної вже зараз, і в майбутньому цей розрив буде тільки збільшуватися.

Оскільки виробництво установок для вироблення відновлювальної енергії вимагає використання певних ресурсів і в тому числі енергетичних, цілком законним є питання, чи буде використання в будинку ВДЕ з урахуванням всього їх циклу життя ресурсно і екологічно ефективніше традиційних енерго джерел? Дослідження, проведені по цьому питанню, дозволяють дати позитивну відповідь і стверджувати, що перевага ВДЕ перед традиційними енерго джерелами буде зростати.

Економія в будинку теплової енергії і води вимагає хоча й невеликого, але обов'язкового додаткового витрачання електроенергії. З цієї причини досягти суттєвого зниження витрат електроенергії (при збереженні звичайного способу життя) в енергоефективному будинку складно. У реально експлуатованих тепло-нулевих будинках споживання електроенергії не вдалося поки знизити більш ніж на 25%.

6. СИСТЕМИ акумулювання енергії

Як вже було зазначено, енергія від поновлюваних джерел надходить нерегулярно та не завжди непередбачувано, більш того, від сонячних колекторів вона надходить, як правило, в протифазі до графіка потреби в ній. Дійсно, енергії більше потрібно протягом року взимку і протягом доби в темний час, коли сонячні установки не діють. У зв'язку з цим виникає завдання акумулювання енергії, подальшого перетворення її та видачі в потрібний час у потрібній формі і кількості споживають пристроям. Це завдання залишається поки технічно більш складною, ніж просто отримання енергії, і не має ще досить економічних рішень. Завдання полягає у створенні ефективних і недорогих сезонних (місяці), середньострокових (тижня), і маневрених (дні, години) акумуляторів. Найбільшу важливість і труднощі становить створення сезонних акумуляторів, від яких потрібно збереження великої кількості енергії протягом декількох місяців для забезпечення зимового піку споживання.

Взимку в достатку холод, влітку - дешеве тепло. Якби вдалося створити економічні і ємні сезонні акумулятори енергії, можна було б обігріватися взимку літнім теплом, а влітку не ганяти даремно холодильники. Проте до цих пір досить ефективних і недорогих сезонних акумуляторів енергії створити не вдалося, і створення їх представляє актуальну, але непросту проблему.

У 80-х роках в Північній Європі при координації міжнародного енергетичного агентства здійснювалося понад тридцять проектів будівництва та дослідження сезонних акумуляторів тепла для опалювальних потреб.

Для роботи з повітряними геліо колекторами найбільш раціональними вважаються гравійно-галькові акумулятори. Вони дешеві, прості в будівництві. Гравійну засипання можна розмістити в тепло ізольованої заглибленій цокольній частині будинку. Тепле повітря нагнітається в акумулятор за допомогою вентилятора. Для будинку площею 60 м обсяг акумулятора становить від 3 до 6 м3. Система сонячного теплопостачання будинку з гравійно-галькові акумулятором може працювати в чотирьох режимах: опалення та акумулювання теплової енергії; опалення від акумулятора; акумулювання теплової енергії; опалення від колектора.

Вода володіє найбільшою питомою теплоємністю серед поширених речовин, тому дуже зручна як теплозберіч. Добові і тижневі тепло- акумулятори для одного будинку мають обсяги від одиниць до декількох десятків кубометрів і широко поширені. Однак сезонні водяні тепло-накопичувачі повинні мати місткість в сотні кубометрів, вимагають великих витрат на будівництво, тому відомі тільки як нечисленні експериментальні зразки.

Для сезонних тепло-акумуляторів критичні теплові втрати, які пропорційні їх поверхні. Зі збільшенням розмірів обсяг зростає кубічних, а поверхня квадратична, і відношення об'єму до площі поверхні збільшується, що робить великі установки більш ефективними. Тим не менш, проведені в ряді північно- європейських країн випробування водяних сезонних колективних тепло-акумуляторів виявили їх надмірно велику вартість і експлуатаційні витрати. Вартість акумулятора в Роттвайлі (600 м3) 700 Dm/м3, В Гамбурзі (4500 м3) - 400 Dm/м3, у Фрідрихсхафені (12 500 м3) - 250 Dm/м3. У нових акумуляторах, побудованих за принципом U-подібних зондів, вартість нижча, в Неккарсульмі (20 000 м3) вона становить 90-160 Dm/м3. Одне з недавніх нововведень - акумуляція тепла і холоду в підземних водоносних пластах. Метод успішно реалізується в Нідерландах, де є водоносні шари на глибині більше 15 метрів з низькою швидкістю течії води в 10 - 40 м / рік і температурою 10-13 ° С. Влітку в них по свердловинах закачується тепло, взимку - холод. Втрати тепла за сезон не перевищують 5-15%.

Продовжують розроблятися акумулятори на інших принципах, так перспективними для використання в будинках є тепло- акумулятори на фазових переходах, що використовують приховану теплоту плавлення. Таке акумулювання дозволяють здійснити ряд речовин, таких як хлористий кальцій, глауберова сіль, парафін, фосфат натрію, вуглекислий натрій та інші, що мають температуру плавлення в діапазоні 30 - 90 градусів. За енергетичною ємності в розрахунку на обсяг вони перевершують водяні акумулятори на порядок. Однак експлуатація таких акумуляторів сполучена з додатковими складнощами, пов'язаними з необхідністю очищення та періодичної заміни реагентів.

Більш перспективним напрямком є ​​використання ґрунтових акумуляторів. При їх пристрої безпосередньо під будинком вони можуть запобігти тепло-втрати будинку через стіни і підлогу фундаменту, крім того, вони можуть його безпосередньо обігрівати. Допустимі характеристики ґрунтових акумуляторів визначаються і лімітуються інженерно-геологічними умовами в місці будівництва. Так, наприклад, відомо, що глину можна нагрівати вище 25-40 градусів. Таким чином, ґрунтові акумулятори повинні бути низькотемпературними. Тепло з них можна витягувати у міру потреби як безпосередньо, так і за допомогою теплових насосів. При їх конструюванні необхідно вибирати рішення, які б враховували місцеві геологічні та гідрологічні умови і не порушували б їх надмірно. Ґрунтові тепло- акумулятори можна віднести до класу не тільки сезонних, але і багаторічних, так як в них можна накопичувати енергію протягом багатьох років. Зарядку їх можна виробляти під час літніх надлишків сонячної енергії.

Для середньо-та короткострокової утилізації, зберігання та видачі теплової енергії, найкращими є традиційні водяні акумулятори. Вода - речовина з унікальними властивостями, в тому числі з аномально високою теплоємністю, що робить її зручною і в якості тепло-зберігання. За допомогою теплообмінників в тепло-ізольований водяний акумулятор легко додавати зайве тепло, що утворюється при роботі різних пристроїв, і таким же чином відбирати його в міру потреби. Можливе застосування двоконтурних тепло- акумуляторів з водяним акумулятором в якості нижчому щаблі.

Однак теплова енергія, тим більше низькотемпературна, має обмежене коло застосування (терморегуляція приміщень, гаряче водопостачання) і погано перетворюється в інші види, що робить необхідним запасати енергію і в інших видах.

7. ВОДНЕВО ЕНЕРГЕТИЧНИЙ ЦИКЛ

У будинку доцільно мати невеликий короткоперіодний електро- акумулятор для узгодження коливань приходу і витрати енергії з періодом до декількох діб. Для цієї мети часто використовуються звичайні кислотні чи лужні акумулятори. Однак життєвий цикл (виробництво, експлуатація, утилізація) їх поки вельми неекологічний, оскільки пов'язаний з попаданням в навколишнє середовище великої кількості шкідливих речовин, у тому числі таких високотоксичних, як важкі метали. Недоліками сучасних електро- акумуляторів є і їх низький, порядку 50%, ККД і невеликий термін служби. Часом в Екобудинку без них не можна обійтися, але їх використання намагаються звести до мінімуму. Тому проблема розробки екологічного електро- акумулятора для еко будинку досить актуальна. Великі надії у справі автономного енерго- особливо електрозабезпечення житла фахівці покладають на даний час на водневу енергетику.

У природі широко поширений водневий енергетичний цикл, який, зокрема, використовується рослинами для фотосинтезу. Він перспективний і для еко будинку, оскільки водень як паливо зручний і для тривалого зберігання, і для отримання з нього електричної або високо потенційне теплової енергії. Вельми цінною властивістю водню є те, що його можна отримувати з води (електролізом), і після використання його в якості палива він знову перетворюється на воду, що дозволяє уникнути забруднення навколишнього середовища.

Зараз у стадії розробки знаходиться ряд технологій по прямому отриманню водню за допомогою сонячної енергії з використанням різних фотохімічних або фотоорганічних елементів, подібно до того, як це відбувається в рослинах при фотосинтезі. Однак переваги водню як енергоносія в будинку настільки значні, що навіть існуюча схема двоступінчастого отримання водню (електроліз води енергією, отриманою від фотоелектричних модулів) виявляється привабливою.

Великою перевагою є те, що водень можна акумулювати не тільки в стиснутому і зрідженому вигляді, але і в хімічно зв'язаному у метало-порошкових акумуляторах. Принцип роботи їх заснований на властивості деяких поліметалічних композицій поглинати в великих кількостях водень. Один з видів якого акумулятора являє собою ємність з нержавіючої сталі, заповнену сплавом титану, ванадію і заліза. Сплав має властивість виділяти при нагріванні чистий водень, навіть якщо він акумулювався з домішкою кисню і вологи. Таке зберігання водню виявляється досить безпечним.

Технологія створення метал-гідридних акумуляторів водню розвинена до теперішнього часу настільки, що ряд провідних автомобільних компаній оголосив про розробку перед-серійних зразків водневих автомобілів. Оскільки вагові, габаритні, цінові обмеження і критерії безпеки при розміщенні на автомобілях набагато жорсткіше, ніж в будинках або на ділянці поряд з ними, то ясно, що для застосування в побутових цілях метал-гідридних акумуляторів в даний час немає перешкод. Розрахунки показують, що метал-гідридні водневий акумулятор об'ємом 2-3 м3 здатний з лишком забезпечити енергопотреб одно квартирного енергоефективного будинку в  на опалювальний сезон.

Нещодавно з'явилися повідомлення про створення хімічних акумуляторів водню з використанням тонких вуглецевих волокон. Питома вагова ємність за воднем у них вище, ніж у метал-гідридних акумуляторів, більш ніж на порядок. Якщо на їх основі вдасться створити прийнятну практично конструкцію, це буде великим успіхом у вирішенні проблеми створення сезонних акумуляторів.

Джерелом електроенергії для отримання водню, крім сонячних батарей, можуть бути вітрові установки. Перші вітрові електростанції з використанням водню для акумуляції енергії були побудовані в Росії ще в тридцятих роках. Якщо будинок розташований у вітряному районі, що нерідко буває на морських узбережжях, вітроагрегати, що працюють на вироблення водню, можуть не тільки повністю задовольнити всі енергопотреби будинку, але і забезпечити заправку переведеного на водневе паливо автомобіля.

8. ЕЛЕКТРОХІМІЧНІ ГЕНЕРАТОРИ

Реакція горіння полягає в тому, що електрони відриваються від атомів палива і з великою енергією падають на атоми кисню. Рух електронів - це електричний струм, при горінні він протікає безладно і його енергія йде на нагрівання реагують речовин, що і є причиною появи високої температури і полум'я. Але можна здійснити і так зване холодне горіння, коли потік електронів буде впорядковано протікати від атомів речовини-палива до кисню по металевим проводам. Енергію ж протікає по ній струму можна використовувати звичайним порядком, як і енергію будь-якого струму. Такі пристрої відомі як паливні елементи (ПЕ) або електрохімічні генератори. ТЕ були створені ще в 1839 році, відразу після відкриття Фарадеєм електролізу води, яка після пропускання струму розкладалася на дві складові - водень і кисень. У ТЕ йде зворотний процес: при підведенні до одного з електродів палива, а до іншого кисню, виникає електричний струм. За таким принципом працюють батарейки. Різниця в тому, що окислювач закладений в батарейку на весь термін її служби, а у ПЕ він (кисень) так само, як і паливо (водень), постійно підводяться.

За оцінкою фахівців, уже найближчим часом почнеться витіснення існуючої енергетики батареями ТЕ, розміщеними в безпосередній близькості від споживачів. Не в останню чергу це диктується бажанням убезпечити себе від великого збитку при терористичних і військових нападах.

Перше практичне застосування «нове» хімічне джерело струму знайшло у космосі, незважаючи на те, що був відкритий більше 150 років тому. Паливний елемент володіє найвищими питомими характеристиками і ККД від 40 до 70%. У ньому немає переміщаються деталей, він майже безшумний і крім електроенергії виробляє тепло і воду.

Практичне використання паливних елементів почалося в 60-х роках XX століття з їх застосування на борту космічних кораблів. Американська корпорація United Technology затратила на розробку ТЕ за проектом «Аполло» близько 100 млн. доларів (потужність створеної бортовий установки - 2,5 кВт). У 1977 році та ж корпорація виготовила і зазнала установку мегаватної потужності, а на початку 80-х років в Нью-Йорку була змонтована електростанція на 4,5 МВт для широкомасштабної демонстрації переваг «нового» способу отримання електроенергії. Ми є свідками перших кроків комерційного використання ТЕ.

Біохіміки встановили, що біологічний воднево-кисневий паливний елемент «вмонтований» в кожну живу клітину. Джерелом водню в організмі служить їжа - жири, білки і вуглеводи. У шлунку, кишечнику, клітинах вона в кінцевому рахунку розкладається до мономерів, які, в свою чергу, після ряду хімічних перетворень дають водень, приєднаний до молекулі-носія. Кисень з повітря потрапляє в кров через легені, з'єднується з гемоглобіном і розноситься по всіх тканинах. Процес з'єднання водню з киснем становить основу біоенергетики організму. Тут, в м'яких умовах (кімнатна температура, нормальний тиск, водне середовище), хімічна енергія з високим ККД перетвориться в теплову, механічну (рух м'язів), електрика (електричний скат), світло (комахи, що випромінюють світло). Людина в котрий раз повторив створене природою пристрій одержання енергії. В той же час цей факт говорить про перспективність напрямку. Всі процеси в природі дуже раціональні, тому кроки по реальному використанню ПЕ вселяють надію на благополучне енергетичне майбутнє.

Паливні елементи можуть працювати не тільки на водні, але і на багатьох видах вуглець-водневого палива, в тому числі і рідкому, наприклад на метанолі, що виробляється з рослинної біомаси. В якості окислювача може використовуватися повітря.

Паливні елементи перспективно використовувати для перетворення запасеного водню в електричну енергію. Електричний ККД паливних елементів може досягати 70%, інша енергія виділяється у вигляді тепла, яке в будинку може утилізуватися в тому чи іншому тепло-акумуляторі. Зараз на практиці електричний ККД ЕХГ досягає 40-50%. Поки ще вони порівняно дорогі (7500-10 000 дол за встановлений кіловат, до 2003 року очікується - 4000), мають невисокий робочий ресурс, та інші експлуатаційні недоліки. Однак уже в найближчі роки році очікується початок їх впровадження на ринок комбінованих енерго- генераторів для будівель. На думку західних аналітиків, ЕХГ в близькому майбутньому займуть місце головних джерел енергії для окремих будинків і селищ.