Inspiracją do napisania niniejszego artykułu stały się różnego rodzaju publikacje stwierdzające, że "wybudowany zostanie w pełni pasywny blok komunalny oparty o pompy ciepła zasilane fotowoltaiką". Intuicyjnie czujemy, że są to stwierdzenia, które nie do końca będą pokrywać się z prawdą, wszak nie jest możliwe, aby w noce trwające 15-16 godzin fotowoltaika dostarczała jakiejkolwiek energii, tym bardziej do celów grzewczych, zwłaszcza, że im zimniej, tym temperatury czynnika grzewczego coraz wyższe, a sprawność pomp ciepła spada.
Natomiast z doświadczenia życiowego wiemy, że mogą zdarzyć się "zimni ogrodnicy" w maju i wtedy rzeczywiście jest możliwe, że potrzeby grzewcze wystąpią i jednocześnie będzie dostatecznie dużo energii fotowoltacznej. Zatem w niniejszej publikacji odpowiemy, w jakim stopniu jest możliwe, aby fotowoltaika zasilała pompy ciepła.
Przyjęto roczny, uporządkowany wykres temperatur zewnętrznych za rok 2022, patrz rys.1.
Na rysunku 1 pokazuje się także roczny, uporządkowany wykres zapotrzebowania na energię elektryczną (wyłącznie) do celów grzewczych w badanym roku. Jako 100 % przyjęto zapotrzebowanie przy najniższej odnotowanej temp. zewnętrznej wynoszącej -11,2 °C w dniu 19 grudnia 2022 o godz 8:00.
Przy podanej temperaturze najniższej założono sprawność pompy ciepła na poziomie 1,66. Przy temperaturze 14,9 °C (tuż przed wyłączeniem ogrzewania) założono sprawność 5,32. Wykres przyjętego COP pokazuje się na rysunku 2. Wykres jest złożeniem wykresu wymaganej temperatury wody grzewczej i wykresów sprawności pomp ciepła COP.
Dla dalszych obliczeń przyjęto, że maksymalna, szczytowa moc fotowoltaiki netto wynosi tyle samo, ile maksymalne zapotrzebowanie na energię elektryczną do celów grzewczych w danym roku. A zatem 100 % mocy do ogrzewania przy tz=-11,2 °C zostałoby dostarczone przez pompę ciepła, gdyby w tym czasie 100 % mocy było generowane przez fotowoltaikę (jak wiemy, w rzeczywistości taka generacja jest możliwa w południe, gdzieś w okolicach czerwca).
Wyniki obliczeń prezentuje się na rysunku 3, na którym pokazujemy roczny, uporządkowany wykres udziałów mocy fotowoltaiki w stosunku do zapotrzebowania na moc do celów grzewczych.
Jak widać na rys.3, w trakcie sezonu grzewczego trwającego 5747 godzin fotowoltaika może dostarczać energię do celów grzewczych przez godzin 2621. Przy czym tylko przez 1209 godzin jej generacja wynosi 100 % i więcej, ponad zapotrzebowanie. Ale ostatecznie liczy się nie czas mierzony w godzinach, a pole pod wykresem: tu, pole oznaczone kolorem żółtym wynosi 27,7 %.
A zatem, podsumowując: fotowoltaika może dostarczyć nieco poniżej 1/3 energii elektrycznej do celów wyłącznie grzewczych. Jest to i tak zaskakująco dużo (wszak potrzeby grzewcze występują przede wszystkim wtedy, kiedy słońca nie ma), ale z całą pewnością w oparciu o taki konstrukt nie można formułować stwierdzeń o możliwości budowy instalacji "w pełni odnawialnych, ekologicznych, pasywnych, etc." Od 27 % do 100 % niestety jest bardzo daleko.
Pompy ciepła mają ogromne znaczenie w likwidacji niskiej emisji w dzielnicach tradycyjnie najbrudniejszych, tj. dzielnicach zabudowy indywidualnej, i pod tym względem są jak najbardziej pożyteczne. Jest też możliwe, że część energii elektrycznej dostarczanej z zewnątrz rzeczywiście będzie zielona, np. będzie pochodziła z wiatraków, i wtedy rzeczywiście będzie to zgodne z celami klimatycznymi. Ale, abyśmy nie mieli złudzeń, w zimowe dni pochmurne i bezwietrzne (i oczywiście długie, zimowe noce) energia elektryczna do pomp ciepła będzie pochodzić albo z węgla, albo (w przyszłości) z elektrowni atomowych. Jest to korzystne dla środowiska, albowiem najbardziej szkodliwa emiska niska zostanie przeniesiona na emisję zorganizowaną, z którą właściwie nie ma problemu, oprócz problematyki CO2.
Propozycje całkowitej zamiany wszystkich instalacji grzewczych na zasilanie pompami ciepła autor uważa za nieodpowiedzialne. Chodzi o bilans mocy szczytowej: są to krótkie okresy czasu, ale okresy wymagające mocy nieproporcjonalnie dużych. Wg. projektantów nie opłaca się wymiarować pomp ciepła na okresy szczytowe (i słusznie, mowa o 3-8 dniach na rok), bilans mają wtedy uzupełnić zwykłe grzałki elektryczne. Szkopuł w tym, że problem zostaje przeniesiony na skalę zapotrzebowania całego kraju. Czy mielibyśmy tylko na zimę budować elektrownie atomowe, które miałyby pracować tylko 2 miesiące w roku, "bo poza tym, to już właściwie od końca lutego fotowoltaika da radę" ? Proszę nie ulegać złudzeniom, że problem jest nieistotny, bo pompy ciepła mają bardzo małe moce rzędu 1-10 kW. W skali całego kraju likwidacja wszystkich elektrociepłowni miejskich, oraz kotłów węglowych, gazowych i olejowych oznaczałaby przyrosty zapotrzebowania na moce elektryczne porównywalne z mocą całego obecnego systemu.
Likwidacja elektrociepłowni miejskich jawi się tu, jako całkowicie absurdalna: przecież one dostarczają energię elektryczną wtedy, kiedy zimno, czyli wtedy, kiedy najbardziej potrzebujemy jej do pomp ciepła na "terenach wiejskich".
Nadzieją energetyki odnawialnej mają być magazyny energii, szczególnie magazyny bateryjne, spróbujmy odpowiedzieć na pytanie, jakie magazyny byłyby tu potrzebne.
Wykonano symulację, w której, jeśli jest nadwyżka energii z fotowoltaiki ponad zapotrzebowanie do celów wyłącznie grzewczych, to jest ona przekazywana na magazyn, jednak ze współczynnikiem 0,85. To wielkość przyjęta arbitralnie, ma reprezentować łączne straty procesu ładowania i rozładowania baterii. (Jest bardzo mało dostępnych publikacji na ten temat, tym się producenci nie chwalą, straty te są złożeniem strat w baterii i ładowarkach, przy czym w małych ładowarkach są znacznie większe, niż przyjął autor. Tym bardziej brak publikacji na temat strat upływności wynikłych z półrocznego przechowywania energii w bateriach). Niemniej jest jasne, że 100% energii skierowanej na magazyn w magazynie się nie znajdzie.
Na rys.4. Pokazuje się chronologiczny przebieg nadwyżki energii z fotowoltaiki ponad zapotrzebowanie pompy ciepła za rok 2022. Mowa o instalacji, która przy tz=-11,2 °C potrzebuje 8,7 kWt mocy cieplnej, czyli 5,3 kWe mocy elektrycznej, a miałaby być zasilana fotowoltaiką, która w czerwcu w południe może generować 5,3 kWe mocy elektrycznej.
Proszę nie dać się zwieść przyjemnemu marketingowo wykresowi nadwyżki w kolorze żółtym. W małej skali wykresy zawsze się zlewają uniemożliwiając prawidłową analizę. Proszę spojrzeć na rys. 5, gdzie rozciągnięto okres od 1 do 7 marca 2022. Południowe piki generacji fotowoltaicznej są duże, ale w tym czasie zapotrzebowania grzewcze schodzą do minimum. Liczy się pole energii pod wykresem, a nie śledzenie obwiedni po maksimach generacji słonecznej! Jak to widać na rys.5 na dole, w badanym okresie pola niedoboru są większe od pól nadwyżki generacji fotowoltaicznej nad zapotrzebowaniem pompy ciepła.
Współczynnik korelacji Pearsona między zapotrzebowaniem pompy ciepła, a mocą fotowoltaiki obliczony na danych godzinowych (2x8760 h) za rok 2022 ma wynosi -0,35 i rysunek 5 znakomicie ilustruje. Nie jest to pełne minus 1, (wszak chłodny front atmosferyczny może nadejść w godzinach przedpołudniowych), jednak jest to wsp. o wartości ujemnej. Nie znajdując innego sposobu na wytłumaczenie apologetom energetyki odnawialnej słabości fotowoltaiki powtarzamy do znudzenia, że zimno jest wtedy, kiedy słońca nie ma.
Przebieg wymaganego zapasu magazynowego dla instalacji grzewczej opartej na fotowoltaice, pompie ciepła i magazynie bateryjnym pokazuje się poniżej, na rysunku 6.
Wartość początkowa zapasu to 2275 kWh, końcowa 2395 kWh (patrząc na skalę potrzeb - wielkości prawie równe). Wartość minimalna 0 kWh - dopuszczono do pełnego rozładowania w chwili największego zapotrzebowania na cele grzewcze. (W rzeczywistości jest to niemożliwe, nie wiemy, czy zimą najmniej będzie -11 °C przez godzinę, czy też -13 °C przez kilkadziesiąt godzin. Pełne rozładowanie magazynu można założyć tylko w celach badawczych). Wartość maksymalna zapasu 4352 kWh, ale ze świadomością, że musi być ona większa od podanej wartości teoretycznej, ponieważ w okresach szczytowych gospodarz nie może drżeć ze strachu, że "jedzie na rezerwie" i za chwilę jego rodzina zamarznie.
Dla porównania wymaganą pojemność baterii magazynującej prąd z fotowoltaiki do celów grzewczych przeliczymy na ilość baterii dla samochodu Tesla Model 3, są to baterie o pojemności 82 kWh. A zatem, dla instalacji o szczytowej mocy fotowoltaiki 5,3 kW i szczytowym poborze pompy ciepła 5,3 kW wystarczy, abyśmy posiadali magazyn bateryjny o pojemności 4352 kWh, tj. 54 sztuki baterii Tesli i będziemy mogli się cieszyć posiadaniem instalacji w pełni odnawialnej, niezależnej od dostawy energii z sieci zewnętrznej.
Drodzy państwo, tego nie można skwitować jakimś eufemizmem o "nazbyt optymistycznych założeniach", czy też opisach zawierających "pewne nieporawidłowości". Zasady fizyki są bezlitosne: magazynowanie dużych ilości energii zawsze będzie wymagało dużych, a więc odpowiednio kosztownych instalacji. Dla porównania: 4352 kWh to około 950 kg węgla 22 GJ/t dla kotła o sprawności 0,75. Postęp jest widoczny, albowiem już nie kilka ton węgla, a zaledwie równoważnik 1 t węgla musimy mieć na zapasie, ale jednak musimy. Szkopuł w tym, że węgiel jest koncentratem energii łatwym w obsłudze i dla jego magazynowania potrzebna była komórka w piwnicy i łopata. W przypadku magazynowania po stronie energii elektrycznej potrzebny jest skomplikowany zestaw urządzeń.
Krytyce poddaje się artykuł W Mysłowicach powstaje jeden z najnowocześniejszych budynków w Polsce, opublikowany na łamach Tygodnika Śląsko-Dąbrowskiego NSZZ "Solidarność" (Katowice 20.04.2023/Nr 8/2023) w ramach działu "Ekologia i Rozwój" na stronie 6 czasopisma. Jest to o tyle zdumiewające, że na swoich łamach pismo to poświęca bardzo dużo na uwagi na krytykę niektórych absurdów polityki klimatycznej. Krytykę słuszną. Niektóre zielone pomysły na prawdę są oderwane od rzeczywistości.
Krytykowany artykuł został dofinansowany ze środków Wojewódzkiego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej w Katowicach. Pół biedy, jeśli tego rodzaju publikacje są dokonywane przez nazbyt rozentuzjazmowanych zwolenników energetyki odnawialnej. Ale urzędnicy państwowi, czy też samorządowi pracują za środki publiczne, a zatem ich wypowiedzi muszą być wyważone. Osoba mniej wprawna w obliczeniach energetycznych po lekturze krytykowanego tekstu z łatwością zostanie wprowadzona w błąd i zapewne dojdzie do wniosku, że aby rozwiązać problemy energetyczne wystarczy np. zainstalować więcej fotowoltaiki, a w przyszłości wynalezione zostaną odpowiednio tanie, pojemne i sprawne baterie. Tego niestety nie wiemy, a wszystko, co wiemy świadczy przeciwko temu. 9 czerwca 2023. Rev. 13 czerwca 2023.