Toplotne pumpe + solarna energija iz fotonaponskih elektrana: Hibridni sistem koji je budućnost grijanja i hlađenja

Kombinacija fotonaponskih sistema i toplotnih pumpi omogućava visok nivo energijske efikasnosti i smanjenje troškova energije.

Fotonaponske elektrane (FNE) i toplotne pumpe predstavljaju ključne tehnologije u tranziciji ka održivim energijskim sistemima. FNE koriste sunčevu energiju za proizvodnju električne energije bez emisija štetnih gasova, što ih čini pogodnim za kućne, komercijalne i industrijske primjene. S druge strane, toplotne pumpe efikasno koriste energiju iz okoline (zraka, vode ili tla) za grijanje i hlađenje prostora, kao i za pripremu potrošne tople vode uz minimalni utrošak električne energije za pokretanje rada kompresora.

Kombinacija fotonaponskih sistema i toplotnih pumpi omogućava visok nivo energijske efikasnosti i smanjenje troškova energije, posebno kada se električna energija proizvedena tim fotonaponskim panelima koristi direktno za rad toplotne pumpe. Ovakav hibridni sistem doprinosi smanjenju zavisnosti od fosilnih goriva i povećava energijsku nezavisnost korisnika.

Početna investicija u hibridni sistem (toplotna pumpa + FNE) za prosječne rezidencijalne i/ili poslovne objekte

Vrijednost početne investicije za ugradnju hibridnog sistema ovisi o različitim faktorima, od čega su najznačajniji tip toplotne pumpe, kao i količina neophodnih pratećih radova i korekcija na postojećem sistemu, kada je riječ o prelasku na sistem grijanja/hlađenja na bazi obnovljivih izvora energije, u ovom slučaju toplotne pumpe, te položaj i nagib krova za potrebe ugradnje FNE kao i vrsta fotonaponske opreme koja se ugrađuje. Za potrebe proračuna, pretpostavljeno je korištenje toplotnih pumpi zrak-voda. Pored toplotnih pumpi zrak-voda, za pokrivanje toplotnih potreba komercijalno-poslovnih objekata toplotne pumpe zrak-zrak predstavljaju često birano rješenje. Zbog kompleksnosti izvedbe i nedostupnih uslova za ugradnju u većini područja, toplotne pumpe zemlja-voda i voda-voda se uzimaju u razmatranje za ugradnju u manjem obimu. Prosječna vrijednost investicije za ugradnju toplotne pumpe zrak-voda izlazne snage 20 kW na postojeći sistem je u rasponu od 22.000,00 KM do 32.000,00 KM za prosječne rezidencijalne objekte pretpostavljene površine cca 250 m². Prosječna vrijednost investicije za ugradnju FNE u objekte navedene površine je u rasponu od 12.000,00 KM do 15.000,00 KM za FNE instalirane snage 5 kW – 8 kW. Kada je riječ o prosječnim industrijskim objektima pretpostavljene površine cca 650 m², vrijednost investicije u ugradnju toplotne pumpe izlazne snage 50 kW je u rasponu od 45.000,00 KM do 60.000,00 KM, dok je prosječna vrijednost investicije za ugradnju FNE u rasponu od 60.000,00 do 80.000,00 KM za FNE snage 40 kW – 60 kW.

U slučaju da je za posmatrane objekte predviđen i sistem aktivnog hlađenja putem ventilokonvektora, investicioni troškovi za ugradnju toplotne pumpe, uključujući i neophodnu zamjenu postojećih grijnih tijela, te korekcije na sistemu, su veći i do 50% u odnosu na vrijednost investicije za ugradnju toplotne pumpe na postojeći sistem grijanja.

Može li kombinacija toplotne pumpe i FNE svesti račune za električnu energiju približno nuli?

Za sve koji razmišljaju o ugradnji hibridnog sistema, uštede koje je moguće ostvariti su jedan od kriterija koji je najvažniji. Pojedinačno, posmatrajući godišnji utrošak električne energije za pokretanje toplotne pumpe zrak-voda u svrhu grijanja i hlađenja prosječnog rezidencijalnog objekta površine 250 m² u području kontinentalne klime, uočen je značajno veći utrošak električne energije u grijnoj sezoni, shodno većim gubicima toplote u zimskom periodu u odnosu na prilive toplote u ljetnom periodu, a samim tim i nešto nižim stepenom iskorištenja toplotne pumpe u najhladnijim zimskim danima.

Kombinovanjem ova dva sistema u hibridni model, moguće je značajno smanjiti račune za električnu energiju, pa čak ih svesti približno nuli. Uvođenjem sistema prosumera, višak električne energije proizveden u ljetnim mjesecima šalje se u elektroenergetsku mrežu, dok se zimi, kada proizvodnja iz FNE opada, povlači potrebna energija iz mreže. Ukoliko nije u razmatranju sistem prosumera, u periodu od 9 do 10 mjeseci je moguće sa FNE u potpunosti pokriti potrošnju električne energije korištenjem toplotne pumpe. Na taj način se postiže balans između proizvodnje i potrošnje, što omogućava maksimalnu energetsku samostalnost i minimalne troškove za korisnika.

Isplativost ulaganja u ovakvu tehnologiju i period povrata investicije

Ne uzimajući u obzir subvencije iz različitih izvora za sufinansiranje projekata ovog tipa, prosječan period povrata investicije za ugradnju hibridnog sistema u postojeće objekte umjesto pretpostavljenog kotla na prirodni plin je od 9 do 18 godina za rezidencijalne stambene objekte, ovisno o ranije pomenutim eventualnim potrebama za dodatnim investiranjem u postojeći sistem i potencijalnim korištenjem toplotne pumpe i za pripremu potrošne tople vode, dok je za industrijske poslovne objekte pod jednakim pretpostavkama period povrata investicije za ugradnju hibridnog sistema od 6 do 10 godina. Indikativno, shodno većim toplotnim potrebama, period povrata investicije u sisteme ovog tipa je kraći u odnosu na objekte sa manjim potrebama za električnom energijom za pokretanje sistema.

U slučaju ugradnje hibridnog sistema u novoizgrađene objekte, za prosječan rezidencijalni objekat površine 250 m², pretpostavljene godišnje uštede korištenjem FNE za proizvodnju električne energije za pokretanje toplotne pumpe iznose oko 1.250,00 KM, a uzimajući u obzir predviđeni rast cijene električne energije za period od 10 godina, pretpostavljene godišnje uštede dostižu vrijednost i do 2.200,00 KM.

Značaj subvencije za investiciju u hibridni sistem FNE i toplotna pumpa

Investicije ove vrste su relativno brzo isplative i bez dodatnih subvencija, međutim, ukoliko u obzir uzmemo i dodatne subvencije čiji se iznosi kreću i do 60% u odnosu na ukupnu vrijednost investicije, jednostavni period povrata investicije je značajno kraći. Prema tome, prosječan period povrata investicije za ugradnju hibridnog sistema sa subvencijom u iznosu od 50% je od 5 do 10 godina za postojeće rezidencijalne stambene objekte, ovisno o ranije pomenutim eventualnim potrebama za dodatnim investiranjem u postojeći sistem, dok je za industrijske poslovne objekte pod jednakim pretpostavkama period povrata investicije za ugradnju kombinovanog sistema od 3 do 5 godina.

Kada je riječ o novoizgrađenim objektima, obzirom da je kako je i ranije navedeno evidentan trend porasta cijene električne energije, očekivane godišnje finansijske uštede korištenjem hibridnog sistema će biti značajno veće i period povrata značajno kraći.

Efikasnosti sistema tokom različitih sezona (ljeto/zima)

Stepen efikasnosti sistema grijanja/hlađenja koji kao izvor energije koristi toplotne pumpe zrak-voda je u direktnoj korelaciji sa radnom temperaturom sistema i spoljnom temperaturom u zimskom i ljetnom periodu. Pod pretpostavkom da smo izvršili adekvatnu prilagodbu postojećeg sistema radnim uslovima koji odgovaraju toplotnoj pumpi, značajan utjecaj na efikasnost sistema će imati geografsko područje i klimatski uslovi koji vladaju u istom.

Kada se posmatra proizvodnja električne energije iz FNE, ona je najveća u ljetnim mjesecima (juni-septembar) zbog dužine trajanja dana, iako je efikasnost fotonaponskih panela nešto manja zbog visokih temperatura.

Posmatrajući hibridni sistem, sa dijagrama se može zaključiti da je za period od marta do oktobra potrošnja električne energije za korištenje toplotne pumpe za grijanje i hlađenje u potpunosti pokrivena vlastitom proizvodnjom električne energije iz FNE. Ukoliko se koristi sistem prosumera, potrošnja električne energije za rad toplotne pumpe bi u potpunosti bila pokrivena radom FNE, te efikasnost hibridnog sistema u tom slučaju iznosi 100%.

Šta se dešava kada nema sunčeva zračenja – hoće li hibridni sistem i dalje raditi?

Energijski najefikasniji način upravljanja sistemom u periodima kada nema dovoljno sunčeve energije jeste putem tzv „Time of Use“ strategije. Time of Use strategija se bazira na programiranju rada toplotne pumpe prema različitim tarifnim obračunima utroška električne energije. Kako bi se postigao maksimalan efekat efikasne proizvodnje toplotne energije, neophodna je instalacija akumulacionog spremnika koji će omogućiti skladištenje viška toplotne/rashladne energije koja je proizvedena u povoljnijim tarifnim uslovima, kako bi se ista mogla iskoristiti u periodima manje dostupne sunčeve energije. Korištenjem EMS (Energy menagement system) je moguće imati egzaktnije podatke o potrošnji električne energije iz FNE za rad toplotnih pumpi te na taj način postići bolje upravljanje radom hibridnog sistema.

Izbjegnute CO₂ emisije implementacijom hibridnog sistema

Ovisno o prethodno korištenom energentu za zagrijavanje objekata pretpostavljenih karakteristika, načinu upravljanja sistemom i realnim potrebama za grijanjem i hlađenjem, izbjegnute CO₂ emisije ugradnjom hibridnog sistema umjesto kotla na čvrsto gorivo – ugalj, iznose od 7 do 10 tona CO₂ za rezidencijalne i od 35 do 40 tona CO₂ za industrijske objekte na godišnjem nivou, te od 3 do 6 tona CO₂ za rezidencijalne i od 15 do 20 tona CO₂ za industrijske objekte na godišnjem nivou zamjenom kotla na prirodni plin sa hibridnim sistemom.

Ugradnjom hibridnog sistema koji uključuje toplotnu pumpu zrak-voda i fotonaponsku elektranu za vlastite potrebe, emisije CO₂ će biti jednake nuli, jer se potrebna električna energija za pokretanje toplotne pumpe dobija iz obnovljivih izvora energije.

aključak

Shodno trendu povećanja cijene električne energije, te nastojanju da se smanji korištenje fosilnih goriva, a time smanji i karbonski otisak, ugradnja hibridnog sistema predstavlja budućnost sistema grijanja i hlađenja. Ugradnjom hibridnog sistema se pored okolišnih benificija usljed korištenja obnovljivih izvora energije postižu i značajne energijske i finansijske uštede.

PREUZETO; mKvadrat