Czy warto ogrzewać wodę własnym prądem?

Ile energii dostajemy ze słońca?

W Polsce roczna suma energii promieniowania słonecznego wynosi ok. 1000 kWh na 1 m² powierzchni. Znaczy to, że w ciągu roku każdy metr kwadratowy działki otrzymuje w przybliżeniu tyle energii, ile uzyskujemy ze spalenia 100 m³ gazu ziemnego.

Załóżmy teraz, że mamy energooszczędny budynek o powierzchni 150 m², który potrzebuje rocznie 40 kWh/m². Daje to 6000 kWh. Teoretycznie dla zaspokojenia jego potrzeb energetycznych wystarczyłoby wykorzystać energię słoneczną padającą na zaledwie 6 m² działki! Ale nawet standardowy, w miarę nowy dom potrzebuje rocznie ok. 100 kWh/m². Czyli nawet w jego przypadku wystarczyłoby raptem 15 m². Teoretycznie wszystko wygląda więc pięknie, w praktyce jednak jest o wiele gorzej.

Nie umiemy przecież w 100% wykorzystać docierającej do nas energii, zarówno panelom PV jak i kolektorom bardzo do tego daleko. Sprawność paneli jest najczęściej bliższa 20%. Ale nawet skokowa poprawa sprawności nie rozwiązałaby problemu zimowego ogrzewania. Zasadnicze ograniczenie wynika z czynników od nas niezależnych, będących konsekwencją naszego położenia geograficznego. Około 4/5 (80%) z tej rocznej puli energii dostajemy przez pół roku. Łatwo się domyślić, że sezon grzewczy to właśnie te drugie pół roku – z niedoborem. Dokładniej mówiąc 80% energii słonecznej trafia do nas w okresie od początku kwietnia do końca września, czyli w czasie, kiedy praktycznie nie musimy ogrzewać domów. Za to łącznie na grudzień, styczeń i luty przypada zaledwie ok. 6% z rocznej sumy promieniowania.

To oznacza z kolei, że nawet panele o znacznie wyższej sprawności nie uwolnią nas od konieczności używania zimą prądu z sieci. Po prostu w tym okresie dociera do nas zbyt mało energii. Nawet, gdybyśmy jakimś cudem zbudowali panele o 100% sprawności, to zakładając ich 20 m² uzyskali byśmy w grudniu 10 kWh dziennie, a to odpowiada pracy bardzo małego kotła grzewczego o mocy 10 kW przez godzinę. A żeby nie było niejasności – w takich zimowych warunkach sprawność ogniw, którymi dysponujemy jest bliska raczej 10%, nie zaś 100%. Czyli ilości energii są naprawdę znikome.

Czy warto podgrzewać wodę prądem?

W Internecie aż roi się od ofert systemów PV przeznaczonych tylko do podgrzewania ciepłej wody użytkowej (c.w.u.). Zwykle reklamowane są jako alternatywa wobec kolektorów słonecznych. O tyle atrakcyjna, że budowa takiej instalacji jest znacznie prostsza. To przy tym układy działające niezależnie od sieci energetycznej, nie trzeba więc załatwiać żadnych formalności z dostawcą energii. Najczęściej w takim układzie mamy jedynie:

• panele;
• regulator solarny;
• przetwornicę napięcia;
• grzałkę elektryczną.

Tę ostatnią należy umieścić w zbiorniku c.w.u. Z założenia już posiadanym, bo jeżeli trzeba go będzie dokupić, to całe przedsięwzięcie bardzo się skomplikuje i będzie droższe.
Dla 4 osób potrzeba dziennie w przybliżeniu 200 l wody o temperaturze 45°C. Znając pojemność cieplną wody możemy bez trudu policzyć ile ciepła to pochłonie. Wodę podgrzewamy z 10°C (woda wodociągowa) do 45°C. Otrzymujemy w takim razie:

200 l × 365 dni × 35 K × 4,2 kJ = 10731000 kJ = 2981 kWh

Oczywiście, indywidualne różnice mogą być bardzo duże, w zależności od upodobań domowników. jednak orientacyjnie możemy przyjąć, że przygotowanie c.w.u. pochłania rocznie ok. 3000 kWh. Jeżeli mamy cyrkulacje ciepłej wody, to na związane z nią straty trzeba doliczyć jeszcze przynajmniej 1000 kWh.

To mało, czy dużo? Typowy w miarę nowy polski dom zużywa zaś rocznie na ogrzewanie i wentylację ok. 100 kWh energii na 1 m² powierzchni użytkowej. Dla przeciętnego domu jednorodzinnego o powierzchni 150 m² daje to:

100 kWh/m² × 150 m² = 15 000 kWh

W takim domu 3000 kWh na przygotowanie c.w.u., to w porównaniu z ogrzewaniem niezbyt wiele – ok. 20%.
Jeśli jednak potrzeby energetyczne budynku obniżymy do energooszczędnego poziomu 40 kWh/(m²•rok), otrzymamy:

40 kWh/m² × 150 m² = 6000 kWh

W tym przypadku c.w.u. pochłania już połowę tego, co ogrzewanie. Jeżeli rodzina jest liczna albo zużycie wody z innych względów duże, to będzie to nawet znacznie więcej.

Przeliczając to na pieniądze, podgrzewanie wody gazem (ok. 0,25 zł/kWh) pochłonie 750–1000 zł. Ale, jeżeli będziemy wykorzystywać prąd z sieci, w cenie ok. 0,65 zł/kWh, koszty wzrosną ponad dwukrotnie, do przeszło 2000 zł. Zakładając 50% pokrycie tego zapotrzebowania przez panele zasilające grzałkę zaoszczędzimy rocznie 500–1000 zł.
Czy zakup będzie miał sens zależy więc od mocy, którą będziemy w stanie uzyskać oraz ceny naszego konwencjonalnego nośnika ciepła (gaz, węgiel).

Osobnego potraktowania wymagają kotły na paliwa stałe, czyli węgiel, drewno lub pelety. W ich przypadku rachunek ekonomiczny to tylko część problemu. Nie mniej ważne jest to, że mając drugie źródło ciepła do podgrzewania c.w.u. nie musimy palić w kotle poza sezonem grzewczym. Co służy nie tylko naszej wygodzie, ale sprzyja też środowisku naturalnemu (tym bardziej, że palenie tylko na potrzeby c.w.u. oznacza działanie kotła z niską sprawnością.

Pod wieloma względami lepszy jest układ, w którym nasza mikroelektrownia współpracuje z siecią. Wówczas nie musimy koniecznie podgrzewać wody akurat w momencie, gdy uzysk prądu z PV jest największy. Ponadto można pomyśleć o wykorzystaniu np. pompy ciepła tylko do c.w.u. W układzie bez dostępu do sieci to praktycznie niemożliwe, bo przy zbyt małej produkcji własnego prądu pompa może się wcale nie uruchomić. Co więcej w takim domu można też użyć podgrzewacza przepływowego. Współpraca domowej mikroinstalacji z siecią bardzo poprawia więc możliwości całego układu.