Copyright 2019

Robert Szulc
Instytut Technologiczno-Przyrodniczy w Falentach, Oddział w Poznaniu

 

Współczesny świat bezapelacyjnie dąży w kierunku pozyskiwania coraz większych ilości energii z różnych alternatywnych źródeł. Głównym celem jest uzyskanie energii w sposób bezpieczny dla środowiska naturalnego, a jednocześnie przyczyniający się do zmniejszenia produkcji energii z tradycyjnych źródeł.

 

 

Argumentem przemawiającym za taką polityką energetyczną jest m.in. coraz więcej doskonalszych technologii i urządzeń o wysokiej sprawności i niezawodności działania. Poniższy materiał stanowi ogólną prezentację źródeł energii odnawialnej i opisuje jej rodzaje. Rozpoczyna zarazem cykl artykułów, w których przedstawione zostaną szczegółowe rozwiązania, parametry i oferty aktualnego rynku w tym sektorze energetyki.
Rolnictwo stanowiło od samego początku specyficzną gałąź gospodarki narodowej, charakteryzującą się trudnymi warunkami pracy ludzi, nakładami robocizny, ekonomicznymi, ale również energetycznymi. Szczególnie w momencie gwałtownego zwiększenia intensyfikacji produkcji. Przede wszystkim produkcja zwierzęca zwraca na siebie uwagę pod względem nakładów energetycznych. Wynikają one z kilku różnych faktów. Przede wszystkim znaczne nakłady energetyczne wynikają m.in. z procesu przygotowywania i zadawania paszy, usuwania i zagospodarowania odchodów i nawozów naturalnych, zapewnienia oraz utrzymania najkorzystniejszego mikroklimatu w pomieszczeniach inwentarskich. Szczególnie w przypadku chowu trzody chlewnej mamy przede wszystkim do czynienia z dogrzewaniem prosiąt oraz wentylacją mechaniczną jako część dodatkowych nakładów energetycznych w gospodarstwie.


Tym samym należy zaakcentować, że w rolnictwie – a w szczególności w produkcji zwierzęcej mamy do czynienia ze źródłami produkowania znacznych ilości energii (także cieplnej) – dotychczas niewykorzystywanej lub bezpowrotnie marnowanej. Mowa tu o cieple, energii elektrycznej i produktach przetwarzania biomasy – do postaci biogazu i biopaliw. Zazwyczaj ciepło produkowane w gospodarstwie jest usuwane poza budynki i bezpowrotnie tracone. Takimi typowymi źródłami generującymi energię cieplną jest m.in. fermentujący obornik, gnojowica, schładzalniki do mleka, powietrze wentylacyjne.

 

Ciepło z obornika i gnojowicy

Składowanie obornika na płycie obornikowej lub też przechowywanie go w systemie głębokiej ściółki w pomieszczeniu inwentarskim wiąże się z produkowaniem i emisją znacznych ilości ciepła. Opracowane zostały już dawno projekty płyt obornikowych, wewnątrz których umieścić można instalację umożliwiającą pozyskiwanie ciepła z fermentującego nawozu. Korzyść z zastosowania tego typu systemu jest podwójna, gdyż przede wszystkim istnieje możliwość uzyskania dodatkowej energii cieplnej odebranej z fermentującego obornika, a ponadto w ten sposób przyczynia się do zredukowania emisji gazów szkodliwych (zwanych cieplarnianymi) takich jak metan, amoniak, podtlenek azotu do atmosfery. Obniżenie temperatury gnojowicy już o 1°C powoduje zmniejszenie emisji amoniaku o ok. 7%. Dzieje się tak dlatego, gdyż jednym z czynników podtrzymujących i wywołujących emisję odorów i gazów szkodliwych (włącznie z metanem) jest właśnie temperatura. A w dobie poszukiwania metod mających na celu skuteczną redukcję emisji tychże substancji, zabieg ten wydaje się być jak najbardziej trafnym. Tym bardziej, iż istnieją międzynarodowe programy ukierunkowane i udokumentowane dyrektywami oraz ustawami zmierzającymi do wyeliminowania lub zmniejszenia ilości emitowanych gazów do atmosfery.
Instalacja do odzysku ciepła wraz z jednoczesnym chłodzeniem magazynowanego nawozu może zostać wykonana jak na rysunku 1. Umiejscowiona pod posadzką wężownica, wewnątrz której krąży woda z glikolem odgrywa rolę wymiennika ciepła. Z tą różnicą, że w tym przypadku nie chodzi o dostarczenie ciepła do pomieszczeniu inwentarskiego (jak np. w sytuacji systemu dogrzewania podłogowego) lecz przeciwnie – odebranie energii cieplnej z obornika lub gnojowicy. Literatura podaje, że z 1 m2 głębokiej ściółki można odzyskać około 120 W energii cieplnej.


Chłodzenie mleka

Produkcja mleka jest jednym z głównych kierunków działalności współczesnego rolnictwa na świecie. Z uwagi na konieczność utrzymania wysokiej jakości surowca niezbędne jest jego jak najszybsze schłodzenie. Tradycyjnie w tym procesie ciepło jest odbierane z udojonego mleka i usuwane na zewnątrz chłodziarki. Jednak w przypadku dużych ilości pozyskiwanego mleka, okazuje się, iż opłacalne jest zainstalowanie urządzenia do odzysku energii cieplnej i przetworzenie jej do podgrzewania wody przeznaczonej na cele sanitarne, technologiczne lub nawet grzewcze. W zależności od rodzaju, typu i mocy urządzenia można tym sposobem podgrzewać wodę do temperatury rzędu 45-60°C. Nieodzownym w tej sytuacji urządzeniem jest „pompa ciepła”. Jest to urządzenie działające w podobny sposób jak klasyczna lodówka, z ta różnicą, że na odwrót – pozyskiwane jest ciepło schładzając otoczenie. Oczywiście o efektywności działania takiego systemu odzysku i wykorzystania energii cieplnej możemy mówić wtedy, gdy nakłady na energetyczne niezbędne do funkcjonowania instalacji są niższe od energii tym sposobem pozyskiwanej. Mówi nam o tym COP – współczynnik efektywności cieplnej. W praktyce uzyskuje się na poziomie 2,5-4.
Zaraz po doju mleko krowie posiada temperaturę około 34-35°C. Co prawda podczas transportu najpierw poprzez instalację dojarską do jednostki końcowej i w końcu do schładzalnika temperatura obniża się – co jest zjawiskiem normalnym lecz trafiając do zbiornika i poddana schłodzeniu do wymaganych 4-6°C posiada znaczną ilość energii cieplnej. Jednym z rozwiązań jest usytuowanie jeszcze przed schładzalnikiem, tzw. wstępnego wymiennika ciepła, co przyczynia się w znacznym stopniu, że schładzanie mleka na miejscu w gospodarstwie jest mniej kosztowne. Dopiero tak schłodzone mleko kierowane jest do głównego zbiornika schładzarki w celu ostatecznego ochłodzenia. Dla utrzymania najwyższej jakości mleka niezbędna jest dobra synchronizacja obu systemów chłodzenia. Najlepsze wyniki wstępnego schładzania osiąga się przy prawidłowym stosunku tempa przepływu wody do przepływu mleka. Przepływające przez wymiennik mleko już częściowo pozbawiane jest energii cieplnej i trafia do zbiornika wstępnie schłodzone. Korzyści płynące z tego rozwiązania są dwa: po pierwsze pozyskaną energię cieplną można wykorzystać do podgrzewania wody technologicznej (wykorzystaną do mycia hali udojowej, instalacji udojowej) lub w celach sanitarnych czy też nawet do pojenia cieląt. Po drugie – nakłady energetyczne na ochłodzenie całkowite mleka jest relatywnie niższe. Prawidłowo dobrany pod względem wielkości płytowy wymiennik ciepła pozwala zaoszczędzić nawet 60% kosztów energii niezbędnej do schłodzenia mleka.

 

Ciepło z wody myjącej instalacje udojową

W jednym z dwóch podstawowych systemów mycia instalacji udojowej (cyrkulacyjna i „gorąca woda”) głównym czynnikiem decydującym o jakości umycia instalacji jest czysta woda o wysokiej temperaturze, sięgającej nawet do poziomu ok. 80-82°C. W czasie zabiegu mycia, trwającego od 6-12 min, tak podgrzana woda jednorazowo przepływa przez całą instalację udojową i jest usuwana do kanalizacji. Bardzo uzasadnionym ekonomicznie rozwiązaniem jest zainstalowanie urządzenia pozwalającego z usuwanej wody o temperaturze rzędu 65-72°C odzyskać przeznaczone na straty ciepło i wykorzystanie go natychmiast do wstępnego podgrzewania czystej wody przeznaczonej do kolejnego mycia instalacji. Tego typu instalacja pozwala na znaczną redukcję nakładów energetycznych (w postaci prądu elektrycznego) przy podgrzewaniu wody myjącej. W przypadku dużych gospodarstw, w których zużywa się 300-600 litrów gorącej wody na jedno mycie i przy trzykrotnym doju dziennie, inwestycja amortyzuje się już po 18-24 miesiącach, co świadczy jednoznacznie o atrakcyjnej ekonomicznie formie oszczędzania energii.
Energia wiatru

Wiatr (i promieniowanie słoneczne) jest obecny na naszej planecie od zawsze. Ujarzmienie energii jaką niesie to zjawisko przyrodnicze było zawsze celem człowieka cywilizowanego. Już w najodleglejszych czasach próbowano energię wiatru zamieniać na energię mechaniczną, mogącą być wykorzystywaną do prostych prac – głównie w rolnictwie – jak na przykład pompowanie wody. W czasach współczesnych praca wirników wiatraków wykorzystywana jest w prądnicach do produkcji energii elektrycznej. Rozróżnia się kilka podstawowych rodzajów wiatraków i siłowni wiatrowych, w zależności od typu wirnika, tj. takie które wprowadzają element czynny wirnika w obroty pod wpływem samej siły naporu wiatru i też drugie, które wykorzystują jego siłę nośną.
Pierwszą grupę wiatraków stanowią generatory o pionowej osi obrotu oraz o poziomej osi obrotu. Najczęściej spotykanymi są generatory wiatrowe posiadające trójpłatowy wirnik umieszczony na poziomej osi obrotu na wysokościach przekraczających zwykle 30m. Podstawową zaletą tego typu siłowni jest fakt, że instalacja i obsługa małych turbin wiatrowych jest w miarę łatwa, a koszty związane z inwestycyjną zazwyczaj niewysokie.
Kolektory słoneczne

Źródłem ogromnej ilości energii cieplnej jest Słońce i energia z niego pochodząca, pobierana i przetwarzana dzięki kolektorom umieszczonym na płaskich dużych powierzchniach – zazwyczaj dachach budynków inwentarskich, takich jak obory czy chlewnie. W okresie letnim podczas intensywnej operacji promieni słonecznych powierzchnie takich dachów nagrzewają się do znacznych temperatur. Wykorzystać efektywnie energię promieni słonecznych można przy pomocy kolektorów słonecznych. Rozróżnia się trzy podstawowe rodzaje kolektorów słonecznych – fotowoltaiczne, cieczowe i hybrydowe. W pierwszym typie energia promieniowania słonecznego zamieniana jest dzięki panelom krzemowym bezpośrednio na energię elektryczną, następnie magazynowana jest ona w akumulatorach i po przetworzeniu na prąd o ustalonych parametrach – (prąd stały, zmienny, napięcie) jest do dyspozycji użytkowników odbiorników zasilanych prądem elektrycznym. Z kolei w cieczowym kolektorze będącym pewnego rodzaju wymiennikiem ciepła, krążąca w instalacji woda z glikolem odbiera ciepło z nagrzanej powierzchni i oddaje je w wymienniku ogrzewając wodę. Jak dowiedziono moc takiego kolektora waha się w zależności m.in. od warunków nasłonecznienia, stopnia zachmurzenia, kąta pochylenia powierzchni dachu, w zakresie od 500-800 W/m2. Czyli jak widać są to wartości dość znaczne i warte zainteresowania.


Produkcja biopaliw

Pozyskiwanie energii pochodzącej ze spalania paliw płynnych innego pochodzenia niż ropa naftowa ma wieloletnią tradycję. Pierwsze próby zasilania silnika spalinowego paliwem organicznego – pochodzącego z olejów różnych roślin miały miejsce ok 90 lat temu. Tłoczenie oleju roślinnego i jego dalsza estryfikacja jest procesem powszechnie znanym i opracowanym a technologie coraz doskonalsze i wydajniejsze. Jednak obok tłuszczów roślinnych bardzo atrakcyjnym surowcem do produkcji „biopaliw” są także tłuszcze pochodzenia zwierzęcego – głównie jako odpad poubojowy. Na podstawie potencjału wytwórczego żywca i poziomu zapotrzebowania tłuszczów na cele spożywcze można przyjąć, że 130 tys. ton tłuszczów zwierzęcych można zagospodarować do produkcji paliw w Polsce (Szulc i Golimowski 2010). Już dawno oszacowano, że w ciągu roku w Polsce można wyprodukować ok. 350 tys. ton tłuszczów odpadowych, z czego oleje posmażalnicze stanowią większość (Franc, Pikoń 2005), a odpady w postaci tłuszczów zwierzęcych, powstałe w wyniku produkcji zwierzęcej, zarówno przy obróbce żywca wołowego, jak również wieprzowego, w sumie stanowią około 65 tys. ton rocznie (Marczak 2010). Bardzo istotną kwestią przy podejmowaniu decyzji o produkcji biopaliw we własnym gospodarstwie są jednak koszty ich produkcji, skali produkcji oraz koszty inwestycyjne pod względem maszyn, tłoczni. Niestety, także aspekt prawny nie może także być w tym przypadku pominięty.


Ciepło z gruntu

Bardoz korzystne jest pozyskiwanie ciepła słonecznego skumulowanego w środowisku (gruncie, wodzie i powietrzu) przez zastosowanie pompy ciepła, która będąc urządzeniem pozwalającym na przeniesienie ciepła z niskotemperaturowego naturalnego źródła do instalacji grzewczej. Jako dolne źródło ciepła uznaje się środowisko naturalne otoczenia, w skład którego mogą wchodzić wspomniane we wcześniejszym artykule obiekty, m.in:
■    grunt
■    cieki i akweny wodne
■    wody gruntowe
■    wody głębinowe
■    kolektory słoneczne
■    inne.
Z tego dolnego obiegu źródła ciepła pozyskuje się energię cieplną i transportuje do pompy ciepła, dzięki której jest kumulowana i po zgromadzeniu określonej jej ilości może być wykorzystana wszędzie tam, gdzie występuje zapotrzebowanie na czynnik energetyczny w postaci ciepłej wody. Pompy ciepła znajdują bardzo szerokie zastosowanie, gdyż uzyskany i skumulowany czynnik energetyczny w postaci ciepłej wody można wykorzystać w systemach centralnego ogrzewania domów wielo- i jednorodzinnych, przygotowaniu ciepłej wody użytkowej, ale również podgrzewaniu wody w basenach czy też podgrzewania podjazdów lub jego fragmentów w okresie zimowym zabezpieczającym przed zbieraniem się śniegu i powodujący powstawanie śliskich powierzchni chodników czy ulic. Ponadto znajdują coraz częściej zastosowanie w urządzeniach klimatyzacyjnych oraz – co zasługuje na największe zainteresowanie rolników – pozwala prowadzić odzysk ciepła technologicznego przy produkcji rolnej, w szczególności zwierzęcej.
Stabilnym źródłem ciepła dla pompy ciepła jest grunt. Charakteryzuje się temperaturą przez cały rok w zakresie 7-13°C na głębokości ok. 2 m. Oczywiście potencjał energetyczny i ilość pozyskiwanego ciepła z gruntu uwarunkowany jest kilkoma czynnikami, między innymi rodzajem gruntu i wodami powierzchniowymi. Pozyskiwanie ciepła z gruntu może odbywać się za pomocą wymienników ciepła wypełnionych substancją odporną na niskie temperatury (jest to zazwyczaj glikol techniczny), który krążąc w systemie zamkniętym, najpierw w dolnym źródle ciepła pobiera energię, a w górnym źródle (pompie ciepła) oddaje ją – przez co mamy do czynienia z typowym „transportem” ciepła. Tego typu rozwiązania wykorzystywane są w gruntowych kolektorach poziomych i pionowych.


Pionowe kolektory gruntowe (sondy)

Instalacje tego typu są często stosowanymi rozwiązanymi, zwłaszcza w obiektach o dużym zapotrzebowaniu na ciepło. Sonda gruntowa to zazwyczaj cztery rury, tworzące podwójne U. Umieszczane są one w odwiertach, pozostała wolna przestrzeń natomiast jest zasypywana odpowiednim materiałem wypełniającym. Dodatkowo dla pionowej sondy gruntowej przyjmuje się średnią wydajność wynoszącą
50 W/mb długości sondy.


Poziome kolektory gruntowe

Poziome gruntowe wymienniki ciepła to ułożony pod powierzchnią terenu układ rur (Rys. 5) z tworzywa sztucznego. Wymaga on znacznej powierzchni, gdyż poszczególne gałęzie rur mogą mieć długość 100-200 m. Kolektor poziomy umieszcza się pod powierzchnią terenu na głębokości 1,2-1,5 m. Ciepło zgromadzone w gruncie na takiej głębokości pochodzi z promieniowania słonecznego, dlatego teren nad kolektorami poziomymi radzi się nie zabudowywać. Dla takiego typu instalacji przyjmuje się wydajność gruntu na poziomie 20W/m2.


Zakończenie


Udział źródeł energii odnawialnej ciągle systematycznie wzrasta. Międzynarodowe ustalenia mówią, aby do 2020 roku, 20% produkowanej energii pochodziło właśnie z niekonwencjonalnych źródeł. Można być pewnym, że ta wartość będzie ciągle wspinać się w górę powodując iż wiatraki, kolektory i odwierty w ziemi będą w naszych przydomowych ogródkach standardem i nie będą wywoływać zdziwienia ani też większego zainteresowania sąsiadów.