Isplativost primjene solarnih sustava

Sunčeva energija ima velik potencijal kao obnovljivi izvor energije, jer je tehnologija pretvorbe od ranije poznata i potvrđena u praksi. U proteklih pet godina u svijetu je uporaba Sunčeve energije imala stopu rasta od prosječno 43% godišnje. Obzirom na velik ukupni broj obiteljskih kuća u Republici Hrvatskoj (procjena oko 1,000,000) i obzirom na veliku potrošnju energije za grijanje u kućanstvima u usporedbi s ostalim trošilima, predmet analize je ocjena učinkovitosti i isplativosti solarnih toplinskih sustava, jer Hrvatska ima dobre preduvjete za primjenu te tehnologije obzirom na svoj geografski položaj i ukupnu sunčanu ozračenost. Toplinski sustavi sa sunčanim kolektorima uglavnom se koriste za potrebe grijanja prostora i pripremu potrošne tople vode. Provedena analiza pokazuje mogućnosti primjene solarnih toplinskih sustava za obiteljske kuće (male korisnike), u odnosu na troškove opremanja takvim sustavom i ostvarene uštede u potrošnji energije.

Za potrebe analize primjene solarnih sustava grijanja i pripreme PTV odabran je aktivni sustav s prisilnom cirkulacijom ogrjevnog medija (vode). Aktivni sustavi sastoje se općenito od slijedećih komponenti:

- sunčani kolektori

- akumulacijski spremnik s izmjenjivačem topline

- cjevovod

- cirkulacijska pumpa

- ekspanzijski sustav

- pripadajuća armatura

- regulacijsko – upravljački elementi.

Najčešća primjena aktivnih sustava je za zagrijavanje potrošne tople vode (dalje u tekstu: PTV), prije svega stoga što potreba za PTV postoji tijekom čitave godine. Korištenje sunčeve energije za grijanje prostorija obično je manje učinkovito, jer je potreba za grijanjem najveća upravo zimi, kada je intenzitet sunčevog zračenja najslabiji.

PRORAČUNSKI MODEL

Proračun procjene godišnje potrebne toplinske energije za pripremu PTV proveden je prema procijenjenoj dnevnoj potrošnji vode u skladu s normom HRN EN 15316-3-1:2008. Za procjenu

godišnje potrebne toplinske energije za grijanje i vrijednosti koeficijenata toplinskih gubitaka korišten je proračun prema normi HRN EN ISO 13790:2008. Proračuni su provedeni za stvarne klimatske podatke za dvije karakteristične geografske lokacije u Hrvatskoj, grad Zagreb (kontinentalna RH) i grad Split (primorska RH).

Odabran je model obiteljske kuće neto korisne površine 150 m2 (dalje u tekstu: tip 150) - prizemna kuća s jednim stanom. Toplinske karakteristike građevnih dijelova za proračun uzete su prema.dozvoljenim vrijednostima iz Tehničkog propisa o racionalnoj uporabi energije i toplinskoj zaštiti u zgradama (NN 110/08), a površine prozora i vrata su odabrane na razini 15% površine vanjskih zidova, dok vanjska vrata na južnom zidu imaju površinu Ad=2 m2. Modeli obiteljskih kuća imaju krov pod nagibom 30°, orijentacije sjever-jug, a između krova i stropa grijanog dijela zgrade nalazi se negrijano potkrovlje.

Pločasti kolektori postavljaju se na kosi krov modela obiteljske kuće, na južni dio pod nagibom krova (30°). Akumulacijski spremnik tople vode, dodatni izvor topline i druga pripadajuća oprema sustava postavljaju se unutar zgrade.

Radi jednostavnije usporedbe, za pojedini tip kuće odabrane su iste osnovne značajke sustava sa sunčanim kolektorima na obje odabrane geografske lokacije, Zagreb i Split. Proračun procjene godišnje toplinske energije dobivene sustavom sa sunčanim kolektorima QH, sol (kWh/a) za grijanje i pripremu potrošne tople vode proveden je, prema stvarnim klimatskim podacima, postupkom po metodi f-chart s rezultatima po mjesecima u godini.

REZULTATI PRORAČUNA

Priprema potrošne tople vode

Potrebna energija za klimu grada Splita i solarni sustav tip PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu sunčanim kolektorima i višak toplinske energije u pojedinim mjesecima (za procijenjenu potrošnju PTV), prikazana je na slici 3. Ukupna potrebna energija (potrošnja) po mjesecima za pripremu PTV je zbroj bijelog (sunčani kolektori) i sivog (dodatni izvor energije) polja. Višak toplinske energije (crno polje) pojavljuje se u mjesecima u kojim prikupljena toplinska energija pomoću kolektora premašuje mjesečnu potrošnju energije, što ne znači da se u pojedinim danima u mjesecu ne može pojaviti potreba za dodatnim izvorom energije.

Ukupna potrebna godišnja energija za pripremu PTV iznosi 3186.1 kWh, od čega sunčani kolektori pokrivaju 2663.9 kWh (84%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi 127.4 kWh (4% potrebne topline) i pojavljuje se u mjesecima od svibnja do rujna.

Potrebna energija za klimu grada Zagreba i solarni sustav tip PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu sunčanim kolektorima i višak toplinske energije u pojedinim mjesecima (za procijenjenu potrošnju PTV), prikazana je na slici 4.

Ukupna potrebna godišnja energija za pripremu PTV iznosi 3186.1 kWh (isto kao za Split), od

čega sunčani kolektori pokrivaju 2059.7 kWh (65%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi 18 kWh (0.6% potrebne topline) i pojavljuje se u mjesecima lipnju i srpnju.

Na temelju prikazanih rezultata potrebne energije za pripremu potrošne tople vode vidi se, kako je, uz iste dimenzije solarnog sustava i istu potrošnju PTV za analizirani model kuće, toplinski doprinos solarnog sustava značajno veći za lokaciju Split nego za lokaciju Zagreb. To je, naravno, posljedica jače sunčane ozračenosti na lokaciji Split. Ukoliko bi se željelo povećati stupanj pokrivanja nekog solarnog sustava, to bi se moglo ostvariti, uz isti volumen akumulacijskog spremnika, povećanjem površine sunčanih kolektora. Međutim, tehnički problemi u korištenju sustava koji su posljedica viška topline, kao što je pregrijavanje kolektora i moguća oštećenja sustava uslijed previsokih temperatura u periodima kada nema potrošnje tople vode, ukazuju da se takva namjera treba pažljivo tehnički proanalizirati.

Na primjer, ako se na lokaciji Zagreb u sustav doda još jedan kolektor, stupanj pokrivanja povećat će se na 72%, ali će se višak toplinske energije povećati na 158.2 kWh (ranije 18 kWh). Time se višak toplinske energije na lokaciji Zagreb u odnosu na ranije prikazane rezultate povećava za jedan red veličine (oko 10 puta). Takvo tehničko rješenje jednostavno je primjenjivo samo ukoliko zgrada ima veliki toplinski spremnik u koji se bez problema može preusmjeriti višak topline, kao što je na primjer bazen.

Grijanje i priprema potrošne tople vode

Potrebna energija za klimu grada Splita i solarni sustav tip G-PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu sunčanim kolektorima i višak toplinske energije u ljetnim mjesecima (za procijenjenu toplinu za grijanje i potrošnju PTV), prikazana je na slici 5. Ukupna potrebna energija (potrošnja) po mjesecima za grijanje i pripremu PTV je zbroj bijelog (sunčani kolektori) i sivog (dodatni izvor energije) polja. Višak toplinske energije (crno polje) pojavljuje se u mjesecima u kojim prikupljena toplinska energija pomoću kolektora premašuje mjesečnu potrošnju energije, što ne znači da se u pojedinim danima u mjesecu ne može pojaviti potreba za dodatnim izvorom energije.

Ukupna potrebna godišnja toplinska energija za grijanje i pripremu PTV iznosi 8295.5 kWh, od čega sunčani kolektori pokrivaju 4193.6 kWh (51%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi 431.9 kWh (5% ukupne potrebne topline – više od potrebne energije za pripremu PTV u jednom prosječnom mjesecu) i pojavljuje se u mjesecima od travnja do listopada.

Potrebna energija za klimu grada Zagreba i solarni sustav tip G-PTV, uz iskorištenu toplinsku energiju dobivenu sunčanim kolektorima i višak toplinske energije u ljetnim mjesecima (za procijenjenu toplinu za grijanje i potrošnju PTV), prikazana je na slici 6.

Ukupna potrebna godišnja energija za grijanje i pripremu PTV iznosi 14187.2 kWh, od čega sunčani kolektori pokrivaju 3216.2 kWh (23%). Ukupni višak toplinske energije pri tom iznosi 258.2 kWh (2% ukupne potrebne topline – na razini potrebne energije za pripremu PTV u jednom mjesecu) i pojavljuje se u mjesecima od svibnja do rujna.

Na temelju prikazanih rezultata potrebne energije za grijanje i pripremu PTV vidi se kako je, uz

iste dimenzije solarnog sustava i istu potrošnju PTV za analizirani model kuće, toplinski doprinos solarnog sustava značajno veći za lokaciju Split nego za lokaciju Zagreb. Ako bi se, radi povećanja stupnja pokrivanja, na lokaciji Zagreb u sustav dodao još jedan kolektor, stupanj pokrivanja povećao bi se za 2 % - na 25%, ali bi se povećao i višak toplinske energije na 282.1 kWh (ranije 258.2 kWh). Mala ukupna promjena je prvenstveno posljedica slabe sunčane ozračenosti kolektora u prosincu i siječnju, mjesecima kada je potrebna energija za grijanje najveća te relativno velikog spremnika vode. Međutim, problem pregrijavanja sustava uslijed viška toplinske energije ljeti ostaje. Ukoliko se na lokaciji Split želi smanjiti period s istaknutim viškom topline, moguće je smanjiti kapacitet sustava oduzimanjem jednog kolektora. Time bi se stupanj pokrivanja smanjio za 6% na 45%, ali bi se višak toplinske energije smanjio na 316.2 kWh (ranije 431.9 kWh), što je nezanemariva promjena. Smanjenje viška toplinske energije za 27% čini smanjenje ukupne površine kolektora tehnički opravdanim ukoliko nema tehničkih mogućnosti za predaju viška topline.

Za oba tipa solarnih sustava na kući tip 150 u klimatskim prilikama lokacije Zagreb primjetno je poboljšanje učinkovitosti ukoliko se pločasti kolektori zamijene s kolektorima s vakuumiranim cijevima. Za sustav tip PTV, uz približno iste dimenzije solarnog sustava (nešto je manja ukupna površina apsorbera vakuum-cijevnih kolektora), toplinski doprinos sustava sa vakuum-cijevnim kolektorima je nešto veći (za 6%) u odnosu na sustav s pločastim kolektorima. Za sustav tip GPTV, toplinski doprinos sustava sa vakuum-cijevnim kolektorima takoñer je nešto veći (za 3%) u odnosu na sustav s pločastim kolektorima. To je, naravno, posljedica poboljšanih značajki kolektora s vakuumiranim cijevima. Povećanje učinkovitosti je posebno vidljivo u najhladnijim mjesecima (prosinac i siječanj). Doduše, pri tom je povećan i višak toplinske energije. Ipak, zbog povećanja stupnja pokrivanja, korištenje kolektora s vakuumiranim cijevima može se smatrati energetski prihvatljivim rješenjem. Pitanje financijske isplativosti provjerit će se kasnije.

FINANCIJSKA ISPLATIVOST

Investicijski troškovi nabave i montaže za analizirane solarne sustave su:

• solarni sustav tip PTV za kuću tip 150

SVEUKUPNO 30258 kn (MPC, uključen PDV 23%)

• solarni sustav tip G-PTV za kuću tip 150

SVEUKUPNO 50184 kn (MPC, uključen PDV 23%)

Troškovi nabave opreme procijenjeni su analizom cijena solarnih sustava na tržištu, a montaža je procijenjena na 20% nabavne vrijednosti sustava. Analiza isplativosti solarnih sustava je provedena usporedbom sustava sa tri osnovna konvencionalna energenta (prirodni plin, EL lož ulje i električna struja) i za oba karakteristična klimatska područja u Hrvatskoj. Period povrata investicije izračunat je na najjednostavniji način, kao omjer investicijskih troškova i godišnje uštede na cijeni goriva, bez uključivanja cijene kapitala, kamata, inflacije, promjene cijene konvencionalnih energenata, troškova održavanja (na razini 500 -800 kn godišnje) i sl.

Značajke i cijena prirodnog plina (prosinac 2009. godine) su slijedeće:
• Ogrjevna vrijednost Hd = 9,26 kWh/m3

• Cijena goriva C = 2.473 kn/m3

• Stupanj korisnosti novog kotla ηi = 0,9.

Značajke i cijena EL lož ulja (prosinac 2009. godine) su slijedeće:

• Ogrjevna vrijednost Hd = 10,2 kWh/lit

• Cijena goriva C = 4.51 kn/lit

• Stupanj korisnosti novog kotla ηi = 0,9.

Cijena električne struje (prosinac 2009. godine) je slijedeća:

• Cijena energenta C = 0.866 kn/kWh (JT).

Na temelju prikazanih rezultata vidi se kako su periodi povrata investicije vrlo dugi u svim analiziranim slučajevima.

Najnepovoljniji slučaj je solarni sustav tip PTV u usporedbi s konvencionalnim sustavom složenjem na prirodni plin u klimatskim uvjetima grada Zagreba, gdje je procijenjeni period povrata investicije skoro 50 godina.

U klimatskim uvjetima grada Splita periodi povrata investicije su kraći, ali niti u najpovoljnijem slučaju primjene za solarni sustav tip PTV u usporedbi s konvencionalnim sustavom na električni pogon, ne postiže se vrijednost ispod 10 godina.

Iz prikazanih rezultata usporedbe investicijskih troškova vidljivo je kako je, u slučaju dostupnosti prirodnog plina za loženje, teško ostvariti prihvatljivu financijsku računicu za primjenu solarnog sustava grijanja, odnosno zagrijavanja PTV. U ostalim slučajevima situacija je nešto povoljnija. Interesantno, ukoliko se proračun perioda povrata investicije provede za solarne sustave opremljene vakuum-cijevnim kolektorima, periodi povrata investicije prikazani u tablicama 7-8.

približno ostaju isti za pojedine konvencionalne energente, jer se efekt dodatne uštede energije u potpunosti poništava razlikom u nabavnoj cijeni, koja po jednom kolektoru iznosi oko 1600,00 kn više za vakuum-cijevni kolektor. 


ZAKLJUČAK

U interesu vlasnika obiteljskih kuća je racionalno korištenje energije i zamjena konvencionalnih

energenata obnovljivim izvorima energije, iz energetskih i ekoloških razloga. Energetski razlozi

su smanjenje korištenja konvencionalnih energenata (prirodnog plina, EL loživog ulja, električne struje), a ekološki razlozi su povezani sa smanjenjem emisije štetnih tvari u okoliš. Nažalost, ekonomske mogućnosti većine vlasnika su prosječne, što u današnjim okvirima umanjuje vjerojatnost da će se značajan broj vlasnika kuća samoinicijativno odlučiti na investicije u sustave s obnovljivim izvorima energije, posebno ako im koristi od takvog ulaganja nisu poznate.

Na temelju provedene analize za dvije karakteristične klime u Hrvatskoj (kontinentalna i primorska), dobiveni su rezultati energetske i ekonomske uštede koji slijede nakon opremanja termotehničke instalacije grijanja kuće sa solarnim sustavom, u usporedbi s konvencionalnim sustavima grijanja.

Energetske bilance analiziranih solarnih sustava pokazuju kako se može pokriti veći dio potrebne godišnje toplinske energije za pripremu PTV – 63 do 84% (ovisno o tipu solarnog sustava i geografskom području) te manji dio potrebne toplinske energije za grijanje i pripremu PTV – 22 do 23% u kontinentalnoj klimi. U klimatskim prilikama primorske Hrvatske pokrivanje toplinske energije za grijanje i pripremu PTV iznosi 51%, ali je ukupna potrebna toplina u tom slučaju značajno manja u odnosu na kuću iste geometrije izgrañenu u kontinentalnom dijelu.

Kada se energetske bilance preračunaju u troškove energenata za jednu godinu te kada se ti troškovi usporede s uštedama ostvarenim korištenjem solarnih sustava, vidi se kako te uštede u apsolutnim iznosima nisu posebno velike.

Nakon preračunavanja energetskih ušteda u financijske uštede, osim u slučaju korištenja električne struje za grijanje, periodi povrata investicije su vrlo dugi (do čak 50 godina ovisno o energentu i tipu solarnog sustava), jer oprema solarnih sustava ima visoku nabavnu cijenu.

Stoga, nije vjerojatno masovnije korištenje solarnih sustava od strane malih korisnika (kućanstva s jednim do dva stana) bez odgovarajućih poticajnih mjera od strane države.


Izvor_
Predavanje o isplativosti primjene solarnih sustava za male korisnike, FSB