W ogrzewaniu czas na prąd? Stawką jest nie tylko ograniczenie emisji CO2

Uczeni z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie stworzyli na bazie stopów aluminium materiały pozwalające zamieniać energię cieplną w elektryczną.

Ludzkość znała już wcześniej takie materiały termoelektryczne, tyle że bazujące na ceramice. Z uwagi na wysokie koszty produkcji używane są tylko w wysokospecjalistycznych warunkach, na przykład w łazikach marsjańskich.

Wyniki prac zespołu prof. Krzysztofa Wojciechowskiego z AGH są obiecujące. Termoelektryki na bazie aluminium są wyraźnie tańsze. Koszt ich wytworzenia jest podobny do ceny paneli fotowoltaicznych, ale za to mają kilkukrotnie większą efektywność (gęstość mocy na poziomie 2,5 KW na 1 mkw.). Dlatego, jak deklaruje prof. Wojciechowski, koszt wytworzenia energii elektrycznej w materiale termoelektrycznym ułożonym w pobliżu kotła gazowego czy węglowego albo komina, którym z komory spalania ulatują spaliny, będzie niższy niż w przypadku fotowoltaiki.

Jesienią ekipa prof. Wojciechowskiego rozpoczęła kolejny etap badań nad termoelektrykami w ramach współfinansowanego przez UE projektu. Nad podobnymi technologiami pracują między innymi Amerykanie i Chińczycy, stawką jest nie tylko ograniczenie emisji, ale i obniżenie kosztu pozyskania energii elektrycznej i ciepła. Pachnie małą rewolucją.

W fotowoltaice też zanosi się na poważne zmiany. Założona przez Olgę Malinkiewicz przy wsparciu japońskiego inwestora firma Saule Technologies od lat pracuje nad zastąpieniem krzemowych paneli fotowoltaicznych materiałami na bazie powszechnie występujących związków chemicznych zwanych perowskitami. Właśnie zrobiła kolejny krok ku komercjalizacji swoich badań. Panele i folie perowskitowe półtorej dekady temu wykazywały się sprawnością na poziomie 2-3 proc., dziś osiągają poziom 25 proc., ale nadal przegrywają z krzemem pod względem trwałości i odporności na warunki atmosferyczne. Kilka tygodni temu Saule otrzymało, jako pierwsza firma na świecie, certyfikat niemieckiego TÜV Rheinland, potwierdzający, że jej elastyczne panele spełniają europejskie normy.

Można oczekiwać, że koncepcji na obniżenie kosztu pozyskania energii elektrycznej będzie przybywać wraz z rosnącą liczbą samochodów elektrycznych, ale także z coraz większym znaczeniem energii elektrycznej w ciepłownictwie. Są prognozy, choćby spółki energetycznej Polenerga, zakładające nawet trzykrotny wzrost zapotrzebowania na energię do 2050 r. Polska nie ma takich warunków hydrologicznych jak Norwegia, która prąd uzyskuje przede wszystkim z elektrowni wodnych, a Norwegowie ogrzewają domy grzejnikami elektrycznymi. Ale u nas także znaczenie prądu w ogrzewaniu budynków będzie rosło. Już dziś, dysponując instalacją fotowoltaiczną, koszty ogrzewania domu urządzeniami elektrycznymi można zmniejszyć prawie do zera.

Popularne we Francji, w Wielkiej Brytanii czy Norwegii ogrzewanie budynków prądem w Polsce było z zasady ostatnim wyborem inwestorów. Dominował węgiel, a oporowe grzejniki elektryczne albo grzewcze płyty ścienne zakładali głównie pasjonaci, którzy nie mieli ochoty użerać się z obsługą kotła węglowego, nie planowali w domu miejsca na dużą kotłownię z przestrzenią do składowania takiego paliwa. Ceny energii elektrycznej w porównaniu z przeciętnym wynagrodzeniem półtorej dekady temu były dokładnie takie same jak dziś, ale zwolennicy grzania prądem chwalili sobie takie instalacje.

Byli to zazwyczaj właściciele mniejszych, budowanych niskim stosunkowo nakładem finansowym domków, gdzie każdy dodatkowy wydatek robił różnicę. A przecież doprowadzenie gazu ziemnego do domu i trwa, i kosztuje tyle samo dla domku o powierzchni 100, jak i 350 mkw. Nowoczesny kocioł gazowy to też spory wydatek.

Ogrzewanie elektryczne nie wymaga budowania dodatkowych przyłączy ani urządzeń grzewczych i może być – po spełnieniu kilku warunków – w miarę tanie. Wymaga przejścia na nocną taryfę G12, czyli z obniżoną ceną energii zazwyczaj między 22 a 5 rano (niektórzy sprzedawcy obniżają ceny także w godzinach wczesnopopołudniowych). Dodatkowo ściany powinny być wybudowane z akumulujących ciepło bloczków silikatowych. Nagrzane nocą tańszym prądem oddają ciepło w trakcie dnia.

Zwolennicy grzania prądem przekonywali, że skoro Polska ma węgiel, to ceny elektryczności pozostaną stabilne, a gaz, importowany przecież głównie z Rosji, będzie w długiej perspektywie drożał. Rzeczywistość okazała się bardziej skomplikowana. Nominalne ceny gazu w ciągu ostatnich kilkunastu lat rzeczywiście znacząco wzrosły, ale prąd z rodzimego węgla też podrożał głównie za sprawą unijnego systemu ETS – handlu emisjami CO2. Jest jednak istotny element różniący sposoby ogrzewania – w przeciwieństwie do użytkowników kotłów gazowych i węglowych właściciele elektrycznych instalacji grzewczych mogą sobie sami wygenerować źródło ciepła.

Jednym z zaskakujących efektów rosyjskiej napaści na Ukrainę była ekspresowa transformacja unijnego rynku energii. Wbrew katastroficznym wizjom odcięcie UE od rosyjskiego gazu i ropy (z rosyjskiego gazu korzysta w UE już tylko kilka krajów uzależnionych od gazociągów biegnących ze wschodu) wywołało przejściowy szok cenowy, za to na trwałe zmieniło rynek urządzeń grzewczych. Europejczycy przekonani, że era taniego gazu ziemnego dobiegła końca, wyraźnie chętniej kupują teraz pompy ciepła. Unijny rynek tych urządzeń podwoił się między 2020 a 2023 r. Teraz, za sprawą lekkiego zastoju w budownictwie, jego dynamika nieco spadła, ale europejskie stowarzyszenie producentów pomp prognozuje, że do obecnych 20 mln zainstalowanych w Unii urządzeń dojdzie do 2030 r. kolejnych 40-43 mln. Co będzie oznaczało, że już za kilka lat co drugi ze 120 mln budynków w Europie będzie ogrzewany pompą, bodaj najbardziej wydajnym z urządzeń tego typu.

Efektywność energetyczną określa współczynnik COP, który pokazuje, jaką ilość energii elektrycznej do pompy trzeba dostarczyć na każdą jednostkę wytworzonej przez nią energii cieplnej. Jeśli do pompy dostarczona zostanie 1 kWh energii elektrycznej, a ta odda do domowej sieci ciepłowniczej 5 kWh energii cieplnej, to współczynnik COP wynosi 5. Producenci deklarują, że do takich właśnie wielkości zbliża się powoli współczynnik COP, ale trzeba do tych danych podchodzić z dystansem. Ów wskaźnik zależy między innymi od temperatury zewnętrznej i żądanej temperatury wewnątrz budynku. Pompa, która świetnie wypada przy 5 stopniach Celsjusza, może się okazać bardzo energochłonna przy silniejszym mrozie. I odwrotnie.

W bardzo dużym uproszczeniu można przyjąć, że ogrzanie pompą ciepła powierzchni 100 mkw. przyzwoicie zaizolowanego termicznie domu przy umiarkowanym komforcie termicznym wewnątrz pochłonie w ciągu roku 2500-4000 kWh energii elektrycznej. Wszystko zależy od temperatury na zewnątrz, ocieplenia budynku, ustawienia okien wobec stron świata, a nawet liczby mieszkańców, bo ciepło przecież generują tak zwane czynności życiowe, jak pranie, gotowanie czy kąpiel, a także ciało człowieka.

Przy wyborze pompy ciepła trzeba pamiętać o takich drobiazgach jak jej niskotemperaturowa charakterystyka. Pompy średnio bowiem nadają się do zasilania tradycyjnych grzejników, a najwyższą efektywność ekonomiczną wykazują, zasilając wodne ogrzewanie podłogowe (różnice zużycia energii elektrycznej w porównaniu z kaloryferami wynoszą minimum kilkanaście proc.).

Owe 2500-4000 kWh rocznie za stumetrowy dom to niemało. I znacznie ponad limit wyznaczony przez rząd, który uprawnia w I połowie 2024 r. do korzystania z obniżonej taryfy (1500 kWh w I półroczu). Osoby posiadające większe domostwa za energię zasilającą pompę ciepła zapłacą więc w tym roku niemało. Chyba że dysponują instalacją fotowoltaiczną.

Część inwestorów do doposażania domowej instalacji grzewczej w pompę ciepła mogą zniechęcać ich ceny. Pomimo budżetowych dofinansowań, które w 2024 r. wynoszą w programach Mój Prąd i Moje Ciepło odpowiednio do 45 i 50 proc. kosztów kwalifikowanych, to zazwyczaj kilkanaście tysięcy złotych. Od 1 kwietnia dofinansowanie otrzymają tylko te pompy, które figurują na specjalnej liście Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Poza tym pompy wymagają od czasu do czasu obsługi i nie są zupełnie bezawaryjne. Posiadacze instalacji fotowoltaicznych mają wszak alternatywę w postaci grzejników oporowych. Niekoniecznie tych tradycyjnych grzejników na prąd. Całkiem nieźle sprawdzają się folie grzewcze na podczerwień. To stosunkowo niedrogi następca mat grzewczych, elektrycznych grzejników układanych pod warstwą użytkową podłogi, na przykład pod panelami winylowymi. Folia grzewcza to grzejnik z węglową grzałką zawierającą grafit. Pod wpływem oporu elektrycznego wytwarza ciepło w postaci długich fal podczerwieni (FIR). Wytworzone tą drogą ciepło ogrzewa przedmioty będące w zasięgu fal. Jeśli są to ściany z materiałów potrafiących akumulować ciepło (wspomniane silikaty), to taka metoda ogrzewania domu może być alternatywą dla pompy. Ogrzanie folią grzewczą 100 mkw. dobrze ocieplonego domu pochłonie w ciągu roku 4500-6000 kWh. To więcej niż w przypadku pompy ciepła, ale taka instalacja zasilana przez panele fotowoltaiczne będzie w zasadzie bezobsługowa i niskokosztowa. Uważać trzeba jedynie na wilgoć, folie są nieźle zabezpieczone przed wpływem wody, ale ewentualne uszkodzenia w trakcie montażu mogą prowadzić do problemów z domową instalacją elektryczną.

Paliwem grzewczym o schyłkowym znaczeniu jest gaz ziemny. Po szoku cenowym z 2022 r. nie ma już śladu, ceny na giełdzie TTF są niższe. Ale Bruksela zapowiada wdrożenie do 2028 r. systemu ETS2, który obejmie między innymi budynki. To oznacza dodatkowy ekopodatek na gaz ziemny, co ma skłaniać właścicieli budynków do przechodzenia na ogrzewanie prądem.

W dłuższej perspektywie jedyną rozsądną alternatywą dla prądu z paneli PV jest w UE… drewno. Biomasa drzewna wypadła wprawdzie w grudniu z unijnej listy przyjaznych dla klimatu paliw, ale do ogrzewania albo dogrzewania domostw drewno, jako paliwo odnawialne, nadal będzie przez UE wspierane. Oczywiście pod warunkiem, że lokalne przepisy nie zakazują wznoszenia nowych budynków ogrzewanych paliwem stałym. W gęstej zabudowie miejskiej czy podmiejskiej ogrzewanie domu drewnem też nie ma przyszłości. 