Zasilanie domu wyłącznie energią słoneczną i geotermalną jest możliwe. Udowadniają to Szwajcarzy, którzy od roku mieszkają w pierwszym takim wielorodzinnym budynku na świecie. Wykorzystane w nim technologie współtworzą naukowcy i informatycy z Krakowa.
Dwupiętrowy budynek mieszkalny w niewielkim Brütten pod Zurychem nie wyróżnia się właściwie niczym szczególnym. Fasada z matowych ciemnobrązowych płyt i pospolicie wyglądający dach nie zdradzają, że to dwa podstawowe źródła zasilania. Z wyglądu zupełnie nie przypominają powszechnie znanych paneli słonecznych. Tymczasem wspólnie z trzecim źródłem – pompą ciepła – zaspokajają 100% zapotrzebowania na energię wszystkich mieszkańców i to wyłącznie energią odnawialną. A to wszystko off-grid, czyli bez podłączenia do zewnętrznej sieci elektrycznej. Budynek jest zupełnie samowystarczalny energetycznie.
Oddany w ubiegłym roku blok przeszedł właśnie chrzest bojowy – najbardziej mroźną i pochmurną zimę w Szwajcarii od 30 lat, a także niezwykle gorące lato. – Chociaż mieliśmy wyjątkowo trudne warunki pogodowe, wszystko pracowało perfekcyjnie. Pogoda nie miała żadnego wpływu na komfort mieszkających w budynku rodzin. Wszystkie informacje jakie od nich otrzymaliśmy były bardzo pozytywne – mówi w rozmowie z portalem WysokieNapiecie.pl Bernhard Caviezel, dyrektor w szwajcarskim biurze ABB, globalnego koncernu, który dostarczył kluczowe elementy budynku.
Budynek zasilają wyłącznie panele słoneczne pokrywające dach i południową fasadę. Produkowany w ten sposób prąd jest zużywany na bieżące potrzeby urządzeń elektrycznych w mieszkaniach i pompy ciepła, podgrzewa wodę lub jest magazynowany. Bateria pozwala na krótkoterminowe przechowywanie elektryczności i bilansowanie chwilowych potrzeb. Z kolei wielki zbiornik ciepłej wody pozwala na sezonową akumulację energii. W najchłodniejsze i najbardziej pochmurne dni bilans energetyczny domyka magazyn wodoru, który pozyskuje się z wody latem dzięki nadwyżkom elektryczności, a zużywa w ogniwach paliwowych zimą, dostarczając dodatkowe ilości prądu i ciepła mieszkańcom. Całość spina inteligentny system zarządzania budynkiem. Co ciekawe, część z rozwiązań informatycznych wykorzystywanych w Brütten jest rozwijana w, zatrudniającym ponad 400 osób, globalnym Centrum Rozwoju Oprogramowania ABB w Krakowie.
Jak to dokładnie działa?
Liczący łącznie ponad 1,3 tys. metrów kwadratowych blok składa się z dziewięciu mieszkań o całkiem sporych rozmiarach od 80 do 143 m kw. Energię elektryczną dostarczają mieszkańcom panele słoneczne pokrywające dach (o mocy 80 kW i rocznej produkcji 65-75 MWh energii elektrycznej) oraz, przypominające zwykłą elewację, panele zainstalowane na południowej fasadzie (o mocy 47 kW i produkcji 25-30 MWh).
Łącznie w 2016 roku słońce dostarczyło mieszkańcom 92 MWh energii elektrycznej. Dzięki wykorzystaniu pompy ciepła, wystarczyło to na pokrycie wszystkich potrzeb mieszkańców (120 MWh energii elektrycznej i cieplnej), a także zasilenia jednego samochodu elektrycznego i drugiego na biogaz produkowany z odpadów wyrzucanych przez domowników. Oba auta są przez mieszkańców współużytkowane w systemie car-sharingu.
Magazyn energii elektrycznej
Adrian Kottmann, właściciel niewielkiej szwajcarskiej firmy BE Netz, która dostarczyła panele słoneczne na potrzeby budynku, wylicza, że w ciągu jednej słonecznej godziny latem produkują one tyle energii, ile wynosi dobowe zapotrzebowanie mieszkańców. Nadmiar prądu trzeba wobec tego zmagazynować.
Energia nie wykorzystana od raz przez urządzenia RTV i AGD trafia do akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego o mocy 110 kW i pojemności 153 kWh netto (zaprojektowanego na przynajmniej 6 tys. cykli ładowania i rozładowywania, czyli 10-15 lat użytkowania). Jego pojemność wystarczyłaby na zaspokojenie całkowitych potrzeb mieszkańców przez 2-3 dni.
Magazyny i pompa ciepła
Od późnej wiosny do jesieni dodatkowy nadmiar energii, za pomocą pompy ciepła, trafia do magazynów gorącej wody. To dwa zwykłe emaliowane zbiorniki o pojemności 125 m sześc. każdy, wykorzystywane także m.in. w rolnictwie, zakopane pod budynkiem. Umożliwiają przechowywanie wody pod normalnym ciśnieniem w temperaturze od 6 do 65 st. C i jej późniejsze wykorzystanie do zasilania niskotemperaturowego ogrzewania domu.
Zimą ogrzewanie budynku wspiera także pompa ciepła o mocy 28 kW z dwoma odwiertami na głębokość 338 m każdy, wykorzystująca wody gruntowe jako dolne źródło ciepła.
Dodatkowym, krótkoterminowym magazynem ciepła może być także sam dom. – Gdy na krótki czas, np. na godzinę, zmniejszymy dostawy ciepła, to budynek o masywniejszej konstrukcji będzie się schładzać bardzo wolno – przez kilka-kilkanaście godzin. W ciągu godziny temperatura obniży się nieodczuwalnie dla użytkowników budynku – np. o pół stopnia Celsjusza. W dodatku straty ciepła budynku nieznacznie się zmniejszą – tłumaczy Michał Leśko z Veolia Energia Warszawa. Warszawski dostawca ciepła także pracuje nad wykorzystaniem bezwładności cieplnej budynków podłączonych do sieci ciepłowniczej, co w przyszłości mogłoby ograniczyć wykorzystanie nieefektywnych mocy szczytowych.
Magazyn wodoru i ogniwo paliwowe
Gdy latem produkcja energii elektrycznej w panelach słonecznych jest najwyższa, dodatkowe nadwyżki trafiają ponadto do elektrolizera o mocy 14 kW, a więc urządzenia pozwalającego na produkcję wodoru z wody. System, nazywany z angielskiego power2gas, pozwala magazynować przez kilka miesięcy do 120 m sześc. wodoru w zbiorniku zakopanym obok budynku i wykorzystywać go przy bardzo niekorzystnych warunkach.
Projektanci budynkowej informatyki z ABB wyliczają, że w ciągu roku jest ok. 25 dni, w których brakuje energii z paneli słonecznych – przede wszystkim w grudniu i styczniu. Wówczas wodór jest wykorzystywany w domowym ogniwie paliwowym o mocy 6 kW. Ogniwo ma zaledwie 18% sprawności elektrycznej, ale dzięki magazynowaniu niemal całego ciepła odpadowego sumaryczna sprawność tego rozwiązania przekracza 80%.
Efektywność energetyczna
Aby zasilanie całkowicie autonomicznego domu jedynie ze słońca i geotermii było możliwe, budynek musiał spełniać standard budynku pasywnego. Ma bardzo dobrą izolację ścian (28 cm) i wykorzystuje m.in. system rekuperacji, a więc odzysku ciepła z wentylacji. Dzięki temu roczne zapotrzebowanie na ogrzewanie wynosi zaledwie 15 kWh/m2, chociaż północna Szwajcaria ma klimat bardzo podobny do polskiego. Dla porównania średnie zapotrzebowanie budynków z lat 80. w Polsce wynosi 250 kWh/m2 a nowych wciąż często przekracza 90 kWh/m2.
Także większość sprzętów RTV i AGD w budynku należy do najwyższej klasy energetycznej A+++. Siemens, który dostarczył część z urządzeń AGD podaje, że wykorzystywane w bloku lodówki zużywają rocznie 150 kWh, podczas gdy lodówki o podobnej wielkości, ale w klasie energetycznej A+ potrzebują ok. 260 kWh. Przy dziewięciu mieszkaniach różnica w zapotrzebowaniu na energię tylko przez ten jeden rodzaj AGD wynosi ok. 1 MWh, czyli ponad 1% rocznego zużycia energii elektrycznej w domu. A i tak porównanie dotyczy dwóch bardzo wysokich standardów.
Inteligentny budynek
Aby mieszkańcy mieli energię elektryczną zawsze, kiedy potrzebują, budynkowa automatyka musi bilansować produkcję i zapotrzebowanie odbiorców w każdej sekundzie z niezwykłą dokładnością. Bezobsługowy system musi więc wykonywać zadania, za które na poziomie krajowym odpowiada sztab ludzi. Podobnie sytuacja wygląda w przypadku dostaw ciepła.
Jednocześnie mieszkańcy budynku w szwajcarskim miasteczku nie tylko nie odczuwają mniejszego komfortu, ale też korzystają z wielu rozwiązań ułatwiających codziennie życie. System smart home pozwala im np. na błyskawiczną konfigurację oświetlenia w zależności od tego, czy akurat domownicy jedzą, czytają, czy oglądają telewizję.
– Dzięki czujnikom wewnątrz i na zewnątrz budynku system automatycznie reaguje na warunki zewnętrzne. Jeśli z powodu zbyt dużego nasłonecznienia w mieszkaniu robi się zbyt ciepło, zasłony zostają automatycznie zaciągnięte. Jeśli istnieje ryzyko, że silnie wiejący wiatr może uszkodzić zasłony, są one podciągane. Dzięki temu, system automatyki budynku nie tylko zapewnia bezpieczeństwo i sprawność energetyczną, ale także maksimum komfortu – tłumaczył Mike Mustapha z ABB.
Ile to kosztuje?
Z informacji dewelopera wynika, że sama budowa domu w standardzie pasywnym kosztowała o 15% więcej, niż jego wykonanie według standardowych (szwajcarskich) norm. Koszt paneli wykorzystanych na fasadzie o mocy 100 W/m2 wyniósł 600 CHF/m2. System magazynowania energii elektrycznej w dwóch akumulatorach litowo-żelazowo-fosforanowych o mocy 55 kW każdy i sprawności netto 85% kosztował 220 tys. euro. Niestety informacji o kosztach dostarczenia pozostałych rozwiązań technologicznych niestety nie udało nam się uzyskać.
Przy niskooprocentowanym kredycie hipotecznym budowa domu w standardzie pasywnym powinna spłacać się od samego początku – dodatkowy koszt w racie kredytu w większości przypadków powinien być niższy, niż uniknięte koszty ogrzewania elektrycznego czy gazowego. W ten sam sposób od samego początku zapewne spłaca się także inwestycja w dachowe panele słoneczne. Największe koszy generuje najprawdopodobniej system wodorowy. Chociaż jest potrzebny mieszkańcom zaledwie przez kilka procent czasu w roku. Koszt elektrolizera, specjalistycznego zbiornika na wodór i ogniwa paliwowego będą wyższe, niż koszt przyłączenia do publicznej sieci energetycznej i zakup energii na potrzeby bilansowania tych 25-30 dni w oku.
Techno(socjo)logia
