Των κ. Τρύφωνα Ρουμπεδάκη, Γεώργιου Κάλλη και Σωτήριου Καρέλλα*
Η κάλυψη των αναγκών θέρμανσης και ψύξης βασίζεται επί του παρόντος –και σε μεγάλη κλίμακα– σε συμβατικές πηγές ενέργειας, με αποτέλεσμα σημαντικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα. Σύμφωνα με τη Eurostat, μόνο το 37,2% των συνολικών αναγκών θέρμανσης χώρου και λιγότερο από το 1% των συνολικών αναγκών ψύξης χώρου προέρχονται από ανανεώσιμες πηγές και απόβλητα στην Ελλάδα για το 2018.
Αν όμως λάβει κανείς υπόψη τους στόχους της Ε.Ε. για το 2030 και το 2050, η αύξηση της διείσδυσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στο χώρο της ψύξης και θέρμανσης αποτελεί επιτακτική ανάγκη. Μάλιστα, ο «επιμέρους» στόχος της ΕΕ για ετήσια αύξηση 1,3% των συστημάτων με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε εφαρμογές θέρμανσης και ψύξης, υπολογιζόμενη για περίοδο 5 ετών από το 2021, ενισχύει περαιτέρω τις πολιτικές και τα χρηματοδοτικά πακέτα των μελών της Ε.Ε. για την αύξηση της διείσδυσης ιδίως των ηλιακά τροφοδοτούμενων συστημάτων ψύξης και θέρμανσης σε οικιακές εφαρμογές.
Ως προς τα συστήματα ηλιακής ψύξης / θέρμανσης, οι δύο κύριες εναλλακτικές λύσεις είναι:
i) Οι αντλίες θερμότητας με φωτοβολταϊκά (φ/β – α/θ).
ii) Τα ηλιοθερμικά συστήματα ρόφησης (απορρόφησης ή προσρόφησης).
Όπως έχουν δείξει παλιότερες μελέτες από τους συγγραφείς, η μείωση της εξάρτησης από τις συμβατικές πηγές ενέργειας αποδείχθηκε βασικός παράγοντας στο μειωμένο αποτύπωμα ενός ηλιοθερμικού συστήματος ρόφησης. Ωστόσο, η μεγάλη επιφάνεια του πεδίου των ηλιοθερμικών συλλεκτών είχε ως αποτέλεσμα χειρότερη απόδοση σε κατηγορίες που εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τα υλικά με περιεκτικότητα σε χαλκό και τις σχετικές διαδικασίες επεξεργασίας αυτών.
Έχοντας αυτό σαν δεδομένο, ένα σύστημα φ/β – α/θ μπορεί να προσφέρει τα πλεονεκτήματα των ώριμων τεχνολογιών των υποσυστημάτων του σε συνδυασμό με τη μεγάλη ειδική θερμική ισχύ ανά μονάδα επιφανείας, η οποία έχει ως αποτέλεσμα μικρότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις κατά κανόνα.
Η «ανάλυση κύκλου ζωής» (ΑΚΖ) (Life Cycle Analysis, LCA) είναι η πλέον αποδεκτή μεθοδολογία για την αποτίμηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων ενός τέτοιου συστήματος. Κατά το ISO 14040-2006, η ανάλυση κύκλου ζωής είναι μία συστηματική και αναλυτική μέθοδος που βοηθάει στην αναγνώριση, εκτίμηση και ελαχιστοποίηση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που συνδέονται με ολόκληρο τον κύκλο ζωής ενός προϊόντος. Ως προϊόν ορίζεται κάθε υλικό ή άυλο αγαθό ή υπηρεσία, ενώ τα στάδια μιας ανάλυσης κύκλου ζωής συνοψίζονται στην εικόνα 1.
Τα στατιστικά στοιχεία της European Heat Pump Association (EHPA) αναφέρουν ότι πωλήθηκαν στην Ευρώπη περισσότερες από 1,1 εκατομμύρια αντλίες θερμότητας, οδηγώντας σε εγκατεστημένη ισχύ 10,6 MBtu. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση των εκπομπών άνθρακα κατά 29,8 Mt και την παραγωγή 116 TWh ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Τα συστήματα που λειτουργούν με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας σε εφαρμογές θέρμανσης και ψύξης αποτελούν μια επιτυχή λύση.
Οι συγγραφείς του άρθρου, σε συνεργασία με συναδέλφους από το Πολυτεχνείο του Μιλάνου, πραγματοποίησαν μία ανάλυση κύκλου ζωής για ένα σύστημα φ/β-α/θ με εφαρμογή σε ένα διαμέρισμα 100m2, στο Μιλάνο της Ιταλίας, και συνέκριναν το περιβαλλοντικό αποτύπωμα αυτού με συμβατικές μονάδες ψύξης / θέρμανσης αλλά και με την απλή λειτουργία μίας συμβατικής αντλίας θερμότητας, χωρίς τη χρήση φ/β. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε στο λογισμικό SimaPro.
Το σύστημα
Το υπό μελέτη σύστημα είναι μία αντλία θερμότητας (α/θ) νερού – νερού συζευγμένη με φωτοβολταϊκό πάνελ. Η επιλογή α/θ νερού – νερού αντί για α/θ αέρα – νερού έγινε λόγω απουσίας αναλυτικών δεδομένων κατά τις προδιαγραφές της ανάλυσης κύκλου ζωής για τη δεύτερη. Η κάλυψη από τα φ/β υλοποιείται μέσω virtual net metering.
To σύστημα, που απεικονίζεται στην εικόνα 2, αποτελείται από έναν ερμητικού τύπου συμπιεστή scroll με τον κινητήρα του, δύο πλακοειδείς εναλλάκτες θερμότητας (ατμοποιητή και συμπυκνωτή), μια εκτονωτική βαλβίδα, τη μονάδα απόρριψης θερμότητας και τα φ/β πάνελ.
Η απόρριψη θερμότητας πραγματοποιείται μέσω ξηρού πύργου ψύξης τύπου V, μέγιστης ικανότητας απόρριψης θερμότητας 15kW. Τα δεδομένα απόδοσης του πύργου ψύξης, καθώς και η πλήρης λίστα υλικών του, βασίστηκαν σε πραγματικά δεδομένα από υπάρχουσα εγκατάσταση στο Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου. Δεδομένου ότι η ανάλυση εστιάζει σε αντλίες θερμότητας τελευταίας τεχνολογίας, το εργαζόμενο μέσο υποτέθηκε πως είναι το R-1234ze (E), το οποίο θεωρείται ρευστό εξαιρετικά χαμηλού δυναμικού υπερθέρμανσης του πλανήτη (GWP) με τιμή ίση με 4. Τέλος, οι τερματικές μονάδες στους θερμαινόμενους / ψυχόμενους χώρους υλοποιούνται μέσω fancoil.
Η λειτουργία των συνιστωσών του συστήματος μοντελοποιήθηκε στο περιβάλλον Matlab, ενώ τα θερμικά φορτία του υπό εξέταση διαμερίσματος υπολογίστηκαν βάσει προσομοιώσεων στο λογισμικό EnergyPlus. Ακολούθως, περιγράφονται κάποιες βασικές θεωρήσεις και αποτελέσματα της μοντελοποίησης του συστήματος.
Μια εικόνα των φορτίων του διαμερίσματος που υπολογίστηκαν από το EnergyPlus παρουσιάζεται στην εικόνα 3. Στο Μιλάνο, οι ανάγκες θέρμανσης είναι μεγαλύτερες από εκείνες της ψύξης, όπως είναι αναμενόμενο (παραπλήσια συμπεριφορά με κλιματική ζώνη Δ για την Ελλάδα). Το μέγιστο φορτίο θερμότητας ανέρχεται σε περίπου 5,1kW, έναντι μόνο 3,4kW του μέγιστου φορτίου ψύξης.
Για τον υπολογισμό της κατανάλωσης του λέβητα χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα από ένα εμπορικό μοντέλο, και πιο συγκεκριμένα από το λέβητα συμπύκνωσης αερίου Riello 20 IS-E. Για την προβλεπόμενη κατοικία των 100m2 εκτιμάται η συνολική εγκατεστημένη ισχύς ψύξης περί τα 7,92kW, και καθεμιά από τις τρεις μονάδες κλιματισμού (a/c) single split που θεωρήθηκαν έχει χωρητικότητα ίση με 9.000 Btu/h. Η απόδοση των μονάδων a/c χαρακτηρίζεται από έναν EER ίσο με 6,84 Btu/h.
Εικ. 1. Στάδια μεθοδολογίας Ανάλυσης Κύκλου Ζωής
Όσον αφορά τη μοντελοποίηση των φ/β, αυτή υλοποιήθηκε με βάση τη λειτουργία συμβατικών πάνελ της αγοράς και εν προκειμένου του Tri
nasolar Tallmax TSM-340PD14. Προκειμένου να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις της αντλίας θερμότητας επιτυγχάνοντας ένα ικανοποιητικό ηλιακό κλάσμα, εξετάστηκε η περίπτωση τεσσάρων φωτοβολταϊκών πάνελ, το καθένα με καθαρή επιφάνεια 1,945m2 και ονομαστική ισχύ εξόδου 340 Wp.
Το αποτέλεσμα της προσομοίωσης της ετήσιας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας ήταν 2.691,7 kWhel, και μια επισκόπηση του προφίλ της ετήσιας παραγωγής ενέργειας με ωριαίο βήμα του φ/β φαίνεται στην εικόνα 4. Παρά τη σχετική χαμηλή ηλιακή ακτινοβολία, τα φωτοβολταϊκά πάνελ έχουν επαρκή απόδοση χάρη στις χαμηλότερες μέσες θερμοκρασίες, οι οποίες ψύχουν
Εικ. 2. Σχηματική απεικόνιση υπό μελέτη συστήματος φωτοβολταϊκών – αντλιών θερμότητας.
τις φωτοβολταικές κυψέλες και έτσι αποτρέπουν την απότομη μείωση της απόδοσης των φωτοβολταϊκών, κάτι που συμβαίνει σε υψηλότερες θερμοκρασίες της κυψέλης.
Όσον αφορά τη λειτουργία της, η συμβατική α/θ μοντελοποιήθηκε βάσει διαγραμμάτων απόδοσης της εταιρείας Carrier για το μοντέλο αντλίας θερμότητας 30AW. Λαμβάνοντας υπόψη ότι σε κάθε στιγμή του έτους το σύστημα πρέπει να μπορεί να ικανοποιεί το φορτίο, η αντλία θερμότητας διαστασιολογήθηκε στα 12kW.
Στοιχεία ανάλυσης κύκλου ζωής
Η ανάλυση ακολουθεί μια προσέγγιση «cradle to grave», που λαμβάνει υπόψη όλα τα στάδια, από την εξόρυξη και το μετασχηματισμό πρώτων υλών, τη μεταφορά, τη λειτουργία και τη συντήρηση, έως τη διαχείριση των αποβλήτων στο τέλος του κύκλου ζωής, συμπεριλαμβανομένων όλων των συνιστωσών των εξεταζόμενων συστημάτων.
Η λειτουργική μονάδα (FU) που επιλέχθηκε και χρησιμοποιήθηκε σε όλη αυτή τη μελέτη είναι 1kWh θερμικής ενέργειας (θέρμανση και ψύξη) που παρέχεται από κάθε μελετώμενο σύστημα.
Η μελέτη εκτείνεται για μια περίοδο 20 ετών, που θεωρείται ως η ωφέλιμη διάρκεια ζωής ενός τέτοιου συστήματος. Η κατάρτιση της βάσης δεδομένων του κύκλου ζωής περιλάμβανε τη συλλογή και ποσοτικοποίηση όλων των εισροών (υλικών,
Εικ. 3. Επισκόπηση των θερμικών φορτίων για το κτίριο αναφοράς στο Μιλάνο για προσομοίωση ενός έτους.
κατανάλωσης εν
έργειας κλπ.) και των εκροών (εκπομπών στον αέρα, νερού κλπ.) των εξεταζόμενων συστημάτων καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους. Οι κύριες πηγές προέρχονταν από κατασκευαστές, από τη βάση δεδομένων ecoinvent v 3.6 καθώς και από σχετική βιβλιογραφία.
έργειας κλπ.) και των εκροών (εκπομπών στον αέρα, νερού κλπ.) των εξεταζόμενων συστημάτων καθ’ όλη τη διάρκεια του κύκλου ζωής τους. Οι κύριες πηγές προέρχονταν από κατασκευαστές, από τη βάση δεδομένων ecoinvent v 3.6 καθώς και από σχετική βιβλιογραφία.Παρακάτω παρουσιάζονται με τις μεθόδους «ReCiPe 2016 Midpoint v.1.03» και «ReCiPe 2016 Endpoint v.1.03» τα αποτελέσματα της σύγκρισης του συστήματος με συμβατικό σύστημα θέρμανσης/ψύξης καθώς και με απλή λειτουργία αντλίας θερμότητας χωρίς φ/β.
Αποτελέσματα
Η εικόνα 5 δείχνει τη συνεισφορά κάθε συνιστώσας της ηλιακά (φ/β) τροφοδοτούμενης αντλίας θερμότητας σε όλες τις κατηγορίες επιπτώσεων (σε επίπεδο «midpoint») οι οποίες θεωρήθηκαν για την ανάλυση: του ξηρού πύργου ψύξης, του συμπιεστής με ενα
λλάκτες, των τερματικών μονάδων, των φωτοβολταϊκών πάνελ και του ηλεκτρισμού χαμηλής τάσης από το ιταλικό δίκτυο.
Ο αντίκτυπος των φωτοβολταϊκών μονάδων κυριαρχεί σε σχέση με όλες τις υπόλοιπες συνιστώσες. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τα φ/β πάνελ επηρεάζονται άμεσα από το ενεργειακό μείγμα της χώρας στην οποία κατασκευάζονται, εν προκειμένω της Κίνας, το οποίο βασίζεται κυρίως στον άνθρακα και συνεπάγεται σημαντικές εκπομπές, όπως μπορεί να παρατηρηθεί στις κατηγορίες της υπερθέρμανσης του πλανήτη και της εξάντλησης του όζοντος.
Επιπρόσθετα, η παραγωγή μιας φωτοβολταϊκής μονάδας απαιτεί μεγάλες ποσότητες άνθρακα κατά την αρχική φάση της επεξεργασίας, προκειμένου να ληφθεί μέσω τήξης το μεταλλουργικό πυρίτιο. Το αποτύπωμα που σχετίζεται με αυτή τη διαδικασία μπορεί να υπαχθεί στην κατηγορία της υπερθέρμανσης του πλανήτη.
Μια άλλη πτυχή που υπογραμμίζει τη συμβολή των φωτοβολταϊκών είναι η υψηλή κατανάλωση νερού, όπως φαίνεται στην αντίστοιχη κατηγορία.
Στην εικόνα 6 συγκεντρώνονται τα αποτελέσματα από τη σύγκριση των συστημάτων του λέβητα συμπύκνωσης φυσικού αερίου και των κλιματιστικών μονάδων A/C, της συμβατικής αντλίας θερμότητας και του υπό εξέταση συστήματος (φ/β με α/θ). Στις περισσότερες κατηγορίες, η συμβατική αντλίας θερμότητας παρουσιάζει τον υψηλότερο αντίκτυπο, κάτι το οποίο οφείλεται στο γεγονός ότι το συγκεκριμένο σύστημα απαιτεί τη μεγαλύτερη ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας για την παροχή θέρμανσης και ψύξης. Οι παραδοσιακές τεχνολογίες ακολουθούν αυτή την τάση, δεδομένου ότι καταναλώνουν λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια. Ωστόσο,
Εικ. 4. Επισκόπηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας για μια φωτοβολταϊκή συστοιχία στο Μιλάνο με προσομοίωση για ένα έτος.
εξακολουθεί να καταναλώνεται και πάλι μεγ
άλη ποσότητα από τις κλιματιστικές μονάδες A/C.
άλη ποσότητα από τις κλιματιστικές μονάδες A/C.Επιπλέον, παρά το γεγονός ότι ο λέβητας φυσικού αερίου δεν απαιτεί ηλεκτρική ενέργεια για τη λειτουργία του, έχει σημαντικές εκπομπές από την καύση του φυσικού αερίου, με αποτέλεσμα το σύστημα να παρουσιάζει τη χειρότερη απόδοση στην κατηγορία της υπερθέρμανσης του πλανήτη.
Όσον αφορά την αντλία θερμότητας με τα φ/β, παρουσιάζει το χαμηλότερο αντίκτυπο σε όλες τις κατηγορίες επιπτώσεων, εκτός από αυτή της εξάντλησης των πόρων μεταλλευμάτων, λόγω των μεγάλων ποσοτήτων χαλκού, χάλυβα, αλουμινίου και πυριτικής άμμου που απαιτούνται για την παραγωγή των φωτοβολταϊκών μονάδων, του πύργου ψύξης, του συμπιεστή και των εναλλακτών θερμότητας.
Στην εικόνα 7 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα σε επίπεδο «endpoint», το οποίο παρέχει πληροφορίες σχετικά με την περιβαλλοντική συνάφεια των περιβαλλοντικών ροών, αλλά είναι πιο αβέβαιο από το προηγούμενο επίπεδο «midpoint», καθώς επιχειρεί να προβλέψει πώς μπορεί να προσαρμοστούν οι άνθρωποι και τα ζωντανά είδη στο μέλλον.
Όπως είναι εμφανές, συνάγεται το συμπέρασμα ότι το σύστημα αντλίας θερμότητας με τα φ/β είναι το λιγότερο επιβλαβές και στις τρεις περιοχές προστασίας.
Εικ. 5. Συνεισφορά συνιστωσών στο συνολικό αντίκτυπο του συστήματος της αντλίας θερμότητας και φωτοβολταϊκών σε επίπεδο «midpoint».
Εικ. 6. Συγκριτική ανάλυση επιπτώσεων για το λέβητα με τις κλιματιστικές μονάδες AC, τη συμβατική αντλία θερμότητας, και την αντλία θερμότητας με τα Φ/Β σε επίπεδο «endpoint».
* Ο κ. Τρύφωνας Ρουμπεδάκης είναι υποψήφιος διδάκτορας μηχανολόγος μηχανικός, ο κ. Γεώργιος Κάλλης είναι διπλωματούχος μηχανολόγος μηχανικός και ο κ. Σωτήριος Καρέλλας είναι καθηγητής της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου.
