μελέτη εφαρμογών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον οικιστικό τομέα σχεδίαση προδιαγραφών φ/β συστήματος μικρής κλίμακας

Μέγεθος: px
Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "μελέτη εφαρμογών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον οικιστικό τομέα σχεδίαση προδιαγραφών φ/β συστήματος μικρής κλίμακας"

Transcript

1 μελέτη εφαρμογών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας στον οικιστικό τομέα σχεδίαση προδιαγραφών φ/β συστήματος μικρής κλίμακας

2 κενή σελίδα 2

3 3

4 ευχαριστίες Ευχαριστώ θερμά τον κ. Φωτιάδη Σέργιο για την υπομονή και τη συνεχή καθοδήγηση! Τους κ. Παπανίκο και κ. Δραμυτινό για τις πολύτιμες συμβουλές και παρατηρήσεις! Τους ανθρώπους που με στήριξαν με τον τρόπο τους όλο αυτό το διάστημα! 4

5 πίνακας περιεχομένων 0. Εισαγωγή 0.1 Αντικείμενο μελέτης 0.2 Διάρθρωση της εργασίας 1. Ενέργεια και Περιβάλλον 1.1 Επιπτώσεις της παραγωγής ενέργειας στο περιβάλλον παγκόσμια (υπέρ)θέρμανση Εξάντληση των φυσικών (ορυκτών) πόρων Όξινη βροχή Συγκριτικός πίνακας περιβαλλοντικών επιπτώσεων διαφόρων πηγών ενέργειας 1.2 Κατανάλωση ενέργειας στον οικιστικό τομέα Οικολογική κατοικία 1.3 Συμπεράσματα 2. Βιοκλιματικός σχεδιασμός 2.1 Περιεχόμενα διαδικασίας Προσανατολισμός του κτηρίου Χωροθέτηση των δωματίων Θερμική προστασία/ μόνωση Μορφή του κτηρίου Θερμοχωρητικότητα δομικών στοιχείων Παθητικά συστήματα για εκμετάλλευση των θερμικών ηλιακών κερδών Φυσικός δροσισμός/ αερισμός Φυσικός φωτισμός 2.2 Συμπεράσματα 3. Ενεργειακή κατανάλωση οικιακών συσκευών 3.1 Γενικοί όροι 3.2 Υπολογισμός ενεργειακής κατανάλωσης Προσδιορισμός παραγόντων Πίνακες μέτρησης 3.3 Συσκευές χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και ενεργειακή σήμανση Ηλεκτρικές συσκευές - Ενεργειακή ετικέτα Λαμπτήρες φωτισμού Ηλεκτρονικές συσκευές 3.4 Κατανάλωση σε φάση αναμονής 3.5 Συμπεράσματα 4. Ανανεώσιμες πήγες ενέργειας(απε) 4.1 Γενικά πλεονεκτήματα των ΑΠΕ 4.2 Οικιστικός τομέας Ηλεκτροπαραγωγή Παραγωγή θερμότητας 4.3 Νομοθετικό πλαίσιο Διεθνές και κοινοτικό νομικό πλαίσιο Ελληνικό νομικό πλαίσιο 4.4 Ηλιακή ενέργεια Φωτοβολταικά συστήματα Θερμικά ηλιακά συστήματα 4.5 Αιολική ενέργεια Ανεμογεννήτριες

6 πίνακας περιεχομένων 4.6 Γεωθερμική ενέργεια Ιστορικό ανάπτυξης Γεωθερμικά πεδία Κατηγορίες γεωθερμικών πηγών Προϋποθέσεις Ενθαλπία γεωθερμικής ενέργειας Χρήσεις γεωθερμικής ενέργειας Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας στον οικιστικό τομέα 4.7 Ενέργεια από βιομάζα Γενικά χαρακτηριστικά Χρήσεις βιομάζας Συστήματα καύσης βιομάζας στον οικιστικό τομέα 4.8 Εφαρμογές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας Συμπεράσματα Σχεδιαστική διαδικασία 5.1 Ορισμός προβληματικού χώρου 5.2 Ορισμός Brief 5.3 Σενάριο χρήσης 5.4 Σχεδιαστικές προδιαγραφές 5.5 Έρευνα αγοράς αυτόνομα φ/β συστήματα Τύποι Φωτοβολταϊκών πάνελ Συσσωρευτές Αντιστροφέας ισχύος Ρυθμιστής Φόρτισης 5.6 Ανάλυση σχεδιαστικών προδιαγραφών Κάλυψη των ενεργειακών αναγκών των συσκευών μικρής ενεργειακής κατανάλωσης στα πλαίσια του χώρου του γραφείου Τμήματα που συνδέονται μεταξύ τους για την επιτέλεση της τελικής λειτουργίας Τοποθέτηση τμημάτων του συστήματος σε εξωτερικό χώρο Τοποθέτηση τμημάτων του συστήματος σε εσωτερικό χώρο Μέγιστη απορρόφηση ηλιακής ενέργειας Εύχρηστο και απλό στην τοποθέτηση σύστημα Αποθήκευση ή προσαρμογή της μορφής για προστασία Εγχειρίδιο σχεδιαστικών προδιαγραφών φ/β συστήματος 6.1 Συλλογή - Φ/Β πάνελ 6.2 Αποθήκευση Συσσωρευτής 6.3 Αντιστροφέας ισχύος και ρυθμιστής φόρτισης 6.4 Τμήμα χρήσης ενέργειας 6.5 Συνδιασμός συνιστωσών 6.6 Φ/β σύστημα και τοποθέτηση στο χώρο Αναφορές 157 6

7 00 εισαγωγή 0.1 Αντικείμενο μελέτης Αντικείμενο μελέτης και ανάλυσης της διπλωματικής εργασίας που ακολουθεί, αποτελούν τα συστήματα παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές(απε) και η εφαρμογή τους στο επίπεδο της οικίας (οικιστικός τομέας). Σε πρώτο στάδιο και πριν την εμβάθυνση στο κεντρικό αντικείμενο μελέτης, πραγματοποιήθηκε μια γενικότερη διερεύνηση στη σχέση της ενέργειας με το περιβάλλον και στις επιπτώσεις που έχει σε αυτό η παραγωγή της. Επιπρόσθετα μελετήθηκαν δύο σημαντικοί, παραπλήσιοι τομείς, η διαδικασία του βιοκλιματικού σχεδιασμού των κτηρίων και η ενεργειακή κατανάλωση των διαφόρων συσκευών στα πλαίσια της κατοικίας. Αναλυτικότερα, ο βιοκλιματικός σχεδιασμός είναι η διαδικασία που ουσιαστικά προετοιμάζει το έδαφος και αναφέρεται στη σχεδίαση του κτηρίου με τρόπους που εξασφαλίζουν συνδυαστικά τον περιορισμό κατανάλωσης ενέργειας. Από την άλλη πλευρά η μελέτη της κατανάλωσης σε ενέργεια οικιακών συσκευών, οδηγεί σε χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τις ενεργειακές βαθμίδες κατανάλωσης που εμφανίζουν και γενικότερα σχετικά με τις ενεργειακές ανάγκες μιας κατοικίας. Σκοπός της διερεύνησης των παραπάνω διαδικασιών είναι η γενικότερη κατανόηση και αντίληψη της ολότητας του όρου της οικολογικής κατοικίας, βασικό τμήμα της οποίας αποτελούν τα συστήματα παραγωγής ενέργειας από πηγές που ανανεώνονται. Σε δεύτερο στάδιο γίνεται εμβάθυνση στο βασικό αντικείμενο μελέτης, δηλαδή στον τομέα των συστημάτων παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές. Μελετούνται όλες οι τεχνολογίες και τα συστήματα που χρησιμοποιούνται στον κλάδο αυτό, το υπάρχον νομοθετικό πλαίσιο που καθορίζει την χρήση τους και αναλύονται οι αρχές, οι τρόποι λειτουργίας τους και οι εφαρμογή τους στον οικιστικό τομέα. Κεντρικός στόχος της έρευνας, είναι η κατανόηση των εφαρμογών ΑΠΕ, των στοιχείων που τα χαρακτηρίζουν, της λειτουργικότητας τους αλλά και των μειονεκτημάτων και των περιορισμών που τα διέπουν. Κλείνοντας με το ερευνητικό κομμάτι της διπλωματικής εξάγονται κάποια γενικότερα συμπεράσματα σε σχέση με τις εφαρμογές ΑΠΕ. Με βάση τα συμπεράσματα αυτά ξεκινάει η σχεδιαστική διαδικασία η οποία και προσανατολίζεται στην ηλιακή ενέργεια και συγκεκριμένα στην τεχνολογία των φ/β συστημάτων. Η διαδικασία αφορά ποιο συγκεκριμένα, τον εντοπισμό συγκεκριμένου προβληματικού χώρου στην παραγωγή ενέργειας από Φ/Β συστήματα στα πλαίσια της κατοικίας και στη σχεδίαση των προδιαγραφών ενός φ/β συστήματος μικρής κλίμακας, το οποίο θα καλύπτει τις απαιτήσεις του χώρου αυτού και θα βασίζεται σε προκαθορισμένο σενάριο χρήσης. 0.2 Διάρθρωση της εργασίας Το τεύχος της εργασίας δομείται σε οκτώ διαδοχικά κεφάλαια Το παρόν κεφάλαιο -Κεφάλαιο 00 - αποτελεί μια γενική εισαγωγή στο θέμα, το αντικείμενο μελέτης και τους στόχους της διπλωματικής εργασίας. Στο Κεφάλαιο 01 γίνεται μια αναφορά στο θέμα των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας, περιγράφεται η ενεργειακή κατανάλωση στον οικιακό τομέα(όπου εστιάζει η παρούσα διπλωματική) και αναλύεται η γενικότερη έννοια της οικολογικής κατοικίας. Το Κεφάλαιο 2 αποτελεί μια εκτενή αναφορά στην διαδικασία του βιοκλιματικού σχεδιασμού, ανάλυση των περιεχομένων και των τεχνικών που εφαρμόζονται και εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με τη φύση και την απόδοση μιας βιοκλιματικής μελέτης. Το Κεφάλαιο 3 έχει ως αντικείμενο τη μελέτη και ανάλυση της ενεργειακής κατανάλωσης της κατοικίας, τον ορισμό διαφόρων εννοιών που σχετίζονται με αυτή, καθώς και τη μελέτη των συσκευών χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και τις διαδικασίες που εφαρμόζονται σχετικά με την ενεργειακή σήμανση τους. 7

8 00 Το Κεφάλαιο 4 το οποίο είναι και το εκτενέστερο αποτελεί μια σε βάθος έρευνα όλων των εφαρμογών παραγωγής ενέργειας από ανανεώσιμες πηγές, των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται σήμερα και ειδικότερα της χρήσης τους στον οικιστικό τομέα. Το κεφάλαιο κλείνει με μια σειρά από συγκριτικά συμπεράσματα σχετικά με την αποδοτικότητα και την εφαρμογή των διαφόρων μορφών στα πλαίσια της κατοικίας Τα Κεφάλαια 6 και 7 αποτελούν τη διαδικασία μελέτης μέχρι και την τελική σχεδίαση και ανάλυση των προδιαγραφών του φ/β συστήματος. Αναλυτικότερα: Το κεφάλαιο 6 εμπεριέχει μια έρευνα αγοράς επάνω στις συνιστώσες που συνθέτουν ένα Φ/Β σύστημα με αναφορές στη λειτουργία, το κόστος και την απόδοση των υλικών. Τέλος το Κεφάλαιο 7 εμπεριέχει τη σχεδιαστική διαδικασία ξεκινώντας από τον εντοπισμό και τον ορισμό του προβληματικού χώρου, την σύνταξη του Brief και τη σταδιακή μελέτη και σχεδίαση των προδιαγραφών του φ/β συστήματος. 8

9 ενέργεια και περιβάλλον 01 Το ενεργειακό πρόβλημα έχει γίνει εδώ και αρκετά χρόνια αντιληπτό από την ανθρωπότητα. Ιστορικά η απαρχή της ολοκληρωτικής παρέμβασης του ανθρώπου στο περιβάλλον για την παραγωγή ενέργειας, έγινε πριν από δύο περίπου αιώνες κατά την εποχή της βιομηχανικής επανάστασης. Από εκείνο το σημείο και έπειτα ο άνθρωπος καταναλώνει ακατάπαυτα φυσικούς πόρους (ορυκτούς κυρίως) για την παραγωγή ενέργειας και μάλιστα με τρόπο ανεξέλεγκτο. Το αποτέλεσμα αυτής της «εξέλιξης» συσσωρευτικά δημιούργησε μια σειρά σημαντικών προβλημάτων με ποικίλες επιπτώσεις στον τομέα του περιβάλλοντος αλλά και της παγκόσμιας οικονομίας. 1.1 Επιπτώσεις της παραγωγής ενέργειας στο περιβάλλον Οι πλέον σημαντικές επιπτώσεις της υπερβολικής κατανάλωσης ενεργειακών πόρων εμφανίζονται στον τομέα του περιβάλλοντος. Τα προβλήματα που έχουν δημιουργηθεί σήμερα είναι μεγάλης κλίμακας και σε κάποιο ποσοστό μη αναστρέψιμα Παγκόσμια (υπέρ) θέρμανση (global (over)warming) Ο όρος παγκόσμια υπερθέρμανση αναφέρεται στην αύξηση της μέσης θερμοκρασίας της γης και των ωκεανών. Σύμφωνα με την αρμόδια επιτροπή του ΟΗΕ η μέση θερμοκρασία του πλανήτη τον τελευταίο αιώνα έχει αυξηθεί κατά 0,6 βαθμούς Κελσίου. Οι προβλέψεις της ίδιας επιτροπής για το τέλος του αιώνα που διανύουμε είναι ακόμη πιο δυσμενείς, καθώς πιθανολογείται επιπλέον αύξηση της θερμοκρασίας έως και 5,8 βαθμούς Κελσίου. Το φαινόμενο της παγκόσμιας υπερθέρμανσης έχει άμεσα συνδεθεί με την παραγωγή των αερίων θερμοκηπίου από τις ανθρώπινες δραστηριότητες και τα αποτελέσματα αυτής της αύξησης έχουν γίνει πλέον αισθητά. Στους πόλους της γης ήδη παρατηρείται λιώσιμο τεράστιων παγόβουνων με γρήγορο ρυθμό. Το επίπεδο της θάλασσας συνεπακόλουθα αναμένεται να ανεβεί και να επιφέρει ανάλογες επιπτώσεις. Με την χρήση δορυφόρων (από το 1992) έχει διαπιστωθεί ότι ή μέση αύξηση του επιπέδου της θάλασσας είναι 2,8 χιλιοστά/έτος αλλά διατηρούνται επιφυλάξεις για την αξιοπιστία (διακριτική ικανότητα) των μετρήσεων. Άλλα αρνητικά φαινόμενα που οφείλονται στην παγκόσμια υπερθέρμανση είναι οι αλλαγές στους ρυθμούς βροχοπτώσεων και η αυξημένη ένταση και συχνότητα ακραίων καιρικών φαινομένων. Μελλοντικά αναμένονται σε κάποιες περιοχές, παρατεταμένη ξηρασία, και θέματα υγιεινής λόγω των κλιματικών αλλαγών. Όπως προαναφέρθηκε τα αέρια του θερμοκηπίου είναι κυρίως υπεύθυνα για την παγκόσμια υπερθέρμανση. Τα αέρια αυτά απορροφούν (εγκλωβίζουν) ουσιαστικά ακτινοβολία την οποία κατά ένα ποσοστό εκπέμπουν προς τη γη, θερμαίνοντας έτσι την επιφάνεια της. Τα σημαντικότερα αέρια του θερμοκηπίου είναι οι υδρατμοί (Η20), το διοξείδιο του άνθρακα (CO2), το μεθάνιο (CΗ4), το οξείδιο του νατρίου (ΝO2) και το όζον (O3). Η ανθρώπινη δραστηριότητα ευθύνεται για την αύξηση των CO2, CΗ4 και ΝO2 τα οποία αποβάλλονται με ραγδαίο ρυθμό στην ατμόσφαιρα λόγω της εξάρτησης της παγκόσμιας οικονομίας από τα ορυκτά καύσιμα. 9

10 Εξάντληση των φυσικών (ορυκτών) πόρων Στην κατηγορία των φυσικών ορυκτών πόρων ανήκουν πηγές όπως το πετρέλαιο, ο λιγνίτης, το φυσικό αέριο και ο άνθρακας, οι οποίες χρησιμοποιούνται παγκοσμίως, σε μεγάλη κλίμακα εφαρμογών για την παραγωγή διαφόρων μορφών ενέργειας. Ειδικότερα η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας, βασίζεται σχεδόν στην ολότητα της στην καύση των ορυκτών πόρων. Η ζήτηση επομένως και η κατανάλωση τους είναι ήδη τεράστια, αλλά και αυξάνεται συνεχώς με το πέρασμα του χρόνου και την παράλληλη αύξηση των αναγκών. Το αυτονόητο αποτέλεσμα της πορείας αυτής είναι σε πρώτο επίπεδο η σταδιακή μείωση των αποθεμάτων ορυκτών καυσίμων που υπάρχουν ανά την υφήλιο και πιο μακροπρόθεσμα η παντελής έλλειψη κάποιων πόρων από τον πλανήτη. Πρόσφατες έρευνες επάνω στην αυξανόμενη αυτή πορεία χρήσης, δείχνουν γενικότερα ότι οι υπάρχοντες πόροι δεν επαρκούν για να καλύψουν στο μέλλον τις αυξανόμενες ανάγκες, γεγονός που εξηγεί παράλληλα και την άνοδο των τιμών τους. Ο Διεθνής οργανισμός ενέργειας εκτιμά αναλυτικότερα ότι η παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση θα αυξηθεί κατά 60% έως το 2030 και ότι η Ευρωπαϊκή Ένωση, της οποίας το 80% της παραγωγής ενέργειας καλύπτεται από ορυκτούς πόρους, θα δει τις εισαγωγές της ενέργειας να αυξάνονται από 50% που είναι σήμερα, σε 70%. Παράλληλα ο ανταγωνισμός για την διασφάλιση πόρων ενέργειας οδηγεί συχνά μέχρι και σε πολιτικές εντάσεις, απειλώντας ακόμη και την ειρήνη σε ορισμένες περιοχές του πλανήτη. διάγραμμα αύξησης θερμοκρασίας του πλανήτη 10

11 Όξινη βροχή Η όξινη βροχή είναι ένα φαινόμενο το οποίο δημιουργείται από την αντίδραση του διοξειδίου του θείου (SO2) και των οξειδίων του αζώτου με τους υδρογονάνθρακες που υπάρχουν στα σύννεφα. Η αντίδραση αυτή έχει ως αποτέλεσμα την δημιουργία θειικού και νιτρικού οξέος. Το διοξείδιο του θείου απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα μέσα από τις καύσεις των καμίνων παραγωγής μετάλλων, των εργοστασίων ηλεκτροπαραγωγής, και των οχημάτων ντίζελ, ενώ τα οξείδια του αζώτου βγαίνουν από τις ίδιες πηγές και τα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα. Τα δύο αυτά οξέα που παράγονται, πέφτουν τελικά μαζί με τη βροχή στο έδαφος δίνοντας της με την παρουσία τους, έντονα όξινα χαρακτηριστικά. Το τελικό αποτέλεσμα είναι η αύξηση της οξύτητας του φλοιού της γης, καθώς επίσης η ανατροπή της χημικής ισορροπίας των ποταμών και των λιμνών που οδηγούν σε καταστροφές δασών και εξόντωση οργανισμών. Παράλληλα η όξινη βροχή μπορεί να προσβάλλει υλικά όπως το μάρμαρο, τον ασβεστόλιθο και τον βασάλτη προκαλώντας επιπλέον καταστροφές. Οι πλέον απειλούμενες περιοχές του κόσμου σήμερα είναι ο Καναδάς, οι ανατολικές και δυτικές ΗΠΑ, η Σκανδιναβία και η Ιαπωνία. κύκλος φαινομένου όξινης βροχής 11

12 Συγκριτικοί πίνακες περιβαλλοντικών επιπτώσεων διαφόρων πηγών ενέργειας Στους παρακάτω πίνακες υπάρχει μια γενική αξιολόγηση των διαφόρων πηγών ενέργειας που χρησιμοποιούνται σήμερα, με κριτήριο τις περιβαλλοντολογικές επιπτώσεις που προκύπτουν από την παραγωγή και τη χρήση τους. Στον πρώτο πίνακα αξιολογούνται οι «συμβατικές» πηγές ενέργειας, οι πηγές δηλαδή, των οποίων τα αποθέματα δεν είναι ανεξάντλητα αλλά περιορίζονται σταδιακά. Στον δεύτερο πίνακα βρίσκονται οι επονομαζόμενες «ανανεώσιμες» πηγές ενέργειας, οι πηγές δηλαδή οι οποίες θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Από τις τιμές του πίνακα γίνεται αισθητή η μεγαλύτερη αρνητική επιρροή που δημιουργούν στο περιβάλλον οι «συμβατικές» πηγές ενέργειας. Επίπτωση άνθρακας πετρέλαιο Πυρηνική Φυσικό αέριο SO2/NO CO CH Υγιεινή Αιωρούμενα σωματίδια 2 2 Βαριά μέταλλα Καταστροφές Απόβλητα Αισθητικό πρόβλημα Ηχορύπανση 1 2 Απαίτηση γης Επίπτωση Φ/Β (Ηλιακή) Αιολική Γεωθερμία Βιομάζα Υδροηλεκτρικά Παλιρροϊκή Θαλάσσιων κυμάτων SO2 NO2 1 1 CO2 CH4 3 1 Αιωρούμενα σωματίδια Βαριά μέταλλα 1 1 Καταστροφές 1 Απόβλητα Αισθητικό πρόβλημα Ηχορύπανση Απαίτηση γης Επεξήγηση κλίμακας πίνακα: Ανύπαρκτη = «κενό», Ασήμαντη=1, Σημαντική=2, Σημαντική/ μεγάλη= 3, Μεγάλη= 4 πηγή : δυκτυακές αναφορές [1] 12

13 Κατανάλωση ενέργειας στον οικιστικό τομέα Η οικία χαρακτηρίζεται στη σημερινή εποχή ως ένας από τους πλέον ενεργοβόρους τομείς, αφού το ποσοστό συμμετοχής της στην παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση ανέρχεται στο 40% και παρουσιάζει μια ετήσια σταδιακή αύξηση περίπου 2-3%. Αναλυτικότερα έχει καταγραφεί ότι η θέρμανση και ψύξη των κτηρίων (κλιματισμός) κατέχει το πλέον σημαντικό ποσοστό στην ενεργειακή κατανάλωση του οικιακού τομέα, το οποίο αγγίζει το 69% και ακολουθείται από την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης με ποσοστό 15%. Σημαντικό ποσοστό εμφανίζουν επίσης, οι διάφορες ηλεκτρικές συσκευές και συσκευές φωτισμού, με συμμετοχή στην συνολική κατανάλωση περίπου 11%. Για τον περιορισμό αυτών των τιμών κατανάλωσης ενέργειας έχουν μελετηθεί και εφαρμοστεί διάφορα μέτρα, τα οποία σχετίζονται με ίδια την οικία και με τις οικιακές συσκευές που χρησιμοποιούνται στα πλαίσια της. Παρόλα αυτά η ανοδική πορεία των τιμών δεν διακόπηκε και οι λόγοι βρίσκονται πιθανότατα στην παράλληλη αυξανόμενη απαίτηση για βελτιωμένες συνθήκες άνεσης. Η απαίτηση αυτή μεταφράζεται αναλυτικότερα σε ζήτηση μεγαλύτερων ενεργειακών φορτίων για σκοπούς όπως καλύτερο κλιματισμό ή περισσότερες ηλεκτρονικές συσκευές (τηλεόραση, Η/Υ). Σημαντική παράμετρος που επίσης συμβάλλει αρνητικά στην όλη κατάσταση, αποτελεί η έλλειψη γνώσης και πληροφόρησης επάνω στο πεδίο της ενεργειακής κατανάλωσης και κατά συνέπεια η έλλειψη ενεργειακής συνείδησης Οικολογική κατοικία Μια σημαντική έννοια που σχετίζεται με την ενεργειακή κατανάλωση στον οικιακό τομέα αποτελεί η οικολογική κατοικία. Το βασικό χαρακτηριστικό μιας οικολογικής κατοικίας, είναι η ενεργειακή αυτοδυναμία της σε όσο το δυνατόν μεγαλύτερο βαθμό. Η έννοια της ενεργειακής αυτοδυναμίας μεταφράζεται στην δυνατότητα της οικίας να καλύπτει αυτόνομα όλες ή ένα μέρος των αναγκών της σε ενέργεια. Για την επίτευξη αυτού του στόχου εφαρμόζονται σε συνδυασμό περισσότερες από μια διαφορετικές τεχνικές και τεχνολογίες που αφορούν τόσο την διαδικασία του σχεδιασμού της οικίας όσο και το περιεχόμενο της. Ξεκινώντας από το πρώτο βήμα του σχεδιασμού γίνεται εφαρμογή της βιοκλιματικής αρχιτεκτονικής. Η έννοια αυτή περιλαμβάνει μια σειρά από τεχνικές που προσπαθούν να ισορροπήσουν την έξοδο και την είσοδο ενέργειας του κτηρίου, μειώνοντας τις ενεργειακές απώλειες Έχοντας βάση τον βιοκλιματικό σχεδιασμό, εφαρμόζονται στη συνέχεια διάφορες τεχνολογίες για την παραγωγή ενέργειας από πηγές που δεν εξαντλούνται αλλά ανανεώνονται φυσικά (ανανεώσιμες πηγές ενέργειας) Σημαντικό είναι τέλος το κομμάτι της εξοικονόμησης ενέργειας στα πλαίσια της καθημερινής χρήσης της. Η εξοικονόμηση αυτή συντελείται μέσω της χρήσης μη ενεργοβόρων οικιακών συσκευών και γενικότερα μέσω της συνετής κατανάλωσης ενέργειας στις καθημερινές δραστηριότητες. 13

14 Συμπεράσματα Συμπερασματικά γίνεται κατανοητή η αρκετά δυσμενής κατάσταση στην οποία έχει εξελιχθεί το θέμα της παραγωγής και χρήσης ενέργειας στην σημερινή εποχή. Οι συμβατικές πηγές ενέργειας αυτού του πλανήτη όχι μόνο αγγίζουν σταδιακά τα όρια της εξάντλησης αλλά προκαλούν μέσω της χρήσης του επιπρόσθετα περιβαλλοντικά ζητήματα. Η προσπάθεια επίλυσης του προβλήματος αυτού απαιτεί την λύση άμεσων και ευρείας κλίμακας μέτρων, με σκοπό τόσο την εξοικονόμηση ενέργειας, όσο και την σταδιακή απεξάρτηση από τις συμβατικές πηγές και τη στροφή προς διαφορετικές πηγές και τεχνολογίες για την παραγωγή της. Η εξοικονόμηση ενέργειας μέσω του ορθού, βιοκλιματικού σχεδιασμού των κτηρίων, η χρήση συσκευών χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και φυσικά η χρήση εναλλακτικών πηγών παραγωγής ενέργειας, είναι τέτοια μέτρα και κρίνονται σήμερα επιβεβλημένα για την μείωση των περιβαλλοντολογικών προβλημάτων, η τουλάχιστον για την επιβράδυνση του ρυθμού αύξησης τους. 14

15 βιοκλιματικός σχεδιασμός 02 Ο όρος βιοκλιματικός σχεδιασμός περιλαμβάνει τον σχεδιασμό κτηρίων, αξιοποιώντας το κλίμα κάθε περιοχής και τις φυσικές πηγές ενέργειας για την εξασφάλιση άνετων και υγιεινών συνθηκών. Έχει ως στόχο τη διασφάλιση αποδεκτών κλιματικών συνθηκών και τον περιορισμό κατανάλωσης ενέργειας με όλα τα οφέλη που αυτό συνεπάγεται, όπως περιβαλλοντικά, οικονομικά και ποιότητα ζωής. Για να επιτευχθεί η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας τη χειμερινή περίοδο, πρέπει από τη μία πλευρά να περιοριστούν οι θερμικές απώλειες του κτηρίου και από την άλλη πλευρά να μεγιστοποιηθούν τα θερμικά κέρδη. Τη θερινή φυσικά περίοδο θα πρέπει να επιδιώκεται ο φυσικός δροσισμός με την ελαχιστοποίηση των θερμικών κερδών και τη θερμική αποφόρτιση του κτηρίου μέσω του αερισμού και άλλων σχετικών μέτρων. Οι παραπάνω δύο ομάδες θερμικών ροών από και προς το κτήριο, (θερμικές απώλειες - θερμικά κέρδη) συνθέτουν το θερμικό ισοζύγιο του κτηρίου. Στην περίπτωση που οι θερμικές πρόσοδοι τη χειμερινή περίοδο δεν επαρκούν για να καλύψουν τις θερμικές απώλειες και αυτό συμβαίνει σε πολύ μεγάλο βαθμό στα μη θερμομονωμένα συμβατικά κτίρια, προσάγεται στους εσωτερικούς χώρους θερμότητα μέσω της εγκατάστασης θέρμανσης, έτσι ώστε να καλυφθεί η διαφορά στο ισοζύγιο. Συνεπώς το ζητούμενο σε αυτή την περίπτωση είναι να σχεδιαστεί και να κατασκευαστεί ένα κτίριο στο οποίο η παραπάνω διαφορά να είναι κατά το δυνατό μικρότερη. Ο βιοκλιματικός σχεδιασμός του κτηρίου αποτελεί μια διαδικασία που συμβάλλει στην εξοικονόμηση ενέργειας και ένα έδαφος για την αποδοτικότερη εφαρμογή και λειτουργία διαφόρων συστημάτων παραγωγής ενέργειας. 2.1 Περιεχόμενα διαδικασίας Κατά την διάρκεια του βιοκλιματικού σχεδιασμού και της κατασκευής του κτηρίου θα πρέπει να μελετηθούν και να λυθούν τα παρακάτω βασικά ζητήματα: Προσανατολισμός του κτηρίου Ο προσανατολισμός του κτηρίου αφορά την χωροθέτηση του στο οικόπεδο και συμβάλει ουσιαστικά στην καλύτερη ενεργειακή του απόδοση. Ο βέλτιστος προσανατολισμός επιτυγχάνεται όταν το κτήριο προσανατολίζεται στο νότο. Αυτό σημαίνει ότι τμήματα, τα οποία χρήζουν συχνότερης χρήσης όπως η είσοδος αλλά και τα παράθυρα, πρέπει να προσανατολίζονται προς αυτή την κατεύθυνση. Το μεγαλύτερο ίσως πρόβλημα που συναντάται σε μεγάλα αστικά κέντρα ή πυκνοκατοικημένες περιοχές είναι ο σκιασμός από γειτονικά κτήρια. Πολλές φορές δηλαδή ακόμη και όταν διασφαλίζεται ο νότιος προσανατολισμός, το πλεονέκτημα αυτό στην πράξη καταργείται, λόγω σκιασμού των όψεων από τα απέναντι κείμενα κτήρια (σχέση ύψους κτιρίων - πλάτους δρόμων). Επίσης η χάραξη των μεγάλων δρόμων κυκλοφορίας κατά τον άξονα Ανατολής - Δύσης ή Βορά - Νότου προδιαγράφει και τον κύριο προσανατολισμό των όψεων και δυστυχώς περιορίζει το πλεονέκτημα του νότιου προσανατολισμού περίπου στο 25% των περιπτώσεων. Το τελευταίο έχει ως συνέπεια τη δυσκολία εκμετάλλευσης των θερμικών ηλιακών κερδών, την υπερθέρμανση των εσωτερικών χώρων, κυρίως στα δυτικά, αλλά και ανατολικά προσανατολισμένα κτήρια τη θερινή περίοδο, αλλά βέβαια και την αναγκαστική απομόνωση των βόρεια προσανατολισμένων κτηρίων από τον ήλιο. Γενικά θα μπορούσαν να προταθούν: Η χωροθέτηση του κτηρίου στην πίσω βορινή πλευρά του οικοπέδου, ώστε να αυξηθεί η απόσταση από τα απέναντι κτήρια και να αποφευχθεί κατά το δυνατόν περισσότερο το ρίσκο του σκιασμού, το οποίο και καταργεί τα πιθανά ηλιακά οφέλη. Αν το οικόπεδο είναι νότιο και επιπλέον ελεγχθεί ότι δεν υπάρχει πρόβλημα σκιασμού από διπλανά κτήρια, τότε κρίνεται σκόπιμο να αναπτυχθεί το κτήριο κατά τον άξονα Ανατολή - Δύση, ώστε να μεγιστοποιηθεί όσο είναι δυνατό η νότια όψη του. 15

16 02 νότιος προσανατολισμός κτηρίου Χωροθέτηση των δωματίων Σημαντικό τμήμα της διαδικασίας αποτελεί η λειτουργική οργάνωση των εσωτερικών χώρων του κτηρίου. Οι εσωτερικοί χώροι θα πρέπει να οργανωθούν και να ομαδοποιηθούν έτσι, ώστε οι αυτοί με μεγάλο χρόνο χρήσης και υψηλές επιθυμητές εσωτερικές θερμοκρασίες να τοποθετηθούν στην νότια πλευρά του κτηρίου(περισσότερο ηλιόλουστη). Αντίθετα οι χώροι με περιορισμένο χρόνο χρήσης που απαιτούν συγκριτικά και χαμηλότερες θερμοκρασίες θα πρέπει να τοποθετούνται σε ενδιάμεση θερμική ζώνη. Οι υπόλοιποι βοηθητικοί χώροι, εάν υπάρχουν θα πρέπει να προβλεφθούν στην βορινή πλευρά, ώστε να λειτουργούν ως ζώνη θερμικής ανάσχεσης ανάμεσα στους θερμαινόμενους χώρους και το εξωτερικό περιβάλλον. Με τον τρόπο αυτό, μειώνονται στην πραγματικότητα οι θερμικές απώλειες από τους βασικούς κύριους χώρους Θερμική προστασία/ μόνωση Για την αποθήκευση της θερμικής ενέργειας θα πρέπει να επιλεγούν δομικά στοιχεία με μεγάλη θερμοχωρητικότητα. Το μέτρο αυτό παίζει σημαντικό ρόλο κυρίως σε χώρους συνεχούς χρήσης, καθώς και σε περιοχές με υψηλές θερμοκρασίες τη θερινή περίοδο. Η ισχυροποίηση της θερμικής προστασίας των συμπαγών δομικών στοιχείων του κελύφους πέραν της συμβατικής, αποτελεί ένα από τα πλέον σημαντικά μέτρα για τον περιορισμό των θερμικών απωλειών τη χειμερινή περίοδο και την διατήρηση των πιθανών θερμικών ηλιακών κερδών για μεγάλο διάστημα στους εσωτερικούς χώρους. Γενικά ως κανόνας θα μπορούσε να αναφερθεί ότι όσο πιο ελεύθερη είναι η αρχιτεκτονική μορφή του κτιρίου από άποψη σχήματος ή σύνθεσης όγκων, τόσο πιο ισχυρές θα έπρεπε να είναι και οι μονώσεις του περιβλήματός του, έτσι ώστε να αντισταθμιστούν και οι αυξημένες θερμικές απώλειες συγκριτικά με άλλα κτήρια συμπαγούς μορφής και να επιτευχθεί ένα άνετο εσωτερικό κλίμα με περιορισμένες καταναλώσεις. 16

17 02 παραδείγματα θερμομονωτικών υλικών θερμομονωτικό τούβλο, εξηλασμένη πολυστερίνη και πετροβάμβακας Μορφή του κτηρίου Ένα κτήριο μπορεί να διαθέτει μεγάλο ή μικρό αριθμό ανοιγμάτων και να χαρακτηρίζεται αντίστοιχα ως κλειστής ή ανοιχτής μορφής. Από ενεργειακή άποψη η «μορφή» του κτηρίου παίζει αποδεδειγμένα καθοριστικό ρόλο στη θερμική του συμπεριφορά, καθώς προδιαγράφει μέσω του κελύφους που λειτουργεί ως φίλτρο, την ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον. Σε ότι αφορά στα ανοίγματα, συνιστάται η ελαχιστοποίησή τους στις ανατολικές και δυτικές όψεις για την αποφυγή υπερθερμάνσεων τη θερινή περίοδο, όπως επίσης και στη βορινή για τον έλεγχο των θερμικών απωλειών. Στις τελευταίες περιπτώσεις οι διαστάσεις των ανοιγμάτων θα πρέπει να καλύπτουν τις απαιτήσεις των χώρων σε φυσικό φωτισμό και αερισμό. Σημειώνεται ιδιαίτερα ότι τα βορινά ανοίγματα βοηθούν σε μία καλή ποιότητα φωτισμού των χώρων, διότι δέχονται διάχυτο φως και όχι άμεσο, συνιστώνται για χώρους που χρησιμοποιούνται κυρίως τη θερινή περίοδο, (πχ παραθεριστικές κατοικίες), ενώ μία υπέρ-διαστασιολόγησή τους σε κτήρια και χώρους που λειτουργούν και τη χειμερινή περίοδο θα είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του θερμικού τους φορτίου. Στις νότιες όψεις μία κάλυψη της επιφάνειας με 60% ανοίγματα αποτελεί μία ενεργειακά αποτελεσματική πρόταση για τη θέρμανση των χώρων με φυσικό τρόπο από την ηλιακή ακτινοβολία. 17

18 02 ανοίγματα σε κτήρια με σκοπό τον φωτισμό Θερμοχωρητικότητα δομικών στοιχείων Για την αποθήκευση της θερμικής ενέργειας που συλλέγεται από ειδικά συστήματα(αναλύονται στην συνέχεια), θα πρέπει να επιλεγούν δομικά στοιχεία με μεγάλη θερμοχωρητικότητα. Το μέτρο αυτό παίζει σημαντικό ρόλο κυρίως σε βιοκλιματικά κτήρια και χώρους συνεχούς χρήσης, καθώς και σε περιοχές με υψηλές θερμοκρασίες τη θερινή περίοδο. Η αποθηκευμένη θερμότητα μεταδίδεται στον εσωτερικό χώρο με χρονική καθυστέρηση, η οποία μπορεί να υπολογιστεί έτσι, ώστε να συμπέσει με τις βραδινές ώρες κατά τις οποίες παρουσιάζονται και οι μεγαλύτερες ανάγκες σε θέρμανση των χώρων. Σε πολλά παραδείγματα βιοκλιματικών κτηρίων, εφαρμόζονται ειδικά σχεδιασμένες αποθήκες θερμότητας. Οι αποθήκες αυτές μπορούν να δημιουργούνται με τα ίδια τα δομικά στοιχεία του κελύφους (δάπεδα, τοιχοποιίες) ή να είναι ειδικά διαμορφωμένοι χώροι, γεμάτοι με υλικά που έχουν την ικανότητα να αποθηκεύουν μεγάλα ποσά θερμότητας (λίθοι, δοχεία νερού κ.α), την οποία στην συνέχεια αποδίδουν στο χώρο είτε εξαναγκασμένα (με χρήση ανεμιστήρων), είτε με φυσικό τρόπο. Η ύπαρξη, το είδος και η έκταση της θερμικής αποθήκης εξαρτάται κυρίως από τα αναμενόμενα θερμικά οφέλη από τα συστήματα που μπορούν να εφαρμόζονται Παθητικά συστήματα για την εκμετάλλευση των θερμικών ηλιακών κερδών Με την προϋπόθεση ότι έχουν διασφαλιστεί τα μέτρα για την περιστολή των θερμικών απωλειών στα κτήρια και κυρίως ο νότιος προσανατολισμός και οι ισχυρές μονώσεις στο κέλυφος του, μπορούν στη συνέχεια να προταθούν ειδικά συστήματα για την εκμετάλλευση των ηλιακών κερδών. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται παθητικά και μπορούν εύκολα να εφαρμοστούν, με συμβατικά υλικά και χωρίς υψηλό κόστος. Τα πλέον διαδεδομένα είναι τα παρακάτω : 18

19 02 (i) Το άμεσο ηλιακό κέρδος Πρόκειται για την αξιοποίηση της ηλιακής ενέργειας για θέρμανση χώρων με άμεσο τρόπο, μέσω ανοιγμάτων κατάλληλου(νότιου) προσανατολισμού. Εκτός από τα ανοίγματα το σύστημα πρέπει να αποτελείται από την απαιτούμενη θερμική μάζα, να γίνεται χρήση δηλαδή στον χώρο εφαρμογής του, υλικών υψηλής θερμοχωρητικότητας. Ανάλογα θα πρέπει να προβλέπεται και η απαιτούμενη θερμική προστασία(θερμομόνωση του κελύφους, διπλοί υαλοπίνακες) και την απαιτούμενη ηλιοπροστασία κατά τους θερινούς μήνες. Τα υπόλοιπα παθητικά συστήματα είναι έμμεσου κέρδους και ταξινομούνται στις παρακάτω κατηγορίες: (ii) Ηλιακοί τοίχοι Αποτελούνται από τοιχοποιίες συνδυαζόμενες με υαλοστάσιο, τοποθετημένο εξωτερικά, σε απόσταση 5-15 εκατοστά. Η τοιχοποιία δεν διαθέτει μόνωση και είναι μεγάλης θερμικής μάζας (ονομάζεται τοίχος θερμικής αποθήκευσης) είτε είναι θερμομονωμένη (ονομάζεται θερμοσιφωνικό πάνελ). Το υαλοστάσιο μπορεί να είναι σταθερό ή ανοιγμένο και να φέρει μονούς ή διπλούς υαλοπίνακες. Ο ηλιακός τοίχος λειτουργεί σαν ηλιακός συλλέκτης και η θερμότητα που δημιουργείται μεταφέρεται μέσω της μάζας του τοίχου στον προκείμενο χώρο. Μια ειδική κατηγορία τοίχων θερμικής αποθήκευσης είναι ο τοίχος Trompe-Michel ο οποίος είναι τοίχος θερμικής μάζας και διαθέτει θυρίδες(ως ανοίγματα). ηλιακός τοίχος, αρχή λειτουργίας και μορφή 19

20 02 (iii) Προσαρτημένο θερμοκήπιο(ηλιακοί χώροι) Πρόκειται για κλειστούς χώρους που ενσωματώνονται σε νότια τμήματα του κτηριακού κελύφους και περιβάλλονται από υαλοστάσιο. Η ηλιακή ακτινοβολία εισερχόμενη, μετατρέπεται σε θερμική και μέρος αυτής αποδίδεται άμεσα στο χώρο(αυξάνοντας την θερμοκρασία του αέρα) ενώ άλλο μέρος της αποθηκεύεται στα δομικά στοιχεία του χώρου(θερμική μάζα) και αποδίδεται με χρονική υστέρηση. Η μεταφορά της θερμικής ενέργειας από τον ηλιακό χώρο στο εσωτερικό του κτηρίου επιτυγχάνεται μέσω θυρίδων ή ανοιγμάτων του διαχωριστικού δομικού στοιχείου. παραδείγματα προσαρτημένων θερμοκηπίων σε κτήρια (iv) Ηλιακά αίθρια Είναι οι αίθριοι χώροι του κτηρίου οι οποίοι επικαλύπτονται με υαλοστάσια και η θερμική τους λειτουργία είναι παρόμοια με αυτή των θερμοκηπίων. Πρέπει να συνδυάζονται με κατάλληλη θερμική προστασία, ικανή θερμική μάζα(για να αποθηκεύεται μέρος της θερμικής ενέργειας και να αποδίδεται σταδιακά στους χώρους, αλλά και με επαρκή συστήματα ηλιοπροστασίας και φυσικού αερισμού για την αποφυγή ανεπιθύμητων συνθηκών. 20

21 02 παραδείγματα ηλιακών αίθριων σε κτήρια Φυσικός δροσισμός/ αερισμός Οι πλέον συνηθισμένες και απλές μέθοδοι φυσικού δροσισμού/αερισμού είναι οι παρακάτω: (i) Η ηλιοπροστασία (σκίαση) Επιτυγχάνεται με διάφορους τρόπους και μέσα, όπως η φυσική βλάστηση, τα γεωμετρικά στοιχεία(προεξοχές) του κτηρίου, τα σκίαστρα, μόνιμα ή κινητά, εσωτερικά ή εξωτερικά των ανοιγμάτων και οι υαλοπίνακες με ειδικές επιστρώσεις ή ειδικής επεξεργασίας όπως οι ανακλαστικοί. παραδείγματα ηλιοπροστασίας σε κτήρια 21

22 02 (ii) Ο φυσικός εξαερισμός Με τον κατάλληλο σχεδιασμό των ανοιγμάτων στο κέλυφος, επιτρέπεται η κίνηση του αέρα στους εσωτερικούς χώρους του κτηρίου. Ειδικότερα ο νυχτερινός διαμπερής αερισμός είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός, ακόμη περισσότερο τις θερμές μέρες τις οποίες ο ημερήσιος αερισμός δεν είναι δυνατός. Ο νυχτερινός αερισμός συνεισφέρει στην αποθήκευση «δροσιάς» στη θερμική μάζα του κτηρίου, με αποτέλεσμα την μειωμένη επιβάρυνση του κατά την επόμενη μέρα. Επιπρόσθετα η χρήση ανεμιστήρων, ειδικά οροφής, ενισχύουν το φαινόμενο του φυσικού αερισμού με ελάχιστη κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας. παραδείγματα φυσικού εξαερισμού σε κτήρια Φυσικός φωτισμός Τα συστήματα φυσικού φωτισμού περιλαμβάνουν εφαρμογές όπως ανοίγματα στην κατακόρυφη τοιχοποιία και ανοίγματα οροφής, αίθρια και φωταγωγούς, αξιοποιώντας με τους τρόπους αυτούς το ηλιακό φως. Μπορούν να συνδυάζονται με συγκεκριμένες τεχνικές όπως ο σχεδιασμός των ανοιγμάτων, οι οπτικές ιδιότητες των υαλοπινάκων, τα φωτομετρικά χαρακτηριστικά των επιφανειών(υφή, χρώμα, φωτο-διαπερατότητα υλικών) και η χρήση ανακλαστήρων, ώστε να επιτυγχάνεται επάρκεια και ομαλή κατανομή του φυσικού φωτός μέσα στους χώρους. Οι συνηθέστερες τεχνολογίες φυσικού φωτισμού αφορούν υαλοπίνακες με συγκεκριμένες ιδιότητες, πρισματικά φωτοδιαπερατά στοιχεία, διαφανή μονωτικά υλικά και ανακλαστήρες (ράφια φωτισμού ή ανακλαστικές περσίδες). 22

23 02 τεχνικές φυσικού φωτισμού σε κτήρια 2.2 Συμπεράσματα Από τα διάφορα στοιχεία που συγκεντρώθηκαν παραπάνω μπορούν να προκύψουν κάποια γενικότερα συμπεράσματα για την φύση και την αποδοτικότητα του βιοκλιματικού σχεδιασμού. Οι διαδικασίες και τα μέτρα που προτείνει η βιοκλιματική αρχιτεκτονική αφορούν τον σκελετό του κτηρίου, τα υλικά δόμησης του και τον τρόπο σχεδιασμού του εξωτερικού και του εσωτερικού μέρους. Ως μέτρο δηλαδή ο βιοκλιματικός σχεδιασμός προσανατολίζεται στο ίδιο το κτήριο, το οποίο σχεδιαζόμενο με βάση τις αρχές του, θα εμφανίζει τελικά τη μεγαλύτερη δυνατή ενεργειακή αυτοδυναμία. Η διαδικασία προϋποθέτει τη μελέτη και τον σχεδιασμό ακόμη και του χώρου τοποθέτησης του κτηρίου, λαμβάνει υπόψη κλιματολογικά και γεωγραφικά δεδομένα, και στη συνέχεια την προχωρά στην σταδιακή ανάπτυξη του κτηρίου με βάση τις βιοκλιματικές αρχές. Λόγω του περιεχόμενου της διαδικασίας γίνεται κατανοητό ότι συνήθως δεν ευνοείται η εφαρμογή του βιοκλιματικού σχεδιασμού σε ήδη υπάρχοντα κτήρια. Είναι πιθανόν κάποιες αρχές να κρίνεται αδύνατο να εφαρμοστούν ή ο επανασχεδιασμός μερών ή της ολότητας του κτίσματος, να αποτελεί μια αρκετά πολύπλοκη διαδικασία. Επιπρόσθετα κάποια από τα μέτρα του βιοκλιματικού σχεδιασμού απαιτούν ορισμένη έκταση χώρου και προϋποθέτουν την ύπαρξη εξωτερικού χώρου ιδιωτικής χρήσης (πχ ηλιακά αίθρια ή προσαρτημένα θερμοκήπια), γι αυτό και η εφαρμογή τους μπορεί να κρίνεται απαγορευτική σε πυκνοκατοικημένες αστικές περιοχές. Συμπερασματικά θα μπορούσε να διαπιστωθεί ότι ο βιοκλιματικός σχεδιασμός αποτελεί ένα αποδοτικό και πιο φυσικό τρόπο για την σχεδίαση των νέων κατοικιών ώστε να εξοικονομείται ενέργεια και να επιτυγχάνονται ποιοτικές συνθήκες διαβίωσης. Βέλτιστα αποτελέσματα μπορούν να υπάρχουν σε κατοικίες εκτός αστικών περιοχών όπου διατίθεται επαρκής χώρος για την ανάπτυξη όλων των εφαρμογών. 23

24 03 ενεργειακή κατανάλωση οικιακών συσκευών 3.1 Γενικοί όροι Καθεμία από τις συσκευές που χρησιμοποιείται στα πλαίσια της οικίας για την ικανοποίηση καθημερινών αναγκών, καταναλώνει κάποια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος. Αναλυτικότερα, με τον όρο οικιακές συσκευές γίνεται αναφορά στα ηλεκτρικά συστήματα(φούρνος, ψυγείο κ.α), στα ηλεκτρονικά συστήματα (τηλεόραση,dvd,η/υ κ.α), στα συστήματα ψύξης και θέρμανσης (ηλεκτρικό καλοριφέρ, κλιματισμός κ.α) και στα συστήματα φωτισμού (λαμπτήρες), που χρησιμοποιούν το ηλεκτρικό ρεύμα ως πηγή λειτουργίας. Το άθροισμα της ισχύος όλων αυτών των συσκευών που αναφέρθηκαν, ορίζεται ως η εγκατεστημένη ισχύ του σπιτιού. Αυτή είναι και τυπικά η μέγιστη ισχύς που μπορεί να καταναλωθεί. Εγκατεστημένη ισχύς = Άθροισμα ισχύος συνόλου οικιακών συσκευών Σε πραγματικές συνθήκες, οι ενεργειακές ανάγκες της οικίας είναι αρκετά μικρότερες από την τιμή της «εγκατεστημένης ισχύος». Είναι λογικά απίθανο να ανάψουν όλες οι ηλεκτρικές συσκευές ταυτόχρονα, ενώ οι χρήσεις πολλών από αυτές είναι συχνά ασύμβατες μεταξύ τους στο ίδιο χρονικό διάστημα(π.χ. το στερεοφωνικό συγκρότημα και η τηλεόραση). Η πραγματική ισχύς που καταναλώνεται όταν είναι αναμμένος ο μέγιστος, πρακτικά, αριθμός συσκευών ορίζεται ως ισχύς αιχμής. Αυτή την τιμή καλείται το εκάστοτε σύστημα παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος που χρησιμοποιείται, να μπορεί να καλύψει όταν και για όσο χρονικό διάστημα χρειαστεί. Ισχύς αιχμής = Μέγιστη πραγματικά καταναλισκόμενη ισχύς Παράλληλα είναι σημαντικό, να υπολογίζεται μέσα από στατιστικές διαδικασίες η «μέση ισχύς» της μηνιαίας κατανάλωσης της οικίας, ώστε να προσδιορίζεται σαφέστερα η κατάσταση. Η μέση τιμή ισχύος, αποτελεί ουσιαστικά την λογική τιμή που θα πρέπει το σύστημα να μπορεί να παρέχει συνεχώς και φυσικά διαφέρει ανάλογα με το εκάστοτε σενάριο χρήσης. Μέση ισχύς = Μέση μηνιαία καταναλισκόμενη ισχύς Η ισχύς της κάθε συσκευής αναγράφεται επάνω σε αυτήν στο σημείο που ονομάζεται ενεργειακή ετικέτα, ενώ ως μονάδα μέτρησης έχει οριστεί το Watt. Watt (w) = μονάδα μέτρησης ισχύος kwatt (kw) = Watt = πολλαπλάσια μονάδα μέτρησης Wh (βατώρα) = ποσότητα καταναλισκόμενης ενέργειας από ισχύ 1watt σε 1 ώρα. 24

25 03 Λαμβάνοντας υπόψη το μέσο όρο, ωρών λειτουργίας της συσκευής κατά τη διάρκεια της ημέρας υπολογίζεται «ημερήσια ενεργειακή κατανάλωση συσκευής». Ημερήσια ενεργειακή κατανάλωση συσκευής = ενεργειακή κατανάλωση σε 24 ώρες Συχνά στην ενεργειακή ετικέτα δεν αναφέρεται απευθείας η ενεργειακή κατανάλωση της συσκευής σε Watt αλλά δίνεται η ένταση της σε μονάδες Amber και η τάση της σε μονάδες Volt. Οι τρεις αυτές μονάδες μέτρησης αναφέρονται σε τρία διαφορετικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρικού ρεύματος και συνδέονται μεταξύ τους με μια σημαντική σχέση ισότητας. Ισχύουν τα εξής: AMBER = Μονάδα μέτρησης της έντασης του ρεύματος VOLT = Μονάδα μέτρησης της τάσης του ρεύματος WATT = Μονάδα μέτρησης της ισχύος του ρεύματος Σχέση ισότητας = AMBER x VOLT = WATT 3.2 Υπολογισμός ενεργειακής κατανάλωσης κατοικίας Με βάση τις έννοιες και τις υπολογιστικές σχέσεις που αναφέρθηκαν παραπάνω, πραγματοποιήθηκε μελέτη της ενεργειακής κατανάλωσης των οικιακών συσκευών. Προσδιορίστηκαν ορισμένες σταθερές και παράγοντες που ποικίλουν ανάλογα με το εκάστοτε σενάριο χρήσης και υπολογίστηκε τελικά ένα εύρος ενεργειακής κατανάλωσης μέσα στο οποίο κυμαίνονται οι συνήθεις οικιστικοί χώροι σήμερα. Η μελέτη αυτή πραγματοποιήθηκε για τον σαφέστερο προσδιορισμό των ενεργειακών αναγκών που εμφανίζει ο χώρος της κατοικίας Προσδιορισμός παραγόντων Οι οικιακές συσκευές που κυκλοφορούν στην αγορά μπορούν να διαφέρουν μεταξύ τους σε αρκετά μεγάλο βαθμό όσον αφορά την ενεργειακή κατανάλωση και τα χαρακτηριστικά απόδοσης τους. Το γεγονός αυτό μεταφράζεται σε διαφορά στις ενεργειακές ανάγκες κατοικιών με τα ίδια χαρακτηριστικά. Για τον γενικότερο προσδιορισμό της κατάστασης συγκεντρώθηκε και καταγράφηκε το εύρος των τιμών της ενεργειακής κατανάλωσης της κάθε συσκευής (κατώτερη έως ανώτερη τιμή κατανάλωσης σε μονάδες Watt) ώστε να χρησιμοποιηθεί ένας μέσος όρος αυτών στους μετέπειτα υπολογισμούς. Επιλέχτηκαν γενικά οι πλέον συνήθεις οικιακές συσκευές των οποίων η παρουσία είναι σχεδόν πάντα βέβαια στα πλαίσια μιας κατοικίας. Είναι επίσης αναμενόμενο, όσο αυξάνεται το μέγεθος μιας κατοικίας να αυξάνεται και ο αριθμός συσκευών που εμπεριέχονται σε αυτή(μεγαλύτερες ενεργειακές ανάγκες). Επιλέχθηκαν για τον γενικότερο προσδιορισμό και αυτού του παράγοντα, δυο άκρα μεγέθους κατοικιών και καταγράφηκε ο μέσος αριθμός της κάθε συσκευής που μπορεί να υπάρχει στα πλαίσια τους. Τα δυο αυτά μεγέθη κατοικιών(50 τ.μ και 200 τ.μ) αποτελούν αρκετά συνήθεις μορφές γι αυτό και επιλέχθηκαν ως τα άκρα του εύρους μελέτης. Τα στοιχεία διαφαίνονται στους παρακάτω πίνακες. 25

26 03 Βασικές οικιακές συσκευές Ενεργειακή κατανάλωση σε Watt Πλυντήριο πιάτων Πλυντήριο ρούχων Ηλεκτρικό Σίδερο Φούρνος Φούρνος Μικροκυμάτων Ηλεκτρονικός Υπολογιστής εν λειτουργία / standby 100/30 Laptop 50 Εκτυπωτής 100 Στερεοφωνικό Ψυγείο Τηλεοράσεις 19, 27 και , 113 και 133 Βίντεο / DVD Λαμπτήρες πυρακτώσεως Λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας Κλιματιστικό 1000 Θερμοσίφωνας Ηλεκτρικό καλοριφέρ 2000 Συσκευές Αριθμός συσκευών (50 τ.μ) Αριθμός συσκευών (200 τ.μ) Κλιματιστικό 1 3 Φούρνος 1 2 Φούρνος μικροκυμάτων 1 1 Ηλεκτρικό καλοριφέρ 1 3 Η/Υ 2 2 Laptop 2 2 Εκτυπωτής 1 2 Θερμοσίφωνας 1 1 Πλυντήριο ρούχων 1 1 Λαμπτήρες Τηλεόραση 1 3 Ηλεκτρικό Σίδερο 1 1 Πλυντήριο Πιάτων 1 1 DVD/Βίντεο 1 2 Ψυγείο 1 2 Ηλεκτρική σκούπα 1 2 πίνακες: ενεργειακή κατανάλωση σε watt διαφόρων οικιακών συσκευών(πάνω) αριθμός οικιακών συσκευών σε κατοικίες 50 τμ και 200 τμ (κάτω) πηγή : δυκτυακές αναφορές [10,11] 26

27 Πίνακες μέτρησης Στον παρακάτω πίνακα τοποθετήθηκαν συγκεντρωτικά όλα τα στοιχεία τα οποία αναφέρθηκαν μέχρι τώρα. Αυτά συμπεριλαμβάνουν τις τιμές ενεργειακής κατανάλωσης των διαφόρων συσκευών, το μέσο όρο ωρών λειτουργίας ανά ημέρα και τον αριθμό συσκευών που κατά μέσο όρο υπάρχουν σε μια κατοικία 50 και 200 τμ αντίστοιχα. Με βάση τα στοιχεία αυτά υπολογίστηκε η ημερήσια κατανάλωση σε ρεύμα του κάθε τύπου συσκευής για την κάθε περίπτωση μεγέθους της κατοικίας. Συσκευές Ωριαία Κατανάλωση σε watt Ώρες λειτουργίας/ μέρα Αριθμός συσκευών (50τ.μ) Αριθμός συσκευών (200τ.μ) Ημερήσια κατανάλωση σε watt (50τ.μ) Ημερήσια κατανάλωση σε watt (200τ.μ) Κλιματιστικό Φούρνος Φούρνος μικροκυμάτων Ηλεκτρικό καλοριφέρ Η/Υ Laptop Εκτυπωτής 100 1/ Θερμοσίφωνας Πλυντήριο ρούχων Λαμπτήρες πυρακτώσεως Λαμπτήρες εξοικονόμησης ενέργειας Τηλεόραση Ηλεκτρικό Σίδερο Πλυντήριο Πιάτων Ψυγείο DVD/Video Ηλεκτρική σκούπα

28 03 Αθροίζοντας τα παραπάνω αποτελέσματα μπορεί να υπολογιστεί το εύρος της ημερήσιας ενεργειακής κατανάλωσης για οικίες από 50 έως 200τμ. Οι τιμές κατανάλωσης που προκύπτουν είναι: Ημερήσια ενεργειακή κατανάλωση οικίας 50 τ.μ = wh ή 37 kwh (κατά προσέγγιση) Ημερήσια ενεργειακή κατανάλωση οικίας 200 τ.μ = wh ή 87 kwh (κατά προσέγγιση) Αναλυτικότερα η μεγαλύτερη συνολική κατανάλωση φαίνεται να προέρχεται από τις πηγές κλιματιστικό, φωτισμός, ηλεκτρικό καλοριφέρ και ψυγείο. Κάποια από τα είδη αυτά αποτελούν εξαιρετικά ενεργοβόρες συσκευές, καταναλώνουν δηλαδή μεγάλα ποσά ενέργειας για την λειτουργία τους. Κάποιες άλλες από τις συσκευές που προαναφέρθηκαν, χρησιμοποιούνται πολύ συχνά και λειτουργούν για αρκετές ώρες κάθε μέρα με αποτέλεσμα να εμφανίζουν πολύ υψηλή κατανάλωση ακόμη και αν δεν θεωρούνται ιδιαίτερα ενεργοβόρες. Αναλυτικότερα, όσον αφορά καθαρά την κατανάλωση, ως οι πλέον ενεργοβόρες συσκευές χαρακτηρίζονται σύμφωνα με τα στοιχεία του πίνακα, ο ηλεκτρικός φούρνος, το πλυντήριο, ο θερμοσίφωνας και το ηλεκτρικό καλοριφέρ. Αντίστοιχα διαφαίνονται και οι συσκευές που καταναλώνουν πολύ μικρά ποσοστά ρεύματος. Στην κατηγορία αυτή ανήκουν κυρίως οι ηλεκτρονικές συσκευές όπως ο Η/Υ (επιτραπέζιος ή laptop), ο εκτυπωτής ή η τηλεόραση, το DVD/video αλλά και ο λαμπτήρας. 3.3 Συσκευές χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης και ενεργειακή σήμανση Τα τελευταία χρόνια στο πλαίσιο της ευρωπαϊκής και της εθνικής πολιτικής, έχει θεσπιστεί μια σειρά από θεσμικά μέτρα με στόχο την εξοικονόμηση ενέργειας στο οικιακό τομέα. Στα μέτρα αυτά συμπεριλαμβάνεται η χρήση λιγότερο ενεργοβόρων οικιακών συσκευών αλλά και η ενεργειακή σήμανση των νέων συσκευών Ηλεκτρικές συσκευές - ενεργειακή ετικέτα Για την ενεργειακή σήμανση των ηλεκτρικών οικιακών συσκευών χρησιμοποιείται μια τυποποιημένη ενεργειακή ετικέτα ώστε να είναι εύκολα αναγνωρίσιμη από τους καταναλωτές σε όλα τα κράτη μέλη της Ε.Ε. Η επικόλληση της ενεργειακής ετικέτας στα καταστήματα πώλησης και τις εκθέσεις ηλεκτρικών ειδών είναι υποχρεωτική και πρέπει να τοποθετείται σε εμφανές σημείο. 28

29 03 Οι οικιακές συσκευές στις οποίες γίνεται αναφορά είναι: Ψυγεία, καταψύκτες και οι συνδυασμοί τους Πλυντήρια ρούχων Στεγνωτήρια ρούχων Συνδυασμένα πλυντήρια-στεγνωτήρια ρούχων Πλυντήρια πιάτων Ηλεκτρικοί φούρνοι Κλιματιστικές συσκευές Στόχος της ενεργειακής ετικέτας είναι να πληροφορεί τον καταναλωτή για συγκεκριμένα σημαντικά ενεργειακά και λειτουργικά χαρακτηριστικά της ηλεκτρικής συσκευής, ώστε να έχει τη δυνατότητα να συγκρίνει την αποδοτικότητα και τα επιμέρους χαρακτηριστικά μεταξύ των διαφόρων συσκευών που επιθυμεί να αγοράσει. Αναλυτικότερα η ενεργειακή ετικέτα περιέχει πληροφορίες: Για την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας της συσκευής σε kwh. Για κάποιες συσκευές η τιμή αυτή αναφέρεται στην κατανάλωση κατά τη διάρκεια του έτους(πχ ψυγεία), ενώ για κάποιες άλλες, στην κατανάλωση ενός τυπικού κύκλου(πχ πλυντήρια ρούχων/ πιάτων). Για την ενεργειακή απόδοση της οικιακής συσκευής μέσω τις οποίας ο καταναλωτής έχει τη δυνατότητα να επιλέξει την πιο ενεργειακά αποδοτική, ανάμεσα σε πλήθος διαφορετικών οικιακών συσκευών. Ανάλογα με την ενεργειακή τους απόδοση οι συσκευές κατατάσσονται σε 7 κατηγορίες που ορίζονται με τα λατινικά γράμματα A,B,C,D,E,F,G με την κατηγορία Α να αποτελεί την πλέον ενεργειακά αποδοτική και την κατηγορία G την λιγότερο αποδοτική. Ειδικότερα για τα ψυγεία και τον συνδυασμό τους έχουν θεσπιστεί δυο επιπλέον κατηγορίες η Α+ και η Α++. Ο χαρακτηρισμός μια συσκευής ως περισσότερο ή λιγότερο αποδοτικής σχετίζεται με την κατανάλωση της σε ηλεκτρικό ρεύμα. Έτσι για την παραγωγή του ίδιου αποτελέσματος η πλέον αποδοτική συσκευή καταναλώνει σαφώς λιγότερη ενέργεια. Για τα σημαντικά λειτουργικά και τεχνικά χαρακτηριστικά της οικιακής συσκευής που θα βοηθήσουν στην επιλογή της πλέον κατάλληλης, ανάλογα με τα κριτήρια και τις ανάγκες που υπάρχουν. Τέτοια χαρακτηριστικά μπορούν περιλαμβάνουν την χωρητικότητα, την διάρκεια ζωής ή το επίπεδο θορύβου λειτουργίας. Σημαντική ένδειξη στην ενεργειακή ετικέτα αποτελεί και το Κοινοτικό Οικολογικό Σήμα (Eco Label) το οποίο απονέμεται αποκλειστικά σε επιλεγμένες ηλεκτρικές συσκευές που ανταποκρίνονται σε πιστοποιημένα υψηλά πρότυπα περιβαλλοντικής και ενεργειακής απόδοσης. Οι συσκευές που φέρουν το σήμα αυτό είναι κατά κανόνα συσκευές με υψηλή ενεργειακή απόδοση και υψηλά περιβαλλοντικά κριτήρια κατασκευής και λειτουργίας. Σε κάθε περίπτωση, η ενεργειακή απόδοση και τα λοιπά τεχνικά χαρακτηριστικά των συσκευών έχουν υπολογιστεί με βάση κοινά πρότυπα μετρήσεων(standards) για όλες τις ομοειδείς συσκευές επομένως είναι άμεσα συγκρίσιμα. 29

30 Λαμπτήρες φωτισμού Οι λαμπτήρες φωτισμού κατατάσσονται επίσης σε κλίμακα ενεργειακής απόδοσης A-G. Εδώ η ενεργειακή ετικέτα περιέχει πληροφορίες για την φωτεινότητα(lumen), την ονομαστική ισχύ(w) και τη διάρκεια ζωής του λαμπτήρα (ώρες λειτουργίας). Διατίθενται εμπορικά πολλών ειδών λαμπτήρες για διάφορες εφαρμογές, όπως οι λαμπτήρες βολφραμίου, αλογόνου, ατμών νατρίου και ατμών υδρογόνου. Επιπρόσθετα υπάρχουν οι λεγόμενοι λαμπτήρες οικονομίας στους οποίους ανήκουν οι λαμπτήρες φθορισμού και οι ηλεκτρονικοί λαμπτήρες. Η κατανάλωση ρεύματος για φωτισμό μπορεί να περιοριστεί σε μεγάλο βαθμό με την χρήση των τελευταίων αντί των κλασσικών. a) Λαμπτήρες πυρακτώσεως Η λειτουργία των λαμπτήρων πυρακτώσεως βασίζεται στη θέρμανση μέχρι λευκοπυρώσεως, ενός μεταλλικού νήματος βολφραμίου, εγκατεστημένου σε γυάλινο κώδωνα, κενό ή γεμισμένο με αδρανές υπό πίεση αέριο, ώστε να περιορίζεται η εξάχνωση του βολφραμίου και να μειώνεται η θερμοκρασία του νήματος. Οι λαμπτήρες αυτού του είδους έχουν χαμηλό κόστος αγοράς και συντήρησης, η φωτεινή ροή τους ρυθμίζεται εύκολα, προσφέρουν άριστη απόδοση χρωμάτων και λειτουργούν χωρίς πρόβλημα σε οποιαδήποτε θέση (οριζόντια, κατακόρυφη, διαγώνια). Παράλληλα, αποτελούν το πλέον ενεργοβόρο είδος λαμπτήρων και παρουσιάζουν την χειρότερη σχέση κατανάλωσης απόδοσης φωτεινότητας. b) Λαμπτήρες φθορισμού Οι λαμπτήρες φθορισμού αποτελούνται από ένα σωλήνα που περιέχει προσμείξεις ευγενών αερίων και μικρή ποσότητα υδραργύρου. Στα άκρα του σωλήνα βρίσκονται δυο ηλεκτρόδια, τα οποία όταν τεθούν υπό επαρκή τάση προκαλούν εκκένωση του αερίου στο εσωτερικό του σωλήνα, η οποία και παράγει την ακτινοβολία. Οι λαμπτήρες φθορισμού παρουσιάζουν μεγαλύτερη φωτεινή απόδοση (περίπου τριπλάσια) σε σχέση με τους λαμπτήρες πυρακτώσεως, ενώ η διάρκεια ζωής τους μπορεί να ξεπερνά τις ώρες. c) Ηλεκτρονικοί λαμπτήρες φθορισμού Οι σύγχρονοι ηλεκτρονικοί λαμπτήρες φθορισμού μπορούν επίσης να αντικαταστήσουν τους κοινούς λαμπτήρες πυρακτώσεως. Έχουν μικρές διαστάσεις και προσφέρουν την ίδια ποιότητα φωτισμού με τους κοινούς λαμπτήρες, έχουν την ίδια φωτεινότητα, ενώ καταναλώνουν μέχρι 5 φορές λιγότερο ρεύμα. Έχουν 10 φορές μεγαλύτερο μέσο χρόνο ζωής από τους κοινούς λαμπτήρες ( ώρες). 30

31 03 δείγμα ενεργειακής ετικέτας Λ α μ π τ ή ρ α ς οικονομίας Λ α μ π τ ή ρ α ς πυρακτώσεως 5 Watt 25 Watt 7 Watt 40 Watt 11 Watt 60 Watt 20 Watt 100 Watt 23 Watt 120 Watt αντιστοιχία ισχύος λαμπτήρα χαμηλής κατανάλωσης - κοινού λαμπτήρα για το ίδιο επίπεδο φωτισμού. πηγή : δυκτυακές αναφορές [10] Λαμπτήρες πυρακτώσεως (αριστερά) λαμπτήρες οικονομίας(δεξιά) 31

32 Ηλεκτρονικές συσκευές Οι ηλεκτρονικές συσκευές εμφανίζουν σύμφωνα με την παραπάνω έρευνα την πλέον χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση, ενώ οι περισσότερες από αυτές μπορούν να ενταχθούν στα πλαίσια ενός κοινού χώρου όπως ο χώρος εργασίας ή ψυχαγωγίας μέσα στο σπίτι. Ιδιαίτερα ευνοϊκό σενάριο κατανάλωσης εμφανίζουν οι συσκευές στα πλαίσια του γραφείου όπως είναι ο ηλεκτρονικός υπολογιστής, ο σαρωτής και ο εκτυπωτής καθώς δεν καταναλώνουν πολύ αλλά και χρησιμοποιούνται διακοπτόμενα. Πραγματοποιείται στη συνέχεια μια περεταίρω έρευνα όσον αφορά στη χρήση και συνεπώς στην κατανάλωση σε ηλεκτρικό ρεύμα των συσκευών αυτών. a) Hλεκτρονικός υπολογιστής Ο Η/Υ που χρησιμοποιείται στα πλαίσια του γραφείου μπορεί να είναι επιτραπέζιος ή φορητός(laptop) και η ενεργειακή κατανάλωση στις δυο περιπτώσεις διαφέρει περίπου στο διπλάσιο, με πιο ενεργοβόρο τον επιτραπέζιο τύπο. Το γεγονός αυτό οφείλεται σε ένα βαθμό και στα διαφορετικά τμήματα από τα οποία αποτελείται ένας επιτραπέζιος υπολογιστής(οθόνη, επεξεργαστής, πιθανά πρόσθετα όπως εξωτερικά ηχεία) τα οποία και μεταφράζονται σε επιπλέον ανάγκες για ρεύμα. Γενικότερα οι ενεργειακές απαιτήσεις ενός υπολογιστή δεν είναι υψηλές, ακόμη και αν μένει ανοιχτός αρκετές ώρες, ενώ υπάρχουν χαρακτηριστικά και ενέργειες που συμβάλλουν σε ακόμη μικρότερη κατανάλωση, όπως: Μπορούν να περιέλθουν σε κατάσταση χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης μετά από ορισμένο χρονικό διάστημα που δεν χρησιμοποιούνται(κατάσταση αδράνειας ή αλλιώς sleep-mode). Στην κατάσταση αυτή(εξοικονόμησης ενέργειας), καταναλώνεται μέχρι και 60% λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια. Η επιλογή Μαύρη Οθόνη από το μενού προφύλαξη οθόνης, μπορεί να παρέχει μια εξοικονόμηση 7,5W σε σχέση με οποιαδήποτε άλλη επιλογή που περιέχει κινούμενα γραφικά. Το σκούρο φόντο τη οθόνης καταναλώνει περίπου 25% λιγότερη ενέργεια από ένα ανοιχτόχρωμο. Οι νέοι υπολογιστές χρησιμοποιούν υλικό 3.3 volt αντί για 5.0 volt που χρησιμοποιούσαν οι παλαιότεροι υπολογιστές. Αυτό μεταφράζεται σε μείωση της κατανάλωσης κατά 40 με 50% Τα laptop είναι οι πιο αποδοτικοί υπολογιστές από άποψη εξοικονόμησης ενέργειας. Καταναλώνουν 10% ή ακόμα λιγότερη ενέργεια από ότι ένας Η/Υ και έχουν ρυθμίσεις για χαμηλή ενεργειακή χρήση. b) Εκτυπωτής ή σαρωτής Οι δυο αυτές ηλεκτρονικές συσκευές δεν είναι ενεργοβόρες και επιπρόσθετα διαθέτουν το χαρακτηριστικό δεν ότι χρησιμοποιούνται συνεχώς αλλά για σύντομο χρονικό διάστημα(μπορεί περισσότερες από μια φορές μέσα στη μέρα). Η συνολική ενεργειακή τους κατανάλωση είναι κατά συνέπεια αρκετά μικρή. Στην περίπτωση αυτών των συσκευών πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα παρακάτω: Όταν παραμένουν ανοιχτές ακόμα και αν δεν επιτελούν κάποια λειτουργία καταναλώνουν(άσκοπα) ποσότητες ρεύματος γι αυτό είναι σκόπιμο να κλείνουν. Οι νέες συσκευές διαθέτουν λειτουργία διαχείρισης ενέργειας που συμβάλλει σημαντικά στην εξοικονόμηση. Οι εκτυπωτές που έχουν ενεργειακή αποδοτικότητα μειώνουν την ενέργεια κατά 50% όταν δεν βρίσκονται σε λειτουργία κα παραμένουν ανοιχτοί. Οι εκτυπωτές laser καταναλώνουν πολύ περισσότερη ενέργεια(μπορεί να φτάνει και το 95%) από τους συμβατικούς. 32

33 03 Επιτραπέζιος και φορητός Η/Υ (πάνω) εκτυπωτής και σαρωτής κάτω) 3.4 Κατανάλωση σε φάση αναμονής Η κατανάλωση ενέργειας μιας συσκευής χαρακτηρίζεται από διάφορους τρόπους λειτουργίας. Η συσκευή λέμε ότι βρίσκεται σε φάση λειτουργίας(on-mode) όταν εκτελεί τη λειτουργία της, σε φάση αναμονής(stand-by mode) όταν παίρνει έστω και λίγο ρεύμα αλλά δεν εκτελεί την κύρια λειτουργία της και σε φάση διακοπής(off-mode) όταν δεν εκτελεί καμία λειτουργία και δεν καταναλώνει καθόλου ρεύμα. Είναι απαραίτητο να σημειωθεί ότι η κατανάλωση ρεύματος σε φάση αναμονής αφορά κυρίως ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές συσκευές όπως τηλεοράσεις, βίντεο, στερεοφωνικά, υπολογιστές, φορτιστές και γενικώς συσκευές που σε φάση αναμονής παραμένουν υπό τάση και εκτελούν συνήθως κάποια δευτερεύουσα βοηθητική λειτουργία όπως ένδειξη ώρας, λειτουργίες υπενθύμισης ή φωτεινές ενδείξεις αναμονής. Η κατανάλωση ρεύματος σε φάση αναμονής δεν αφορά συσκευές που λόγω της φύσης της λειτουργίας τους παραμένουν συνεχώς συνδεδεμένες με την παροχή ρεύματος ή δεν έχουν φάση αναμονής και ο χειρισμός τους γίνεται με διακόπτη ανοίγματος κλεισίματος από την παροχή ρεύματος (πχ λάμπες, θερμοσίφωνες) Η κατανάλωση ενέργειας σε φάση αναμονής είναι πολύ σημαντική παρόλο που φαινομενικά η συσκευή καταναλώνει ελάχιστο ρεύμα. Αυτό συμβαίνει γιατί η κατανάλωση στην περίπτωση αυτή γίνεται σε 24ωρη βάση κατά τη διάρκεια όλου του χρόνου με αποτέλεσμα τη σπατάλη μεγάλων ποσοτήτων ηλεκτρικής ενέργειας. 33

34 Συμπεράσματα Οι οικιακές συσκευές χρησιμοποιούνται για την ικανοποίηση πληθώρας αναγκών σε καθημερινή βάση και μπορούν ανάλογα με την τεχνολογία που διαθέτουν αλλά και ανάλογα με τη συχνότητα χρήσης τους να καταναλώνουν ιδιαίτερα μεγάλες ποσότητες ηλεκτρικού ρεύματος. Στην κατηγορία των ενεργοβόρων συσκευών κατατάσσονται κυρίως οι ηλεκτρικές συσκευές, ιδιαίτερα όσες εμφανίζουν παρατεταμένη ή και συνεχή χρήση μέσα στη μέρα. Εμφανίζεται παράλληλα και μια κατηγορία συσκευών, η οποία εμπεριέχει κυρίως τις ηλεκτρονικές, που καταναλώνουν χαμηλά ποσοστά ρεύματος κατά την χρήση τους. Γενικότερα η χρήση πολλαπλών συσκευών σε τακτά διαστήματα οδηγεί αθροιστικά σε πολύ υψηλές τιμές συνολικής ημερήσιας κατανάλωσης δικαιολογώντας παράλληλα και το χαρακτηρισμό του οικιακού τομέα ως έναν από τους πλέον ενεργοβόρους στην παγκόσμια ενεργειακή κατάταξη. Οι συσκευές χαμηλής ενεργειακής κατανάλωσης ή υψηλής αποδοτικότητας αποτελούν ένα αρκετά αποτελεσματικό μέτρο για την επίτευξη του στόχου μείωσης της γενικής κατανάλωσης και εξελίσσονται συνεχώς καλύπτοντας όλο και περισσότερες κατηγορίες συσκευών. Επιπρόσθετα εμφανίζουν μεγαλύτερη απόδοση και καλύτερη ποιότητα στη λειτουργία τους. Η γενική κατανάλωση σε ρεύμα όμως συνεχίζει να υπάρχει και σίγουρα παραμένει υψηλή σε καθημερινή βάση, καθώς η χρήση των διαφόρων συσκευών στα πλαίσια μιας κατοικίας χαρακτηρίζεται πλέον αναγκαία. Κρίνεται για το λόγο αυτό σκόπιμο ο προσανατολισμός όχι μόνο στην μείωση αλλά στην κάλυψη των ενεργειακών αναγκών με εναλλακτικούς τρόπους. 34

35 ανανεώσιμες πηγές ενέργειας 04 Ως ΑΠΕ ορίζονται εκείνες οι μορφές ενέργειας που ανανεώνονται μέσο φυσικών κύκλων και έτσι θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Στην κατηγορία αυτή έχουν τοποθετηθεί οι εξής μορφές ενέργειας: Ηλιακή ενέργεια: Η ενέργεια που παράγεται από τον ήλιο(ακτινοβολία) και φτάνοντας στη γη μπορεί να αξιοποιείται και να μετατρέπεται σε άλλες μορφές ενέργειας όπως θερμότητα ή ηλεκτρική ενέργεια. Αιολική Ενέργεια: Η κινητική ενέργεια του ανέμου που προέρχεται από τη μετακίνηση αερίων μαζών στην ατμόσφαιρα. Συλλέγεται με χρήση ειδικών τεχνολογιών και μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Γεωθερμική ενέργεια: Η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς (πίδακες), σε επιφανειακά ή υπόγεια θερμά νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα. Μπορεί να μετατρέπεται σε θερμική και ηλεκτρική ενέργεια. Ενέργεια από βιομάζα: Οποιοδήποτε υλικό παράγεται από οργανική ύλη και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο, είτε απευθείας είτε αφού προηγουμένως μετατραπεί σε υγρό, αέριο ή στερεό καύσιμο με τη χρήση κατάλληλων τεχνολογιών. Η βιομάζα είναι στην πραγματικότητα η αποθηκευμένη ηλιακή ενέργεια που δεσμεύτηκε από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση και μπορεί να χρησιμοποιείται για την παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας. Υδραυλική ενέργεια (υδροηλεκτρική): Η δυναμική και κινητική ενέργεια του νερού που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Θαλάσσια ενέργεια: Η θαλάσσια ενέργεια προέρχεται κυρίως από την ηλιακή ενέργεια και από τις βαρυτικές αλληλοεπιδράσεις της γης με τον ήλιο και τη σελήνη. Οι κύριες μορφές θαλάσσιας ενέργειας είναι η ενέργεια των κυμάτων, η ενέργεια της παλίρροιας, η ενέργεια των θαλάσσιων ρευμάτων και η θερμική ενέργεια της θάλασσας 35

36 Γενικά πλεονεκτήματα των ΑΠΕ Οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας παρουσιάζουν μια σειρά από σημαντικά πλεονεκτήματα που αντανακλούν τόσο στον τομέα του περιβάλλοντος όσο και στην οικονομική και όχι μόνο ανάπτυξη μιας χώρας. Σε αντίθεση με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ενέργειας με ορυκτά καύσιμα όπως ο λιγνίτης, το πετρέλαιο ή το φυσικό αέριο, οι ΑΠΕ είναι ανεξάντλητες αλλά και οικονομικά και ενεργειακά αποδοτικές. Αντικαθιστώντας λοιπόν τους συμβατικούς τρόπους παραγωγή ενέργειας μπορούν να συμβάλουν στην επιβράδυνση της εξάντλησης των ορυκτών καυσίμων. Επιπρόσθετα το γεγονός ότι οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούν ΑΠΕ δεν εκπέμπουν αέρια που να επιβαρύνουν την ατμόσφαιρα (όπως είναι τα αέρια θερμοκηπίου), τις καθιστά άκρως φιλικές προς το περιβάλλον αλλά και μια σημαντική ενέργεια για την προστασία του από την σταδιακή μόλυνση που υφίσταται. Από την άλλη πλευρά, οι φυσικοί πόροι που αξιοποιούν τα συγκεκριμένα συστήματα παραγωγής ενέργειας, δεν περιορίζονται (σε αντίθεση και πάλι με τα συμβατικά ορυκτά καύσιμα) σε συγκεκριμένους γεωγραφικούς χώρους. Αυτό σημαίνει αφενός μεγαλύτερη σταθερότητα στη λειτουργία του συστήματος μεταφοράς, αφετέρου μείωση των απωλειών κατά τη μεταφορά, λόγω καλύτερης κατανομής των σταθμών παραγωγής σε σχέση με τους πόλους κατανάλωσης. Σημαντικό είναι και το γεγονός της συμβολής των ΑΠΕ στην αξιοποίηση των εγχώριων φυσικών πόρων που ενισχύει την ενεργειακή αυτονομία της χώρας. Τέλος η τεχνολογία και κατασκευή των συστημάτων ΑΠΕ συνιστούν έναν ταχύτατα εξελισσόμενο επιστημονικό και οικονομικό κλάδο, που είναι σε θέση να τονώσει την οικονομία σε εθνικό και τοπικό επίπεδο προσελκύοντας επενδύσεις και δημιουργώντας θέσεις εργασίας. Είναι χαρακτηριστικό ότι οι θέσεις κατασκευής μονάδων ΑΠΕ βρίσκονται συνήθως σε απομονωμένες, μη αστικοποιημένες περιοχές για τις οποίες αποτελούν ζωτική οικονομική δραστηριότητα, τόσο κατά την κατασκευή, όσο και κατά τη λειτουργία τους. Οι προαναφερθέντες λόγοι αποτελούν το βασικό υπόβαθρο επάνω στο οποίο στηρίζεται η ολοένα μεγαλύτερη ανάπτυξη του κλάδου αξιοποίησης των ΑΠΕ σε πληθώρα εφαρμογών σε οικιστικό και βιομηχανικό επίπεδο. 4.2 Οικιστικός τομέας Από τις μορφές ΑΠΕ που αναφέρθηκαν παραπάνω κάποιες αξιοποιούνται σήμερα και για την κάλυψη αναγκών σε ηλεκτρισμό, θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης, στον οικιστικό τομέα. Η εφαρμογές αυτές είναι ταχέως εξελισσόμενες και άκρως σημαντικές δεδομένου ότι σχεδόν το μισό ποσοστό της κατανάλωσης ενέργειας σε παγκόσμιο επίπεδο προέρχεται από τον οικιστικό τομέα και την καθημερινή της χρήση της από τους ανθρώπους. Οι μορφές ΑΠΕ που αξιοποιούνται στο επίπεδο της οικίας είναι η ηλιακή ενέργεια η αιολική ενέργεια η γεωθερμική ενέργεια η ενέργεια από βιομάζα. Οι τεχνολογίες αξιοποίησης τους ποικίλουν ανάλογα με την μορφή πηγής που χρησιμοποιείται και ανάλογα με την ανάγκη που καλούνται να καλύψουν. Γενικότερα όμως τα συστήματα ΑΠΕ στον οικιστικό τομέα διακρίνονται σε δυο βασικές κατηγορίες με κριτήριο τη μορφή ενέργειας που αποδίδουν τελικά. Οι κατηγορίες αυτές είναι η παραγωγή ηλεκτρισμού και η παραγωγή θερμότητας. 36

37 Ηλεκτροπαραγωγή Με τον όρο συστήματα ηλεκτροπαραγωγής εννοούνται τα συστήματα τα οποία αξιοποιούν κάποια μορφή ΑΠΕ για να παράγουν τελικά ηλεκτρικό ρεύμα. Η γενική δομή τους είναι κοινή ανεξάρτητα από το είδος της πηγής ενέργειας που χρησιμοποιείται και απαρτίζεται από επιμέρους τμήματα των οποίων η συνδυαστική λειτουργία δίνει το επιθυμητό αποτέλεσμα. Τα γενικά αυτά τμήματα είναι η συλλογή από την πηγή ενέργειας, ο αντιστροφέας ισχύος, ο ρυθμιστής φόρτισης, το αποθηκευτικό μέσο και το φορτίο. (i) Συλλογή από πηγή Η εκάστοτε μορφή ανανεώσιμης πηγής (προαναφέρθηκαν οι διάφορες μορφές) από όπου με διάφορους τρόπους αντλείται η ενέργεια η οποία στη συνέχεια θα μετατραπεί από το σύστημα σε ηλεκτρική. (ii) Αντιστροφέας ισχύος Όλα τα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ, εξάγουν συνεχές ρεύμα. Για τον λόγο αυτό χρησιμοποιούνται οι αντιστροφείς ισχύος οι οποίοι μετατρέπουν το συνεχές ρεύμα σε εναλλασσόμενο, το οποίο μπορεί να διοχετευθεί στο δίκτυο και να χρησιμοποιηθεί από τις συσκευές. Ανάλογα με τον τύπο τους, οι αντιστροφείς μπορούν να τοποθετηθούν στο εσωτερικό ή το εξωτερικό του κτηρίου. Χαρακτηρίζεται από την ισχύ του (Watt), την ονομαστική τάση (Volt) και την ένταση (Ampere). Η επιλογή του ορθού αντιστροφέα είναι καθοριστική για την αποτελεσματικότητα και απόδοση ενός τέτοιου συστήματος (iii) Αποθηκευτικό μέσο Η ποσότητα ισχύος που παράγεται από τις διατάξεις ΑΠΕ δεν είναι συνεχώς σταθερή αλλά μπορεί να κυμαίνεται σημαντικά σε ωριαία, ημερήσια και εποχιακή βάση. Ο λόγος εντοπίζεται σε μεταβολές που συντελούνται στην διαθεσιμότητα της πηγής ή στην μη σταθερή παραγωγή από την πηγή. Η διακύμανση αυτή σημαίνει ότι η ισχύς ορισμένες φορές δεν είναι επαρκής για τις ανάγκες που υπάρχουν και άλλες φορές υπάρχει πλεόνασμα ισχύος. Ως αποθηκευτικό μέσο των συστημάτων ΑΠΕ χρησιμοποιούνται ειδικού τύπου συστοιχίες συσσωρευτών. Είναι υψηλής αντοχής ώστε να αντέχουν στους συνεχείς κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης τους, ενώ το είδος που θα χρησιμοποιηθεί για αποθήκευση μπορεί να ποικίλει και παράλληλα να ποικίλουν και τα χαρακτηριστικά λειτουργίας και απόδοσης. Αναλυτικότερα, τα λειτουργικά χαρακτηριστικά επιλέγονται σύμφωνα με τις τεχνικές προδιαγραφές των υπολοίπων συνιστωσών με τα οποία η μπαταρία θα πρέπει να είναι συμβατή εφόσον θα συνδεθεί ηλεκτρικά. Τα χαρακτηριστικά κατασκευής, έχουν να κάνουν με το μέγεθος, το βάρος αλλά και το βαθμό επιρροής από εξωγενείς παράγοντες και επιλέγονται με βάση το περιβάλλον και το χαρακτήρα της εφαρμογής. Ο κάθε συσσωρευτής χαρακτηρίζεται από την χωρητικότητα του σε ρεύμα και την ονομαστική τάση του ρεύματος που τον διαχέει. Kάθε μπαταρία αναγράφει τη χωρητικότητά της σε Ah (αμπέρ ανά ώρα) και την τάση της σε Volt. 37

38 04 Ονομαστική χωρητικότητα μπαταρίας = Amper x ώρες = Amph Ένας ακόμη σημαντικός δείκτης είναι αυτός που μας παρέχει την πληροφορία σχετικά με τον ρυθμό εκφόρτισης με βάση τον οποίο ο συσσωρευτής μπορεί να δίνει το ρεύμα που έχει αποθηκεύσει. Ο δείκτης αυτός περιγράφεται με το γράμμα C. Συνήθεις τιμές του ρυθμού εκφόρτισης που μπορεί να αναγράφονται στα τεχνικά χαρακτηριστικά ενός συσσωρευτή είναι οι 5, οι 10 και οι 20 ώρες και αναφέρονται κατά συνέπεια στη ποσότητα ρεύματος που μπορεί να δώσει στο χρονικό αυτό διάστημα. Ρυθμός εκφόρτισης = C Πρακτικά όλες οι μπαταρίες που χρησιμοποιούνται σε συστήματα ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και γενικά σε μικρά συστήματα αποθήκευσης στον οικιστικό τομέα, είναι της τεχνολογίας μολύβδου -οξέος Οι συσσωρευτές της τεχνολογίας αυτής εμφανίζουν ακόμη και μετά από έναν αιώνα χρήσης τους, την καλύτερη αναλογία κόστους - απόδοσης. Σε κάποιες εφαρμογές χρησιμοποιούνται επίσης συσσωρευτές Νικελίου -Καδμίου, δεν προτιμούνται όμως λόγω υψηλού κόστους και δυσκολίας στην απόρριψη λόγω επικινδυνότητας του υλικού Καδμίου. a) Μολύβδου οξέως (lead-acid) Οι μπαταρίες αυτού του τύπου κατασκευάζονται σε μεγάλους αριθμούς και για ποικίλες χρήσεις. Τα πλεονεκτήματα τους εντοπίζονται στη μεγάλη διάρκεια ζωής τους, την ανθεκτικότητα τους και την εμπορική διαθεσιμότητα της τεχνολογίας που χρησιμοποιούν. Οι απλές μπαταρίες μολύβδου οξέως εμπεριέχουν μια ποσότητα νερού στις εσωτερικές κυψέλες τους, απαραίτητη για την λειτουργία του ηλεκτρολύτη, η οποία μπορεί να χάνεται κατά ένα μέρος, κατά την λειτουργία τους. Απαιτείται έτσι συχνή συντήρηση για την αναπλήρωση αυτού του νερού και για το λόγο αυτό δεν σφραγίζονται (ανοιχτού τύπου). Παράλληλα, καθώς παραμένουν ανοιχτές μπορούν κατά την φόρτιση τους να εκπέμπουν αέρια, καθίσταται λοιπόν απαγορευτική η χρήση τους σε εσωτερικούς χώρους. Είναι αρκετά βαριές και δύσκολες στη μεταφορά τους. Ο τύπος αυτός του συσσωρευτή χρησιμοποιείται συνήθως και σε οχήματα και ονομάζεται συχνά μπαταρία εκκίνησης(starter battery) Έχουν αναπτυχθεί και διατίθενται σήμερα συσσωρευτές αυτής της τεχνολογίας οι οποίοι διαθέτουν καλύτερα χαρακτηριστικά και δεν αντιμετωπίζουν τους ίδιους περιορισμούς γεγονός που ευνοεί τη χρήση τους στον τομέα των ανανεώσιμων πηγών. Οι δυο βασικές κατηγορίες τέτοιων μπαταριών είναι οι SLA και οι VRLA. Βασικό κοινό χαρακτηριστικό τους είναι η στεγανότητα, καθώς και οι δύο σφραγίζονται με κάποιο τρόπο. Έτσι είναι σε μεγαλύτερο βαθμό προστατευόμενες και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εφαρμογές όπου δεν διατίθεται κατάλληλα διαμορφωμένος χώρος για μπαταρίες. Επίσης λόγω της κλειστής κατασκευής τους, τα εσωτερικά τμήματα τους(όπως οι κυψέλες) τοποθετούνται σε στενότερη διάταξη μειώνοντας το συνολικό μέγεθος αλλά και το βάρος του συσσωρευτή. Η διαφορά ανάμεσα στους δυο τύπους είναι πολύ μικρή και έγκειται ακριβώς στο χαρακτηριστικό της στεγανοποίησης. Αναλυτικότερα οι SLA(Sealed Lead-Acid) μπαταρίες είναι εντελώς σφραγισμένες διατηρώντας πάντα προστατευμένο το εσωτερικό τους, ενώ οι VRLA μπαταρίες, φράσσονται με μια βαλβίδα ρύθμισης της πίεσης. Αυτή η φραγή βοηθά γενικά στην απρόσκοπτη λειτουργία τους και εξαλείφει την ανάγκη συντήρησης. 38

39 04 Στην κατηγορία των VRLA συσσωρευτών ανήκουν οι δύο παρακάτω τύποι : Οι στεγανές μπαταρίες με ζελέ. (gel-batteries). Εμπεριέχουν ζελέ και όχι νερό για την λειτουργία του ηλεκτρολύτη τους. Το ζελέ είναι σταθερό και ανεπηρέαστο σε αλλαγές και εξαλείφει την αναγκαιότητα συντήρησης. Επιπλέον λόγω του ότι είναι κλειστού τύπου, οι μπαταρίες αυτές δεν εκπέμπουν αέρια κατά τη διάρκεια της φόρτισης και μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο σε εσωτερικούς όσο και σε εξωτερικούς χώρους. Οι AGM μπαταρίες (Absorbed Glass Mat batteries). Διαθέτουν ένα ειδικό γυάλινο στρώμα το οποίο τοποθετείται εδώ ανάμεσα στις κυψέλες για την συγκράτηση του ηλεκτρολύτη. Είναι επίσης στεγανές και δεν εκπέμπουν αέρια ενώ εμφανίζουν μικρότερο ρυθμό εκφόρτισης και μεγαλύτερο χρόνο ζωής. Γενικό χαρακτηριστικό όλων των μπαταριών της κατηγορίας μολύβδου-οξέος είναι η αδυναμία πλήρης εκφόρτισης τους. Αναλυτικότερα πρέπει να εκφορτίζονται μέχρι ένα συγκεκριμένο σημείο και ποτέ πλήρως γιατί μειώνεται η αποδοτικότητα τους. Για το λόγο αυτό επιλέγονται να έχουν μεγαλύτερη χωρητικότητα ρεύματος τόσο από το σύστημα συλλογής ενέργειας, όσο και από το τελικό φορτίο με το οποίο συνδέονται. Οι μπαταρίες τεχνολογίας μολύβδου-οξέος είναι οι συνηθέστερα χρησιμοποιούμενες μπαταρίες σε εφαρμογές ΑΠΕ λόγω χαμηλού κόστους και ευρείας διαθεσιμότητας. b) Αλκαλικές μπαταρίες (Nickel Cadmium, NiCd) Οι αλκαλικές μπαταρίες ή αλλιώς νικελίου-καδμίου διαθέτουν πολύ καλά χαρακτηριστικά απόδοσης όπως μεγάλο χρόνο αποφόρτισης, που σημαίνει καλύτερη μακρόχρονη λειτουργία, αλλά και αντοχή σε συνεχείς κύκλους επαναφόρτισης. Όσον αφορά τους περιορισμούς, οι αλκαλικές μπαταρίες δεν μπορούν να δώσουν μεγάλη ισχύ ρεύματος σε μικρό χρόνο λόγω του αργού ρυθμού αποφόρτισης τους. Επίσης για την καλή λειτουργία τους, η αποφόρτιση τους, σε αντίθεση με τις μολύβδου-οξέος, πρέπει να γίνεται μέχρι να αδειάσουν τελείως πριν ξαναχρησιμοποιηθούν, ενώ σε αντίθετη περίπτωση μπορεί να οδηγηθούν σε απώλεια χωρητικότητας. Αντέχουν σε μικρές θερμοκρασίες (έως και -50 C) και χρησιμοποιούνται σε ανάλογες εφαρμογές. Τα κόστη όμως των πρώτων υλών τους παραμένουν υψηλά και εμποδίζουν την ευρεία εξάπλωση τους. Μια βελτιωμένη έκδοση των μπαταριών αυτού του τύπου είναι οι νικελίου μετάλλου υδριδίου (NiMH). Διαθέτουν μεγαλύτερη χωρητικότητα και παράλληλα δεν εμφανίζουν περιορισμό στον βαθμό εκφόρτισης(μπορούν δηλαδή να επαναφορτιστούν και πριν αδειάσουν τελείως). Επιπρόσθετα είναι φιλικότερες προς το περιβάλλον καθώς δεν εμπεριέχουν καθόλου τοξικά μέταλλα, όπως τα περισσότερα άλλα είδη συσσωρευτών, και καθίσταται έτσι εύκολη η ανακύκλωση τους. Το κόστος τους παραμένει σημαντικά υψηλότερο γι αυτό και σπάνια χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές στα πλαίσια κατοικιών. (iv) Ρυθμιστής φόρτισης Η διάρκεια ζωής του αποθηκευτικού μέσου (συσσωρευτή) εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την τήρηση των συνθηκών λειτουργίας που ορίζονται από τον κατασκευαστή. Μια από αυτές τις συνθήκες είναι και οι κύκλοι φόρτισης-εκφόρτισης του. Ο συσσωρευτής δηλαδή, δεν πρέπει να ξεπερνάει ορισμένα όρια τιμών κατά την διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης του. Για την προστασία των μπαταριών από τέτοιες καταστάσεις χρησιμοποιείται ο ρυθμιστής ή ελεγκτής φόρτισης, ο οποίος ελέγχει την ροή του ρεύματος. Ο έλεγχος αυτός γίνεται μέσω μετρήσεων της τάσης που αναπτύσσεται στην μπαταρία. Ο ρυθμιστής φόρτισης χαρακτηρίζεται επίσης από την ισχύ του(watt), την ονομαστική τάση και την ένταση (ampere). 39

40 04 Καθορίζονται αναλυτικότερα κάποια όρια τάσης μέσα στα οποία και θα πρέπει να παραμείνει η παραγωγή. Έτσι διακρίνονται τα: Όριο υψηλής τάσης για την αποφυγή υπερφόρτισης της μπαταρίας που οδηγεί σε υδρόλυση του ηλεκτρολύτη και διάβρωση των πλακών. Το όριο αυτό συχνά ονομάζεται και Αποσύνδεση Υψηλής Τάσης. Όριο χαμηλής τάσης προκειμένου να αποφευχθεί η βαθιά εκφόρτιση της μπαταρίας, που συχνά ονομάζεται Αποσύνδεση Χαμηλής Τάσης. (v) Φορτίο Mε τον όρο φορτίο, αναφερόμαστε στον τελικό αποδέκτη της ηλεκτρικής πλέον ενέργειας, ο οποίος μπορεί να είναι από κάποια ηλεκτρική συσκευή μέχρι και το δίκτυο ηλεκτρισμού. Εδώ γίνεται η κατανάλωση της ενέργειας. Η εκάστοτε τεχνολογία που χρησιμοποιείται στην κάθε ανανεώσιμη πηγή μπορεί να είναι διαφορετική, όμως το γενικό σχεδιάγραμμα παραμένει ίδιο, όπως ήδη περιγράφηκε και διαφαίνεται στο παρακάτω γράφημα: γράφημα 1 : Δομή συστήματος ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ Μια επιμέρους διάκριση που συναντάται στα συστήματα ηλεκτροπαραγωγής είναι ο τύπος διασύνδεσης τους. Αναλυτικότερα διακρίνονται σύμφωνα με το κριτήριο αυτό σε αυτόνομα και διασυνδεδεμένα συστήματα. Με τον όρο αυτόνομα συστήματα εννοούμε αυτά που λειτουργούν σε σημεία μη συνδεδεμένα στο κεντρικό δίκτυο, όπως οι περιοχές που δεν έχουν πρόσβαση στις βασικές ενεργειακές υπηρεσίες. Στην περίπτωση αυτή το ρόλο του αποθηκευτικού μέσου αναλαμβάνει μια ειδικά σχεδιασμένη μπαταρία. 40

41 04 γράφημα 2: Δομή αυτόνομου συστήματος Με τον όρο διασυνδεδεμένα εννοούμε τα συστήματα που χρησιμοποιούνται σε σημεία συνδεδεμένα στο εκάστοτε δίκτυο ηλεκτρισμού. Στην περίπτωση αυτή ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να πωλείται, όλη ή ένα μέρος της, στην κρατική επιχείρηση ηλεκτρισμού σε τιμή που καθορίζεται από την εκάστοτε νομοθεσία. Το δίκτυο ενεργεί εδώ όπως μια μπαταρία με απεριόριστη ικανότητα αποθήκευσης. Η συνολική αποδοτικότητα ενός διασυνδεδεμένου συστήματος θα είναι καλύτερη από την αποδοτικότητα ενός αυτόνομου συστήματος λόγω του ότι πρακτικά δεν υπάρχει όριο στην ικανότητα αποθήκευσης, ενώ στις αυτόνομες εφαρμογές οι μπαταρίες θα είναι ενίοτε πλήρως φορτισμένες οπότε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια θα πρέπει να αποβληθεί. γράφημα 3: Δομή διασυνδεδεμένου συστήματος 41

42 Παραγωγή θερμότητας Ως συστήματα παραγωγής θερμότητας ορίζονται όσα συστήματα αξιοποιούν κάποια μορφή ΑΠΕ και την μετατρέπουν σε θερμότητα και κατ επέκταση σε ζεστό νερό χρήσης. Παρόμοια με την ηλεκτροπαραγωγή έχουμε και εδώ την χρήση ποικίλων τεχνολογιών με διαφορετικό τρόπο και αρχές λειτουργίας. Παρόλα αυτά μπορεί να βρεθεί μια γενικότερη κοινή δομή που να χαρακτηρίζει όλα τα αυτά τα συστήματα. Όπως φαίνεται στο παρακάτω γράφημα οι βασικές συνιστώσες ενός τέτοιου συστήματος είναι η συλλογή ενέργειας από την πηγή, το τμήμα παραγωγής της θερμότητας και το τμήμα αποθήκευσης της ή το σύστημα διοχέτευσης της. Στο τμήμα παραγωγής της θερμότητας ανήκουν όλες οι τεχνολογίες που χρησιμοποιούν την ενέργεια που συλλέγεται και την μετατρέπουν σε θερμότητα. Φυσικά το είδος της τεχνολογίας που θα χρησιμοποιηθεί ποικίλει ανάλογα με το είδος της πηγής που αξιοποιείται. Η αποθήκευση της θερμότητας, γίνεται συνήθως με τη μορφή νερού σε κατάλληλες δεξαμενές και στη συνέχεια αξιοποιείται, ή διοχετεύεται και πάλι ως θερμότητα μέσω διαφόρων τρόπων. Τα συστήματα παραγωγής θερμότητας στον τομέα της οικίας είναι πάντα αυτόνομα καθώς δεν εφαρμόζεται κάποια περίπτωση πώλησης της σε δημόσιους φορείς. γράφημα 4: Δομή συστήματος παραγωγής θερμότητας από ΑΠΕ 42

43 Νομοθετικό πλαίσιο Με γνώμονα την αναστροφή της κλιματικής αλλαγής, αλλά και την ενεργειακή αυτονόμηση πραγματοποιήθηκε σε παγκόσμιο επίπεδο, αλλά και σε επίπεδο Ευρωπαϊκής Κοινότητας κατά την τελευταία δεκαετία, μία σειρά περιβαλλοντικών δράσεων για την προώθηση των τεχνολογιών ΑΠΕ τόσο στον βιομηχανικό όσο και στον οικιστικό τομέα. Αναφέρονται παρακάτω οι σημαντικότερες οδηγίες, σε διεθνές και εγχώριο επίπεδο, οι οποίες αποτέλεσαν την βάση όλων των δράσεων και επέτρεψαν ουσιαστικά την χρήση συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής από ΑΠΕ οδηγώντας στην εξέλιξη και την ευρύτερη χρήση τους Διεθνές και κοινοτικό νομικό πλαίσιο (i) Πρόγραμμα ALTENER Η Ευρωπαϊκή κοινότητα εκπονεί το πρόγραμμα ALTENER το 1993 και με αυτό θέτει στόχους για πρώτη φορά επάνω στην προώθηση των συστημάτων ΑΠΕ. Το πρόγραμμα αυτό περιλαμβάνει την προώθηση της αγοράς των ανανεώσιμων ενεργειακών τεχνολογιών, την ενσωμάτωσή τους στην εσωτερική αγορά, τη λήψη χρηματοδοτικών και οικονομικών μέτρων που θα ευνοήσουν την ανάπτυξη αυτή, τη διάδοση των τεχνολογιών ΑΠΕ μέσα από την κατάρτιση και πληροφόρηση του κοινού και τέλος την ανάπτυξη συνεργασίας με άλλες χώρες, μη μέλη της Ε.Ε. Στα πλαίσια του προγράμματος ALTENER, εκπονείται και η Ευρωπαϊκή Μελέτη για τις Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας- TERES (The European Renewable Energy Study). Η μελέτη έχει ως σκοπό την αναλυτική αξιολόγηση των τεχνικών και οικονομικών προοπτικών για την ανάπτυξη και διείσδυση των ΑΠΕ στην Ευρώπη έως το (ii) Πρωτόκολλο Κιότο 1997 Το Δεκέμβριο του 1997 υπογράφεται στο Κιότο το ομώνυμο Πρωτόκολλο με βασικό περιεχόμενο την λήψη μέτρων για την μείωση, τουλάχιστον κατά 5%, των αερίων θερμοκηπίου, σε σχέση με τα επίπεδα του Κάθε μια από τις χώρες παγκοσμίως υποχρεούται να «εφαρμόσει και να αναπτύξει πολιτικές και μέτρα σύμφωνα με τις εθνικές συνθήκες, όπως προώθηση, έρευνα, ανάπτυξη και αύξηση της χρήσης νέων και ανανεώσιμων μορφών ενέργειας, τεχνολογίες δέσμευσης του διοξειδίου του άνθρακα, καθώς και προηγμένων και καινοτόμων αξιόπιστων τεχνολογιών φιλικών προς το περιβάλλον». Παράλληλα, θεσπίζεται μια σειρά από ευέλικτους μηχανισμούς που βασίζονται σε κανόνες της παγκόσμιας αγοράς, για την ευκολότερη εφαρμογή του περιεχομένου του πρωτοκόλλου αλλά και για την ανάπτυξη και προώθηση των ΑΠΕ, ως μέτρο συμβολής στην μείωση των εκπομπών. Οι μηχανισμοί αυτοί περιλαμβάνουν: Δυνατότητα για Εμπορεία Εκπομπών, (Εmissions Trading). Οι χώρες με μεγάλη βιομηχανική ανάπτυξη μπορούν μέσω του μέτρου αυτού να αγοράσουν στην ουσία το μερίδιο εκπομπών κάποιας άλλης χώρας η οποία δεν θα το χρησιμοποιήσει λόγω μικρότερης ανάλογης ανάπτυξης. Κοινή Υλοποίηση Προγραμμάτων (Joint Implementation). Μέσω της υλοποίησης έργων που θα μειώσουν ή θα μετριάσουν την εκπομπή αερίων θερμοκηπίου μια χώρα αποκτά μονάδες μείωσης των εκπομπών. Μηχανισμός Καθαρής Ανάπτυξης (Clean Development Mechanism). Μέσω της ανάπτυξης και χρήσης τεχνολογιών ΑΠΕ, μπορεί μια χώρα να πιστοποιεί την μείωση εκπομπών θερμοκηπίου. 43

44 04 (iii) Λευκή και Πράσινη βίβλος Η Ε.Ε θεσπίζει το 1997 τη Λευκή Βίβλο, «Ενέργεια για το μέλλον: Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας» και θέτει ως στόχο την αυξημένη συμμετοχή των ΑΠΕ στη συνολική παροχή ενέργειας. Αναλυτικότερα αυτή θα πρέπει να ανέρχεται στο 12% της συνολικής παραγωγής έως το Το 2001 έρχεται η Πράσινη βίβλος να τοποθετήσει τις ΑΠΕ στην κρίσιμης σημασίας ενεργειακή στρατηγική και να ενθαρρύνει την χρήση τους σε διάφορους τομείς όπως τα κτίρια, και να προωθήσει την χρηματοδότηση για την περαιτέρω έρευνα και ανάπτυξη τους. (iv) Οδηγίες 1996/92/ΕΚ και 2001/77/ΕΚ Η πρώτη Οδηγία εκδόθηκε από το Ευρωπαϊκό Κοινοβούλιο στις 19/12/1996 και αποτέλεσε ουσιαστικά το θεμέλιο για την απελευθέρωση της εσωτερικής αγοράς ηλεκτρικής ενέργειας, παραχωρώντας στον ιδιωτικό τομέα δικαιώματα παραγωγής, μεταφοράς και διανομής. Έθεσε παράλληλα τις προδιαγραφές για την οργάνωση μιας ανταγωνιστικής εσωτερικής αγοράς ενέργειας και αποτέλεσε βασικό νομοθετικό εργαλείο για τα κράτη μέλη, στα οποία παραχωρήθηκε η ευχέρεια επιλογής μεταξύ των προτεινόμενων μεθόδων. Για περιβαλλοντικούς λόγους δόθηκε προτεραιότητα στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ, χωρίς ωστόσο να εισάγει σχετική δέσμευση. Σε δεύτερο στάδιο, στις 27 Σεπτεμβρίου του 2001 έρχεται η ευρωπαϊκή Οδηγία 2001/77/ΕΚ η οποία αφορά στην προώθηση της παραγωγής ενέργειας από ΑΠΕ στην εσωτερική αγορά ηλεκτρισμού. Θέτει ως στόχο την αύξηση του μεριδίου των ΑΠΕ στη συνολική παροχή ηλεκτρικής ενέργειας σε 22,1% έως το Τα κράτη-μέλη υπό αυτήν την οδηγία υποχρεώνονται να θέσουν ποσοτικούς στόχους για τη μελλοντική εγχώρια κατανάλωση ηλεκτρισμού που θα παράγεται από ΑΠΕ. Παράλληλα η Ευρωπαϊκή Επιτροπή καλείται να παρακολουθεί και να ελέγχει τη συμμόρφωση των εθνικών στόχων προς τις κοινοτικές δεσμεύσεις σχετικά με τις κλιματικές αλλαγές, καθώς και προς τον στόχο του 12% της συνολικής ενεργειακής κατανάλωσης και του 22,1% της κατανάλωσης ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ. Αναλυτικότερα για την επίτευξη των ανωτέρω στόχων τα κράτη- μέλη οφείλουν να διασφαλίζουν την προτεραιότητα πρόσβασης σε ηλεκτρισμό από ΑΠΕ, να βελτιώνουν και να επιταχύνουν τις διάφορες διοικητικές διαδικασίες αδειοδότησης που αφορούν στις μονάδες παραγωγής από ΑΠΕ και να διατηρούν διαφανείς διαδικασίες στον υπολογισμό του κόστους σύνδεσης για τους νέους παραγωγούς. Σε τακτά χρονικά διαστήματα οφείλουν να συντάσσουν μια αναφορά όπου θα διαφαίνεται η πρόοδος των διεργασιών αυτών. Στην πορεία εφαρμογής της οδηγίας αυτής ορίστηκε μια σειρά από νέες έννοιες που αφορούν πρόσωπα και καταστάσεις που εμπλέκονται και περιλαμβάνει τα εξής: a) Αδειούχος: Το φυσικό ή νομικό πρόσωπο το οποίο είναι κάτοχος της άδειας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από ΑΠΕ b) Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Οι μη ορυκτές ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως η αιολική ενέργεια, η ηλιακή ενέργεια, η ενέργεια κυμάτων, η παλιρροϊκή ενέργεια, η βιομάζα, τα αέρια που εκλύονται από χώρους υγειονομικής ταφής και από εγκαταστάσεις βιολογικού καθαρισμού, τα βίο-αέρια, η γεωθερμική ενέργεια, η υδραυλική ενέργεια που αξιοποιείται από υδροηλεκτρικούς σταθμούς. 44

45 04 c) Αρμόδια αρχή κράτους-μέλους Ο αρμόδιος φορέας που είναι ανεξάρτητος από δραστηριότητες παραγωγής και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας και έχει ορισθεί για την επίβλεψη των αντιστοίχων διαδικασιών. d) Αυτόνομος παραγωγός Ο παραγωγός που παράγει ηλεκτρική ενέργεια από ΑΠΕ και του οποίου ο σταθμός δεν είναι συνδεδεμένος με το Σύστημα ή με το Δίκτυο. Στην περίπτωση αυτή η ηλεκτρική ενέργεια χρησιμοποιείται αποκλειστικά για την κάλυψη των αναγκών του παραγωγού και μπορεί να αποθηκεύεται όταν η παραγωγή της είναι σε πλεόνασμα. Το σύστημα στην περίπτωση αυτή ονομάζεται αυτόνομο. e) Αυτοπαραγωγός Ο παραγωγός που παράγει ηλεκτρική ενέργειας από ΑΠΕ κυρίως για δική του χρήση και διοχετεύει τυχόν πλεόνασμα της ενέργειας αυτής στο Σύστημα ή στο Δίκτυο. Στην περίπτωση αυτή η περίσσεια του ρεύματος πωλείται στην εκάστοτε δημόσια επιχείρηση ηλεκτρισμού σε τιμή που ορίζεται από το νομοθετικό πλαίσιο. Αυτό το σύστημα παραγωγής ονομάζεται διασυνδεδεμένο Ελληνικό νομικό πλαίσιο Το σημαντικότερο κομμάτι του νομοθετικού πλαισίου της Ελλάδας όσον αφορά την εφαρμογή των ΑΠΕ είναι η απελευθέρωση της εγχώριας αγοράς ηλεκτρισμού η οποία πραγματοποιήθηκε με τον Νόμο 2773/99. Ο Νόμος αυτός επέτρεψε ουσιαστικά την ιδιωτική ηλεκτροπαραγωγή ευνοώντας παράλληλα την ευρύτερη χρήση των τεχνολογιών ΑΠΕ για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Ειδικότερα οι κύριες διατάξεις του νόμου προβλέπουν τα παρακάτω: Ο Διαχειριστής του Ελληνικού Συστήματος Μεταφοράς Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΔΕΣΜΗΕ Α.Ε.) ο οποίος αποτελεί ανεξάρτητη Αρχή, μπορεί να συνάπτει 10ετές συμβόλαιο αγοράς ηλεκτρισμού με τους παραγωγούς ΑΠΕ, το οποίο περιλαμβάνει πάντα το δικαίωμα της ανανέωσης. Ο ηλεκτρισμός από ΑΠΕ ανεξάρτητου παραγωγού ή ο πλεονάζων ηλεκτρισμός από ΑΠΕ αυτόνομου παραγωγού μπορεί να πωλείται στον ΔΕΣΜΗΕ σε προκαθορισμένη τιμή, η οποία αποτελεί σταθερό ποσοστό επί του ισχύοντος τιμολογίου κατανάλωσης ρεύματος. Κάθε παραγωγός ηλεκτρισμού από ΑΠΕ, υπόκειται σε ετήσιο ανταποδοτικό τέλος που ισοδυναμεί με το 2% των πωλήσεων ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο. Μεγάλης σημασία είναι και η Υ.Α /98, η οποία ενσωματώνει τις ρυθμίσεις για τη βελτίωση της ενεργειακής απόδοσης των κτιρίων και προωθεί τη χρήση ΑΠΕ στον οικιστικό-κτιριακό σχεδιασμό. Όσον αφορά την χρηματοδοτική στήριξη που θα ευνοήσει την εφαρμογή και την ανάπτυξη τεχνολογιών ΑΠΕ, αυτή περιγράφεται από τον αναπτυξιακό Νόμο 2601/98. Θα πρέπει να σημειωθεί πως όλα τα παραπάνω πραγματοποιούνται στο πλαίσιο της γενικότερης νομικής δέσμευσης της Ελλάδας, σύμφωνα με την Οδηγία 2001/77, για την επίτευξη του ενδεικτικού στόχου, της κατά 20,1% κάλυψης της συνολικής κατανάλωσης ηλεκτρισμού της χώρας από ΑΠΕ έως το Ο στόχος αυτός αντιστοιχεί σε περίπου 2.500MWe εγκαταστάσεων ΑΠΕ. (i)διαδικασία αδειοδότησης Η εγκατάσταση εφαρμογών ανανεώσιμων πηγών ενέργειας για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος στα πλαίσια μιας κατοικίας, προϋποθέτει μια αρκετά εκτενή διαδικασία αδειοδότησης κατά την οποία ο κάτοχος θα πρέπει να λάβει έγκριση από διάφορες υπηρεσίες. 45

46 04 Η διαδικασία αδειοδότησης διαφέρει σε σημεία ανάλογα με τον τύπο ανανεώσιμης πηγής που αξιοποιείται κάθε φορά, αλλά και ανάλογα με τον σκοπό παραγωγής του ρεύματος. Ο όρος «σκοπός παραγωγής» αναφέρεται στην τελική χρήση του ηλεκτρικού ρεύματος που θα παραχθεί. Αναλυτικότερα το σύστημα που θα εγκατασταθεί μπορεί συνδεθεί με την ΔΕΗ για την πώληση του παραγόμενου ρεύματος(διασυνδεδεμένο) ή να χρησιμοποιηθεί για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών της κατοικίας (αυτόνομο).η πλέον καθοριστική παράμετρος για την διαδικασία αδειοδότησης είναι και η ισχύς που θα διαθέτει στο σύστημα. Σύμφωνα με το χαρακτηριστικό αυτό, τα συστήματα ταξινομούνται σε τρεις διαφορετικές κατηγορίες για καθεμία από τις οποίες ισχύουν και διαφορετικές διατάξεις. Γενικότερα όσο μεγαλύτερη είναι η παραγόμενη ισχύς τόσο πιο πολύπλοκη και εκτενής γίνεται η διαδικασία αδειοδότησης. Οι κατηγορίες με κριτήριο την ισχύ είναι : Συστήματα παραγωγής ισχύος μικρότερης των 20 kwp Συστήματα παραγωγής ισχύος από 20 kw μέχρι 150 Kwp Συστήματα παραγωγής ισχύος μεγαλύτερης των 150 kwp Αναφέρονται στη συνέχεια τα γενικά βήματα που απαιτούνται για την έγκριση εγκατάστασης μιας τέτοιας εφαρμογής. Κάποια από τα βήματα αυτά μπορεί να μην κρίνονται απαραίτητα ανά περίπτωση σε κάθε κατηγορία ισχύος. Έγκριση περιβαλλοντικών όρων. Περιβαλλοντική εκτίμηση και αξιολόγηση του συστήματος που πρόκειται να εγκατασταθεί. Η διαδικασία γίνεται εκτενέστερη όταν το σύστημα εγκαθίσταται εντός περιοχών NATURA 2000, Εθνικών Δρυμών, παραδοσιακών οικισμών και περιοχών αρχαιολογικού ενδιαφέροντος και είναι απαραίτητη και για τις τρεις κατηγορίες ισχύος. Άδεια παραγωγής. Λήψη άδειας για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος η οποία λαμβάνεται από την Ρυθμιστική Αρχή Ενέργειας (ΡΑΕ) για την εγκατάσταση συστημάτων ισχύος μεγαλύτερης των 150kWp Άδεια δόμησης Πολεοδομία. Πρόκειται για την έγκριση εργασιών μικρής κλίμακας η οποία και λαμβάνεται από την Πολεοδομία η οποία και είναι ιδιαίτερα χρονοβόρα ειδικά αν το σύστημα αποτελέσει δομικό στοιχείο του κτηρίου. Είναι απαραίτητη για συστήματα ισχύος μεγαλύτερης των 20 kwp. Άδεια εγκατάστασης. Όταν ληφθεί το έγγραφο καταλληλότητας από την Πολεοδομία λαμβάνεται και από την Διοικ. Περιφέρεια η άδεια εγκατάστασης αν το σύστημα έχει ισχύ μεγαλύτερη των 150kWp Σύμβαση σύνδεσης με τη ΔΕΗ και σύμβαση αγοροπωλησίας ηλεκτρικής ενέργειας με ΔΕΣΜΗΕ. Σε περίπτωση που το σύστημα είναι διασυνδεδεμένο υπογράφεται μια σύμβαση με τις ανωτέρω υπηρεσίες όπου καθορίζονται όλοι οι όροι πώλησης του ηλεκτρικού ρεύματος από τον ιδιώτη σε αυτές. Άδεια λειτουργίας. Τελευταίο βήμα της διαδικασίας αδειοδότησης και αφού ρυθμιστούν όλα τα ανωτέρω είναι η άδεια λειτουργίας του συστήματος η ποία και λαμβάνεται από την Διοικ.Περιφέρεια σε περίπτωση που το σύστημα διαθέτει ισχύ από 150kWp και άνω. 46

47 Ηλιακή ενέργεια Η ηλιακή ακτινοβολία παρέχει ένα τεράστιο ποσό ενέργειας στη γη. Το συνολικό ποσό ενέργειας που ακτινοβολείται από τον ήλιο στην επιφάνεια της γης είναι ίσο με φορές περίπου την ετήσια παγκόσμια ενεργειακή κατανάλωση και κατά μέσο όρο προσπίπτουν 1700 kwh ενέργειας, σε κάθε τετραγωνικό μέτρο κάθε χρόνο. Το φως του ήλιου που φτάνει στην επιφάνεια της γης αποτελείται από δυο συνιστώσες, το άμεσο φως και το φως που έχει διασκορπιστεί από τα μόρια της σκόνης και του νερού στην ατμόσφαιρα, το οποίο ονομάζεται έμμεσο ή διάχυτο. Με την χρήση κατάλληλων συστημάτων, ένα μέρος αυτής της ακτινοβολίας μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τόσο ηλεκτρικού ρεύματος όσο και θερμότητας και να καλύψει ανάγκες σε διάφορους τομείς. Ακόμη και αν τα συστήματα που έχουν αναπτυχθεί ως τώρα δεν μπορούν να εκμεταλλευτούν το 100% της ηλιακής ακτινοβολίας δεν υπάρχει ουσιαστικά τίποτε χαμένο αφού τα αποθέματα του ήλιου δεν εξαντλούνται σε αντίθεση με τις συμβατικές μορφές ενέργειας. Σημαντικό τμήμα των εφαρμογών αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας αποτελεί ο οικιστικός τομέας. Εδώ εφαρμόζονται δυο βασικές τεχνολογίες, τα φωτοβολταϊκά συστήματα για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τα θερμικά ηλιακά συστήματα για την παραγωγή θερμότητας. Τα ηλιακά φωτοβολταϊκά στοιχεία, γνωστά ως «φωτοβολταϊκά» ή «Φ/Β» αποτελούν μια προσέγγιση υψηλής τεχνολογίας για την άμεση μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Βασική μονάδα των Φ/Β συστημάτων είναι η ηλιακή κυψέλη. Πρόκειται ουσιαστικά για τη συσκευή εκείνη, που μετατρέπει το ηλιακό φως σε ηλεκτρική ενέργεια και η οποία συνδεόμενη με τις κατάλληλες συνιστώσες δημιουργεί το σύστημα που ονομάζεται φωτοβολταϊκό. Tα θερμικά ηλιακά συστήματα ή αλλιώς ενεργητικά ηλιακά συστήματα από την άλλη πλευρά, συλλέγουν το φως του ηλίου και το μετατρέπουν μέσω των ονομαζόμενων θερμό-συλλεκτών σε θερμότητα. Η τελευταία μπορεί να χρησιμοποιείται για τη θέρμανση πόσιμου νερού ή νερού χρήσης, για την υποστήριξη του συστήματος θέρμανσης ή για την απευθείας θέρμανση του αέρα εσωτερικών χώρων Φωτοβολταικά συστήματα Εννοιολογικά μια Φ/Β διάταξη είναι μια ηλιακά τροφοδοτούμενη μπαταρία όπου το μόνο αναλώσιμο είναι το φως που την τροφοδοτεί. Ο όρος «φωτο» προέρχεται από το φως, το δε «βολτ» οφείλεται στον Alessandro Volta, πρωτοπόρο στη μελέτη του ηλεκτρισμού. Δεδομένου ότι το φως του ήλιου είναι μια ανανεώσιμη πηγή, διαθέσιμη παντού, τα Φ/Β συστήματα μπορούν να εφαρμοστούν και να λειτουργήσουν σε όλο το εύρος του πλανήτη. Επίσης λόγω του ότι είναι πολύ-συναρτησιακά, η ηλεκτροπαραγωγή τους μπορεί να προσαρμοστεί από καταναλωτικές χρήσεις χαμηλής ισχύος μέχρι και σε εφαρμογές με σημαντικές ενεργειακές απαιτήσεις. Η βασική συνιστώσα των Φ/Β συστημάτων ονομάζεται «ηλιακή κυψέλη» και σε αυτήν βασίζεται ολόκληρη η λειτουργία τους. 47

48 04 (i) Ιστορικό ανάπτυξης Η λειτουργία των φωτοβολταϊκών συστημάτων βασίζεται στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, η ανακάλυψη του οποίου αποτέλεσε την αρχή της ευρέως αναπτυσσόμενης αυτής τεχνολογίας. Η πρώτη γνωριμία του ανθρώπου με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο έγινε το 1839, όταν ο Γάλλος φυσικός Edmond Bec querel ( ) ουσιαστικά το ανακάλυψε, κατά την διάρκεια πειραμάτων του με μια ηλεκτρολυτική επαφή φτιαγμένη από δύο μεταλλικά ηλεκτρόδια. Σταδιακά πραγματοποιήθηκαν βήματα που οδήγησαν τόσο στην καλύτερη κατανόηση του φωτοβολταϊκού φαινομένου όσο και στην εφαρμογή του σε διατάξεις παραγωγής ηλεκτρισμού με πηγή το ηλιακό φως. Το 1876, ο επιστήμονας και καθηγητής φυσικής φιλοσοφίας Adams ( ) και ο φοιτητής του Day, παρατήρησαν ότι μια ποσότητα ηλεκτρικού ρεύματος παραγόταν από το σελήνιο (Se), όταν αυτό ήταν εκτεθειμένο στο φως. Το 1918 ο Πολωνός χημικός, Czochralski ( ) πρόσθεσε σε αυτή την πορεία γνώσης, την μέθοδο παραγωγής ημιαγωγού μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Si) με την σχετική έρευνα του και η οποία μάλιστα χρησιμοποιείται βελτιστοποιημένη ακόμα και σήμερα. Το πρώτο ηλιακό κελί έγινε γεγονός στα εργαστήρια της εταιρίας Bell το 1954 από τους Chapin, Fuller και Pearson. Η απόδοση του ήταν μόλις 6% εκμετάλλευση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. Τέσσερα χρόνια μετά το 1958 η τεχνολογία των φωτοβολταϊκών προσαρτάται στον χώρο των διαστημικών εφαρμογών όταν τοποθετήθηκε ένα φωτοβολταϊκό σύστημα στον δορυφόρο Vanguard I. Το σύστημα αυτό λειτούργησε επιτυχώς για 8 ολόκληρα χρόνια. ο Edmond Becquerel και η μέθοδος παραγωγής ημιαγωγού από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο (επάνω) οι Chapin, Fuller, Pearson: πρώτο ηλιακό κελί, 1954 και ο δορυφόρος Vanguard 1 (κάτω) 48

49 04 Από το χρονικό αυτό σημείο και μετά τα φωτοβολταϊκά συστήματα άρχισαν να ενσωματώνονται σταδιακά σε διάφορες τεχνολογικές εφαρμογές και η τεχνολογία να βελτιώνεται συνεχώς. Σήμερα έχουν επιτευχθεί αρκετά μεγάλες αποδόσεις στα συστήματα που κατασκευάζονται από κρυσταλλικά κυρίως υλικά και αρκετές χώρες, με πρωτοπόρες την Γερμανία και την Ιαπωνία έχουν ήδη επενδύσει τεράστια κονδύλια με σκοπό την ευρύτερη εκμετάλλευση της φωτοβολταϊκής τεχνολογίας. (ii) Ηλιακές κυψέλες Η κυψέλη είναι στην ουσία η συσκευή που μετατρέπει την ηλιακή ακτινοβολία απευθείας σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω του φωτοβολταϊκού φαινόμενου. Συνοπτικά κατά το φαινόμενο αυτό, όταν το φως πέσει σε μια ημιαγωγική διάταξη δυο στρωμάτων παράγει μια φωτο-τάση η μια διαφορά δυναμικού μεταξύ των στρωμάτων. Αυτή η τάση που παράγεται, είναι ικανή να οδηγήσει σε ρεύμα μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος, παράγοντας με τον τρόπο αυτό ωφέλιμο έργο. Για την καλύτερη κατανόηση των αρχών λειτουργίας μιας κυψέλης θα πρέπει πρώτα να περιγραφούν τα υλικά και ο τρόπος παραγωγής τους. a)μέθοδος παραγωγής Γενικότερα το υλικό που χρησιμοποιείται περισσότερο στην φωτοβολταϊκή βιομηχανία είναι το πυρίτιο. Είναι ίσως και το μοναδικό που παράγεται με μαζικό τρόπο. Διαθέτει σημαντικά πλεονεκτήματα όπως το γεγονός ότι μπορεί να βρεθεί πάρα πολύ εύκολα στην φύση, αφού αποτελεί το δεύτερο σε αφθονία υλικό στον πλανήτη μετά το οξυγόνο. Το οξείδιο του πυριτίου (ή κοινώς η άμμος) και ο χαλαζίτης αποτελούν το 28% του φλοιού της γης. Επίσης είναι ιδιαίτερα φιλικό προς το περιβάλλον. Μπορεί επίσης να λιώσει εύκολα και να μορφοποιηθεί αλλά και να επιστρέψει σχετικά εύκολα στην κρυσταλλική του μορφή. Τέλος οι ηλεκτρικές του ιδιότητες μπορούν να διατηρηθούν μέχρι και στους 125C καθιστώντας δυνατή την χρήση του σε ιδιαίτερα δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες. Πολύ σημαντικό στοιχείο, που συνέβαλε στην γρήγορη ανάπτυξη των φωτοβολταϊκών στοιχείων τα τελευταία χρόνια, ήταν η ήδη ανεπτυγμένη τεχνολογία, στην βιομηχανία της επεξεργασίας του πυριτίου, στον τομέα της ηλεκτρονικής (υπολογιστές, τηλεοράσεις κλπ). Το 2007 ήταν η πρώτη χρονιά που υπήρχε μεγαλύτερη ζήτηση (σε τόνους κρυσταλλικού πυριτίου) στην αγορά των φωτοβολταϊκών, σε σχέση με αυτήν των ημιαγωγών της ηλεκτρονικής. Όσον αφορά τη μέθοδο παραγωγής, μια αρχική κατηγοριοποίηση των φωτοβολταϊκών στοιχείων γίνεται με βάση το πάχος του υλικού που εξάγεται από αυτή. Διακρίνονται δυο βασικές κατηγορίες τα στοιχεία πυριτίου μεγάλου πάχους και λεπτών επιστρώσεων. Τύποι στοιχείων πυριτίου «μεγάλου πάχους» 1) Φ/Β στοιχεία μονοκρυσταλλικού πυριτίου (Monocrystalline Silicon) Τα μονοκρυσταλλικά δισκία παράγονται από την κοπή μονοκρυσταλλικής ράβδου πυριτίου, η οποία πρώτα θερμαίνεται σε θερμοκρασία περίπου 144 C. Το πάχος των φετών είναι μικρό και κυμαίνεται περίπου στα 0.3 χιλιοστά. Γενικά όσο μικρότερο είναι το πάχος της τμήματος που κόβεται, τόσο λιγότερο υλικό δαπανάται και επομένως μειώνεται και το κόστος της παραγωγής. Παράλληλα μικρό πάχος φέτας συνεπάγεται και σε μεγαλύτερη αποδοτικότητα. Το πυρίτιο που χρησιμοποιείται στη διαδικασία αυτή θα πρέπει να είναι πολύ υψηλής καθαρότητας και να έχει μια σχεδόν τέλεια κρυσταλλική δομή. Η διεργασία παραμένει ιδιαίτερα δαπανηρή ακόμη και σήμερα, ενώ σχεδόν το μισό του πυριτίου χάνεται κατά τη διάρκεια της ως σκόνη κοπής. Μια τυπική ηλιακή κυψέλη μονοκρυσταλλικού πυριτίου έχει βαθύ μπλε χρώμα και ζυγίζει λιγότερο από 10 γραμμάρια. Το μήκος και το πλάτος της είναι περίπου 10 εκατοστά, μπορεί όμως να ποικίλει ανάλογα με τον κατασκευαστή. 49

50 04 2) Φ/Β στοιχεία πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Polycrystalline Silicon) Τα πολυκρυσταλλικά δισκία κατασκευάζονται με διεργασία χύτευσης. Το πυρίτιο λιώνεται και χύνεται σε ένα καλούπι όπου αφήνεται να σταθεροποιηθεί. Οπτικά μπορεί κανείς να παρατηρήσει τις επιμέρους μονοκρυσταλλικές περιοχές. Όσο μεγαλύτερες είναι σε έκταση οι μονοκρυσταλλικές περιοχές τόσο μεγαλύτερη είναι και η απόδοση των πολυκρυσταλλικών στοιχείων. Κατόπιν η διαδικασία είναι παρόμοια αυτής των μονοκρυσταλλικών δισκίων. Το σταθεροποιημένο πλέον πυρίτιο δηλαδή, τεμαχίζεται σε δισκία με χαρακτηριστικά (διαστάσεις) παρόμοια των ανωτέρω. Η χύτευση αποτελεί μια αρκετά φθηνότερη διαδικασία παραγωγής, όμως τα δισκία αυτά δεν είναι τόσο αποδοτικά όσο τα μονοκρυσταλλικά. Ο λόγος είναι οι ατέλειες που δημιουργούνται στην κρυσταλλική δομή του πυριτίου που οφείλονται ακριβώς στη διεργασία της χύτευσης. Σχεδόν το ήμισυ του πυριτίου χάνεται ως σκόνη κοπής και σε αυτή την διεργασία. μονοκρυσταλλικό και πολυσκρυσταλλικό πάνελο Φωτοβολταϊκά υλικά λεπτών επιστρώσεων Αυτού του τύπου οι ηλιακές κυψέλες παράγονται με εναπόθεση πολύ μικρού πάχους μεμβρανών φωτο-ευαίσθητων υλικών σε κάποια χαμηλού κόστους υποστρώματα όπως το γυαλί, το ατσάλι ή το πλαστικό. Οι κυψέλες που παράγονται με αυτή τη μέθοδο διαθέτουν μια σειρά από σημαντικά πλεονεκτήματα όπως η ευκολότερη απόθεση και συναρμολόγηση τους σε συστήματα, η ικανότητα να εναποτίθενται επάνω σε φθηνά υποστρώματα ή υλικά οικοδομών, η ευκολία για μαζική παραγωγή και κατά συνέπεια η καταλληλότητα τους σε μεγάλες εφαρμογές. Το πάχος των μεμβρανών είναι πολύ μικρό στην κατηγορία αυτή και τα συνήθη φωτοευαίσθητα υλικά που χρησιμοποιούνται για τις μεμβράνες σήμερα, είναι το άμορφο πυρίτιο, ο δισεληνιούχος ινδικός χαλκός και το τελουριούχο κάδμιο. 1)Φ/Β στοιχεία άμορφου πυριτίου (Amorphous ή Thin film Silicon, a-si) Τα Φ/Β στοιχεία άμορφου πυριτίου είναι αρκετά φθηνότερα λόγω της μικρότερης ποσότητας πυριτίου που χρησιμοποιείται. Το πάχος του πυριτίου εδώ μπορεί να φτάσει τα 0,3 μικρόμετρα και το υπόστρωμα μπορεί να είναι από 1 έως 3 χιλιοστά. Η λέξη άμορφο προέρχεται από τον τυχαίο τρόπο με τον οποίο είναι διατεταγμένα τα άτομα του πυριτίου. Βασικό μειονέκτημα των στοιχείων άμορφου πυριτίου, είναι η μικρή απόδοση όσον αφορά τη μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, η οποία και οδηγεί στην ανάγκη χρήσης μεγαλύτερων επιφανειών Φ/Β πάνελ, αυξάνοντας παράλληλα και το κόστος εγκατάστασης. Τέλος τα στοιχεία αυτά παρουσιάζουν μικρότερη αντοχή σε εξωγενείς παράγοντες και κατά συνέπεια μικρότερο χρόνο ζωής. 2)Δισεληνοϊνδιούχος Χαλκός (CuInSe2) Ο Δισεληνοϊνδιούχος χαλκός αποτελεί ένα πολυκρυσταλλικό ημιαγωγό αποτελούμενο από χαλκό, ίνδιο και σελήνιο. Η κατασκευή Φ/Β στοιχείων από το υλικό αυτό αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα 50

51 04 πεδία έρευνας στην βιομηχανία των λεπτών επιστρώσεων. Σαν υλικό παρουσιάζει εξαιρετική απορροφητικότητα στο ηλιακό φάσμα η οποία φτάνει το 90% αλλά και μεγάλη ανθεκτικότητα σε εξωγενείς παράγοντες. Επίσης σε εργαστηριακές έρευνες παρουσίασε τη μεγαλύτερη σε σειρά απόδοση μετατροπής ηλιακής ενέργειας σε ηλεκτρική, μετά το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο. Ο δισεληνοϊνδιούχος χαλκός αποτελεί γενικά ένα αποδοτικό αλλά σύνθετο υλικό και η συνθετότητα του δυσχεραίνει την διαδικασία κατασκευής Φ/Β στοιχείων. Επιπρόσθετα εμφανίζονται στην περίπτωση αυτή και θέματα ασφάλειας καθώς στην διαδικασία παραγώγης του εμπεριέχεται το υδρογονούχο σελένιο, ένα εξαιρετικά τοξικό αέριο. Για τους λόγους αυτούς το υλικό αυτό δεν χρησιμοποιείται σήμερα ευρέως για την κατασκευή στοιχείων. 3) Φ/Β στοιχεία από Τελουριούχο Κάδμιο Πρόκειται για έναν πολυκρυσταλλικό ημιαγωγό που αποτελείται από τελούριο και κάδμιο και παρουσιάζει πολύ υψηλή απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας (99% της προσπίπτουσας σε αυτό ακτινοβολίας). Η απόδοση του κυμαίνεται στα ίδια επίπεδα με αυτή του άμορφου πυριτίου. Τροχοπέδη για την χρήση του αποτελεί το γεγονός ότι το κάδμιο είναι τοξικό υλικό και παρόλο που χρησιμοποιείται σε πολύ μικρές ποσότητες, αυξάνει το επίπεδο επικινδυνότητας της διαδικασίας παραγωγής του. Επίσης προβληματίζει ή έλλειψη του Τελλουρίου. Δεν χρησιμοποιείται εμπορικά για την κατασκευή Φ/Β κυψελών και η σημαντικότερη χρήση του σήμερα είναι ή ενθυλάκωση του στο γυαλί ως δομικό υλικό (BIPV Build ing Integrated Photovoltaic). 4) Φ/Β στοιχεία από αρσενικούχο γάλλιο Το αρσενικούχο γάλλιο είναι ένας σύνθετος ημιαγωγός αποτελούμενος από γάλλιο και αρσενικό. Διαθέτει κρυσταλλική μορφή παρόμοια του πυριτίου, σε αντίθεση όμως με αυτό, λόγω της μεγάλης αποροφητικότητας του, απαιτούνται μόλις μερικά μικρόμετρα υλικού για την συλλογή της ίδιας ποσότητας ακτινοβολίας. Το αρσενικούχο γάλλιο εμφανίζει επίσης πολύ μεγάλη απόδοση στην μετατροπή της ηλιακής ακτινοβολίας αλλά και ανθεκτικότητα στις υψηλές θερμοκρασίες, γεγονός που επιβάλλει σχεδόν την χρήση του σε εφαρμογές ηλιακών συλλεκτών. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα αυτής της τεχνολογίας το οποίο εμποδίζει μέχρι σήμερα την εμπορική εκμετάλλευση του, είναι το υπερβολικά μεγάλο κόστος του υλικού. Φ/Β στοιχεία άμορφου πυριτίου και δισεληνοϊνδιούχου χαλκού(επάνω) και Φ/Β στοιχεία από τελουριούχο κάδμιο και αρσενικούχο γάλλιο (κάτω) 51

52 04 Τέλος σημαντική κίνηση βελτίωσης, αποτελούν οι προσπάθειες για παραγωγή λεπτών μεμβρανών που θα βασίζονται στην διαδικασία «συνεχούς εναπόθεσης στρωμάτων». Αναλυτικότερα αυτό σημαίνει ότι ένα ελαστικό υπόστρωμα για παράδειγμα ανοξείδωτο ατσάλι ενισχύεται με στρώματα φωτοευαίσθητου υλικού σε συνεχή διαδικασία. Ανάμεσα στις εμπορικά διαθέσιμες τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης αυτή του άμορφου πυριτίου είναι η πλέον διαδεδομένη σε παραγωγή και εγκατάσταση. Μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία λεπτής μεμβράνης, η οποία τώρα μπαίνει σε διαδικασίες παραγωγής, αποτελεί και η πολυκρυσταλλική λεπτή μεμβράνη. Η τεχνολογία αυτή είναι στην ουσία ο συνδυασμός του άμορφου και του πολυκρυσταλλικού πυριτίου για τη δημιουργία αποδοτικότερων κυψελών. b) Λειτουργία Για να γίνει αντιληπτή η λειτουργία μιας Φ/Β κυψέλης πρέπει αρχικά να κατανοηθεί η φύση τόσο του υλικού όσο και του ηλιακού φωτός. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει σε μια επιφάνεια είτε ανακλάται, είτε την διαπερνά (διαπερατότητα), είτε απορροφάται από το υλικό της επιφάνειας. Η απορρόφηση του φωτός ουσιαστικά σημαίνει την μετατροπή του σε μια άλλη μορφή ενέργειας (σύμφωνα με την αρχή διατήρησης της ενέργειας) η οποία συνήθως είναι η θερμότητα. Παρόλα αυτά όμως υπάρχουν κάποια υλικά τα οποία έχουν την ιδιότητα να μετατρέπουν την ενέργεια των προσπιπτόντων φωτονίων σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτά τα υλικά είναι οι ημιαγωγοί και το χαρακτηριστικό στοιχείο που το διαφοροποιεί από τα υπόλοιπα υλικά είναι ο αριθμός των ηλεκτρονίων ενός ατόμου που βρίσκεται στην εξωτερική του στοιβάδα (στοιβάδα σθένους). Ο περισσότερο γνωστός ημιαγωγός είναι το πυρίτιο (Si). Το πυρίτιο έχει ατομικό αριθμό 14 και έχει στην εξωτερική του στοιβάδα 4 ηλεκτρόνια. Όλα τα άτομα που έχουν λιγότερα ή περισσότερα ηλεκτρόνια στην εξωτερική στοιβάδα ψάχνουν άλλα άτομα με τα οποία μπορούν να ανταλλάξουν ηλεκτρόνια ή να μοιρασθούν κάποια με σκοπό τελικά να αποκτήσουν συμπληρωμένη εξωτερική στοιβάδα σθένους. Στην κρυσταλλική του μορφή όμως το πυρίτιο είναι σταθερό. Δεν έχει ανάγκη ούτε να προσθέσει ούτε να διώξει ηλεκτρόνια κάτι που ουσιαστικά του δίνει ηλεκτρικά χαρακτηριστικά πολύ κοντά σε αυτά ενός μονωτή αφού δεν υπάρχουν ελεύθερα ηλεκτρόνια για την δημιουργία ηλεκτρικού ρεύματος στο εσωτερικό του. Τις ημιαγωγικές ιδιότητες του το πυρίτιο τις αποκτά με τεχνικό τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι κατά την παραγωγή των ηλιακών κυψελών το πυρίτιο που χρησιμοποιείται περιέχει μέσα του άτομα πρόσμιξης. σύνθεση πυριτίου με άτομα πρόσμιξης 52

53 04 Τα άτομα αυτά εισάγονται στο πυρίτιο, έτσι ώστε να δημιουργηθεί μια θετική περιοχή (π-τύπου) και μια αντίστοιχη αρνητική (ν-τύπου). Έτσι εμφανίζεται μια επαφή π-ν. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι πρόσμιξης του πυριτίου. Μια συνήθης είναι η διάχυση υπό υψηλή θερμοκρασία, κατά την οποία τα δισκία τοποθετούνται σε ένα φούρνο και το υλικό πρόσμιξης εισάγεται σαν ατμός. Στην κατασκευή μερικών διατάξεων λεπτής μεμβράνης η εισαγωγή των προσμίξεων μπορεί να γίνει και κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης των μεμβρανών ή των στρώσεων. επαφή τύπου π-ν Η ηλιακή ακτινοβολία έρχεται με την μορφή πακέτων ενέργειας ή φωτονίων. Τα φωτόνια όταν προσπίπτουν σε μια διάταξη Φ/Β κυψέλης περνούν αδιατάραχτα την επαφή τύπου-ν και χτυπούν τα άτομα της περιοχής τύπου-π. Τα ηλεκτρόνια της περιοχής τύπου-π αρχίζουν και κινούνται μεταξύ των οπών ώσπου τελικά φτάνουν στην περιοχή της διόδου, όπου και έλκονται πλέον από το θετικό πεδίο της εκεί περιοχής. Αφού ξεπεράσουν το ενεργειακό χάσμα αυτής της περιοχής μετά είναι αδύνατον να επιστρέψουν. Στο κομμάτι της επαφής ν-τύπου, υπάρχει πλέον μια περίσσεια ηλεκτρονίων που μπορεί να αξιοποιηθεί. Αυτή η περίσσεια των ηλεκτρονίων μπορεί να παράγει ηλεκτρικό ρεύμα εάν τοποθετηθεί σε κατάλληλη διάταξη. Αυτή περιλαμβάνει ένα μεταλλικό αγωγό στο πάνω μέρος της επαφής-ν και στο κάτω της επαφής-π και ένα φορτίο ενδιάμεσα, με τέτοιο τρόπο ώστε να δημιουργηθεί ένας αγώγιμος δρόμος για το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται. κατάλληλη διάταξη σε Φ/Β κυψέλη για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας 53

54 04 Αυτή είναι απλοποιημένα η γενική αρχή λειτουργίας του φωτοβολταϊκού φαινόμενου. Η ποσότητα της διαθέσιμης ισχύος από μια Φ/Β κυψέλη καθορίζεται από: Τον τύπο και την επιφάνεια του υλικού Την ένταση του ηλιακού φωτός Το μήκος κύματος του ηλιακού φωτός Αναλυτικότερα η μέτρηση της απόδοσης μιας Φ/Β κυψέλης γίνεται σε μονάδες Wp(Watt peak). Η μονάδα αυτή ονομάζεται ονομαστική ισχύ ή ισχύς αιχμής και είναι το αποτέλεσμα της ονομαστικής τάσης φόρτισης (τάση μέγιστης ισχύος σε Volt) και του ονομαστικού ρεύματος (ένταση ρεύματος μέγιστης ισχύος σε Ampere). Τα στοιχεία αυτά συνδέονται μεταξύ τους με την σχέση ισότητας. Ισχύς = Ένταση x Τάση = Ampere x Volt = Watt Πρόκειται δηλαδή για την μέγιστη θεωρητικά ισχύ που μπορεί να επιτύχει η Φ/Β κυψέλη και εξαρτάται από μια σειρά παραγόντων, όπως για παράδειγμα την ηλιακή ακτινοβολία ή τη θερμοκρασία λειτουργίας. (Αναλυτικότερα επιτυγχάνεται μόνο σε συνθήκες θερμοκρασίας κυψέλης στους 25 C, έντασης ηλιακής ακτινοβολίας στα Watt/m² και συγκεκριμένης φασματικής κατανομής). Αυτές οι προϋποθέσεις συνυπάρχουν σπάνια κατά τη διάρκεια του έτους με αποτέλεσμα η πραγματική απόδοση της κυψέλης να είναι κατά μέσον όρο ετησίως 15% χαμηλότερη από την ονομαστική ισχύ. Γενικότερα, ο λόγος της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από μια ηλιακή κυψέλη προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία είναι γνωστός ως αποδοτικότητα της κυψέλης. Γίνεται παράλληλα κατανοητό ότι το ποσό της ωφέλιμης ενέργειας που παράγεται από ένα Φ/Β στοιχείο σχετίζεται άμεσα με την ένταση της φωτεινής ενέργειας που προσπίπτει επάνω τους. Έτσι όσο μεγαλύτερος ο διαθέσιμος ηλιακός πόρος τόσο μεγαλύτερο και το δυναμικό ηλεκτροπαραγωγής. Παρόλα αυτά η ηλιοφάνεια δεν αποτελεί απαραίτητη προϋπόθεση για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, λόγω του ότι τα συστήματα αυτά χρησιμοποιούν όχι μόνο την άμεση συνιστώσα του φωτός αλλά και τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία. Κατά συνέπεια μπορούν και παράγουν ηλεκτρική ενέργεια και με νεφοσκεπή ουρανό. Οι ηλιακές κυψέλες μονοκρυσταλλικού πυριτίου για παράδειγμα μπορούν προς το παρόν να μετατρέψουν ένα ποσοστό του 25% της ηλιακής σε ηλεκτρική ενέργεια, επειδή η ακτινοβολία στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος δεν διαθέτει αρκετή ενέργεια για να διαχωρίσει τα θετικά και τα αρνητικά φορτία στο υλικό. Οι ηλιακές κυψέλες πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχουν αποδοτικότητα γύρω στο 20% και οι κυψέλες άμορφου πυριτίου περίπου 10%, λόγω των μεγαλύτερων εσωτερικών απωλειών ενέργειας. (iii)φ/β Πλαίσια Οι ηλιακές κυψέλες συνδέονται ηλεκτρικά μεταξύ τους, τόσο σε σειρά όσο και παράλληλα, για να συστήσουν μια συνδεσμολογία. Η διασύνδεση αυτή γίνεται με συγκόλληση των ακροδεκτών τους από την κορυφή της μιας στη βάση της επόμενης και δημιουργεί ένα Φ/Β πλαίσιο Το Φ/Β πλαίσιο αποτελεί αναλυτικότερα, μια ομάδα κυψελών που έχουν συνδεθεί μεταξύ τους ηλεκτρικά και τοποθετηθεί μέσα σε ένα κέλυφος ως αυτόνομη μονάδα. Ο αριθμός των κυψελών ενός πλαισίου καθορίζεται κυρίως από τις ανάγκες τάσης του συστήματος και τα περισσότερα πλαίσια κατασκευάζονται και διαστασιολογούνται σύμφωνα με τις τάσεις των χρησιμοποιούμενων μπαταριών. Κατά τη σύνδεση των Φ/Β κυψελών σε σειρά (τα + με τα - εναλλάξ) αθροίζονται τα βολτ και συνδέοντάς τα παράλληλα (τα + μεταξύ τους και τα - μεταξύ τους) αθροίζονται τα αμπέρ, ώστε να επιτευχθεί ο επιθυμητός συνδυασμός. Σημειώνεται ότι η λέξη πλαίσιο μπορεί να χρησιμοποιείται είτε σε ένα μόνο πλαίσιο, είτε σε ένα σύνολο πλαισίων. 54

55 04 συνδεσμολογία Φ/Β κυψελών για την δημιουργία πλαισίου Οι ηλιακές κυψέλες όπως προαναφέρθηκε, τοποθετούνται για να σχηματίσουν το πλαίσιο μέσα σε κάποιο κέλυφος. Η διαδικασία αυτή ονομάζεται ενθυλάκωση και πραγματοποιείται τόσο για προστασία όσο και για την ηλεκτρική μόνωση των κυψελών. Όσον αφορά τη επιλογή των υλικών για τη διαδικασία της ενθυλάκωσης, λαμβάνονται υπόψη διάφοροι παράγοντες με τη σημασία τους να εξαρτάται πάντα από την εφαρμογή. Τα πιο σημαντικά από τα χαρακτηριστικά που λαμβάνονται υπόψη για την ενθυλάκωση είναι τα εξής : a) Ηλεκτρική ειδική αντίσταση Το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί, πρέπει να είναι ηλεκτρικός μονωτής λόγω του ότι είναι σημαντικό να απομονώνεται η τάση του Φ/Β συστήματος και να προστατεύεται από οποιεσδήποτε εξωτερικές τάσεις. b) Μετάδοση του φωτός Το υλικό της ενθυλάκωσης, δεν πρέπει να εμποδίζει το φως να προσεγγίσει τις κυψέλες. Χρησιμοποιείται για τον σκοπό αυτό αντί-ανακλαστική επικάλυψη στην πάνω πλευρά, για την κατά το δυνατόν μικρότερη αντανάκλαση των σωματιδίων της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας. c) Μετάδοση της θερμότητας Οι ηλιακές κυψέλες είναι πιο αποδοτικές σε χαμηλές θερμοκρασίες. Έτσι θα πρέπει να χρησιμοποιείται υλικό με υψηλή θερμική αγωγιμότητα για να είναι δυνατή η απομάκρυνση της θερμότητας από τις κυψέλες. d) Θερμική διαστολή Η ενθυλάκωση θα πρέπει να μην συστέλλεται ή να διαστέλλεται σημαντικά σε καταστάσεις υψηλής η χαμηλής θερμοκρασίας αντίστοιχα. e) Βάρος Σε μερικές εφαρμογές το βάρος του συστήματος αποτελεί σημαντικό παράγοντα επιλογής του υλικού ενθυλάκωσης. f) Ανθεκτικότητα Πολλά πλαίσια τοποθετούνται σε εξωτερικό χώρο καθ όλη τη διάρκεια του έτους και υπόκεινται σε ανέμους ή βροχές. Το υλικό ενθυλάκωσης θα πρέπει να μπορεί να αντεπεξέλθει σε τέτοιες συνθήκες, χωρίς σημαντικό βαθμό φθοράς για μεγάλα χρονικά διαστήματα. 55

56 04 τρεις συνήθεις διατάξεις τοποθέτησης ηλιακών κυψελών σε πλαίσια (iv) Φ/Β Συστοιχία Όπως προαναφέρθηκε την βασική μονάδα των Φ/Β συστημάτων αποτελούν οι κυψέλες, οι οποίες συνδέονται μεταξύ τους και δημιουργούν τα πλαίσια. Τα τελευταία με τη σειρά τους μπορούν επίσης να συνδέονται, δημιουργώντας μια ακόμη εκτενέστερη διάταξη η οποία ονομάζεται συστοιχία. Ο όρος συστοιχία χρησιμοποιείται παρόλα αυτά συνήθως για να υποδηλώσει σε όλα τα κομμάτια ενός Φ/Β συλλέκτη όπως τα πλαίσια και όλα τα επιπρόσθετα τμήματα όπως είναι η καλωδίωση, οι δίοδοι και η βάση της συστοιχίας. Ανάλογα με την εφαρμογή μια συστοιχία μπορεί να αποτελείται από μια κυψέλη, ένα πλαίσιο ή πολλά πλαίσια. διαδοχικά στάδια σύνδεσης ηλιακών κυψελών Οι ηλιακές συστοιχίες διαθέτουν όπως αναφέρθηκε παραπάνω διόδους. Αυτές διακρίνονται σε διόδους φραγής και παράκαμψης και είναι μικρές συσκευές που περιορίζουν την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος. Οι δίοδοι παράκαμψης χρησιμοποιούνται για την προστασία των συνδεσμολογιών. Εάν κάποιο τμήμα της συστοιχίας(πλαίσιο) σκιαστεί ή έχει υποστεί βλάβη, η δίοδος παράκαμψης διαχέει το ρεύμα μέσω αυτής και γύρω από το φθαρμένο πλαίσιο. Χωρίς τη δίοδο το πλαίσιο που σκιάζεται ή έχει υποστεί βλάβη, διαχέει το ρεύμα υπό μορφή θερμότητας και τελικά καταστρέφεται. Οι δίοδοι φραγής εγκαθίστανται για να αποτρέψουν την αντιστροφή της ροής του ρεύματος προς τα πλαίσια. Μια δίοδος φραγής συνδέεται συνήθως σε σειρά μεταξύ της συστοιχίας και των μπαταριών. 56

57 04 Οι περισσότερες εφαρμογές των Φ/Β συστημάτων χρειάζονται κάποια βάση για την υποστήριξη και τοποθέτηση τους. Οι βάσεις αυτές μπορεί να είναι από απλές κατασκευές για την συγκράτηση ενός πλαισίου σε μια στέγη (πιθανώς σε μόνιμη κλίση υπό κάποια γωνία) μέχρι και σύνθετες διατάξεις παρακολούθησης της τροχιάς του ήλιου σε δυο άξονες. Φ/Β συστοιχία (v) Παρακολούθηση της τροχιάς του ήλιου Ένα πλαίσιο το οποίο φέρεται κάθετα στις ακτίνες του ήλιου λαμβάνει περισσότερη ενέργεια από ένα άλλο που δεν είναι προσανατολισμένο προς τον ήλιο. Η πορεία του ήλιου αλλάζει τόσο με την ώρα της μέρας όσο και με την μέρα του έτους. Αυτό σημαίνει ότι για να παράγει ένα πλαίσιο τη μέγιστη ποσότητα ενέργειας, πρέπει να είναι σε θέση να περιστραφεί για να ακολουθήσει την τροχιά του ήλιου. Υπάρχουν κινούμενα Φ/Β συστήματα τροχιάς μονού και διπλού άξονα. Στα συστήματα μονού άξονα τα πλαίσια κινούνται κατά μήκος ενός άξονα για να παρακολουθούν την τροχιά του ήλιου. Σχεδόν πάντα ακολουθείται η μεταβαλλόμενη ανύψωση του ήλιου στον ουρανό αντί της κίνησης του ήλιου από την ανατολή προς τη δύση. τροχιά ηλίου σε σχέση με τη γη κατα τη διάρκεια του χρόνου 57

58 04 Στα συστήματα διπλού άξονα τα πλαίσια κινούνται κατά μήκος δυο αξόνων παρακολουθώντας έτσι και τις δυο τροχιές που προαναφέρθηκαν. Τα συστήματα αυτά μπορούν σχεδόν να διπλασιάσουν την παραγωγή μιας συστοιχίας, ενίοτε όμως απαιτείται προσεκτική ανάλυση για να προσδιοριστεί εάν το αυξημένο κόστος και η μηχανική πολυπλοκότητα της χρήσης ενός τέτοιου συστήματος είναι συμφέρουσα. Τα σταθερά πλαίσια σε αντίθεση, τοποθετούνται ώστε να αντικρίζουν τον ισημερινό υπό ορισμένη γωνία και δεν κινούνται. Αν και τα πλαίσια αυτά δεν μπορούν να παράγουν τόση ισχύ όση τα πλαίσια με παρακολούθηση της τροχιάς, έχουν το πλεονέκτημα ότι είναι πιο οικονομικά και συντηρούνται ευκολότερα. Η πλειοψηφία των Φ/Β πλαισίων που χρησιμοποιούνται είναι σταθερά. Σε μερικές περιπτώσεις τα σταθερά πλαίσια μπορούν να ρυθμίζονται και χειροκίνητα. Αυτό μπορεί να γίνει ορισμένες φορές το χρόνο ώστε να ληφθούν υπόψη οι εποχιακές αλλαγές της πορείας του ήλιου ή ενίοτε μερικές φορές τη μέρα. Γενικότερα ένα φωτοβολταϊκό σύστημα θα παράγει κάθε μέρα την ονομαστική ισχύ του επί τον αριθμό των ωρών που διατηρείται η ηλιοφάνεια. Οι ώρες αυτές κατά μέσο όρο υπολογίζονται σε : 5 ώρες ηλιοφάνειας την άνοιξη και το φθινόπωρο 6 ώρες ηλιοφάνειας το καλοκαίρι 3,5 ώρες ηλιοφάνειας το χειμώνα σταθερό Φ/Β πλαίσιο(επάνω) και Φ/Β πλαίσια δυο αξόνων (κάτω) 58

59 04 (vi) Φ/Β συστήματα στον οικιστικό τομέα Στον οικιστικό τομέα, εφαρμόζονται Φ/Β συστήματα διαφόρων μεγεθών και αποδόσεων ανάλογα με τις ανάγκες που καλούνται να καλύψουν. Η γενική δομή τους παραμένει σταθερή όπως ήδη περιγράφηκε και είναι πολυσυναρτησιακή. Βασικότερη συνιστώσα είναι η Φ/Β γεννήτρια, δηλαδή ένα πλαίσιο ή μια συστοιχία αρκετών πλαισίων με κάποιο σύστημα υποστήριξης (βάση), η οποία είναι υπεύθυνη για τη συλλογή της ηλιακής ενέργειας και τη μετατροπή της σε ηλεκτρική. Η ισχύς των Φ/Β συστημάτων που χρησιμοποιούνται ευρέως στο επίπεδο του σπιτιού κυμαίνεται από Wp. Γενικά υιοθετώντας ως σταθερές κάποιες μέσες τιμές ηλιοφάνειας μέσα στον χρόνο, μπορεί να υπολογιστεί η μέση ημερήσια απόδοση ενός Φ/Β συστήματος σε παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος : Η απόδοση ενός Φ/Β στοιχείου εξαρτάται όπως ήδη αναφέρθηκε αρχικά από την ονομαστική του ισχύ, η οποία προκύπτει από τη διαδικασία παραγωγής. Έχει υπολογιστεί ότι (δεδομένων των σταθερών τιμών που αναφέρθηκαν) ότι μια Φ/Β κυψέλη ονομαστικής ισχύος 100Wp παράγει κατά μέσο όρο: Ημερήσια θερινή απόδοση: wh Ημερήσια χειμερινή απόδοση : 350wh Το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται από την κυψέλη, στη συνέχεια θα μετατραπεί από συνεχές σε εναλλασσόμενο μέσω του αντιστροφέα ισχύος. Η ισχύς του αντιστροφέα πρέπει να είναι περίπου το 80-90% της συνολικής εγκατεστημένης ισχύος των φωτοβολταϊκών ώστε να λειτουργεί με τη μέγιστη κατά το δυνατόν απόδοση. Εάν το σπίτι στο οποίο εφαρμόζονται τα Φ/Β συστήματα είναι ήδη συνδεδεμένο στο γενικό δίκτυο ηλεκτρισμού, τότε η περισσευούμενη ενέργεια θα μπορεί όπως προαναφέρθηκε να πωληθεί εκεί, ενώ σε περίπτωση αυτονομίας, θα γίνει αποθήκευση της σε συστοιχία συσσωρευτών (μπαταρίες). Αυτές μπορούν χρησιμοποιούνται κυρίως κατά τη διάρκεια της νύχτας ή όταν δεν υπάρχει αρκετή ηλιοφάνεια. Επιπρόσθετα και απαραίτητο στοιχεία του Φ/Β συστήματος είναι ο ρυθμιστής φόρτισης, υπεύθυνος για την προστασία των συσσωρευτών, το απαραίτητο δίκτυο καλωδίων για τη σύνδεση με την κατοικία και φυσικά το τελικό φορτίο όπου θα πραγματοποιηθεί η κατανάλωση του ρεύματος (φωτιστικά, ψυγείο, τηλεόραση). τμήματα ενός Φ/Β συστήματος 59

60 04 Ο εξοπλισμός ηλεκτροπαραγωγής δεν διαθέτει κινούμενα μέρη γεγονός το οποίο γενικά περιορίζει τις απαιτήσεις για συντήρηση στο ελάχιστο και οδηγεί σε μακρούς χρόνους λειτουργίας. Τα ίδια τα πλαίσια λειτουργούν για 20 περίπου έτη και οι απαιτήσεις τους περιορίζονται στον περιστασιακό καθαρισμό τους ώστε να αφαιρούνται οι επικαθίσεις ρύπων και η πλειοψηφία όμως των άλλων συνιστωσών χρήζει συντήρησης κάθε 10 ή περισσότερα έτη. Είναι σημαντικό βέβαια όλες οι συνιστώσες του συστήματος να είναι αποδεκτής ποιότητας. Γενικά στην αποτυχία ενός τέτοιου συστήματος είναι πιο πιθανόν να οδηγήσει ο ελλιπής σχεδιασμός ή η ανεπιτυχής επιλογή των παραπάνω συνιστωσών παρά η αστοχία ενός Φ/Β πλαισίου. Όσον αφορά τον τρόπο εγκατάστασης των Φ/Β στα πλαίσια μια οικίας διακρίνονται τρεις επιμέρους κατηγορίες, η στήριξη στο έδαφος, η στήριξη σε οροφή κτηρίου και η ενσωμάτωση στο κέλυφος του κτηρίου. a) Στήριξη στο έδαφος Τα Φ/Β συστήματα αυτού του τύπου τοποθετούνται επάνω σε βάση στήριξης. Η βάση αυτή όπως προαναφέρθηκε μπορεί να είναι σταθερή ή να κινείται σε ένα ή δυο άξονες, ακολουθώντας την τροχιά του ηλίου και αυξάνοντας με τον τρόπο αυτό την αποδοτικότητα των Φ/Β. Φ/Β στοιχεία στηριγμένα σε έδαφος b) Στήριξη σε οροφή κτηρίου Η στήριξη στην κατηγορία αυτή δεν προϋποθέτει οπωσδήποτε την ύπαρξη βάσης όπως στο έδαφος. Μπορεί δηλαδή να γίνεται και απευθείας επάνω στο υλικό της οροφής. Η στήριξη μπορεί να γίνεται τόσο επάνω σε επίπεδες όσο και σε επικλινείς σκεπές. 60

61 04 Φ/Β στοιχεία τοποθετημένα σε διάφορων τύπων οροφές c) Ενσωμάτωση στο κέλυφος του κτηρίου Στην περίπτωση αυτή τα Φ/Β συστήματα αντικαθιστούν κάποια δομικά υλικά του κτηρίου μειώνοντας παράλληλα το κόστος εγκατάστασης τους. Μπορούν να χρησιμοποιούνται σε διάφορες μορφές όπως φαίνεται και στις εικόνες που ακολουθούν. Φ/Β στοιχεία ενσωματωμένα σε κτήρια 61

62 Θερμικά ηλιακά συστήματα Θερμικό ηλιακό ονομάζεται το σύστημα το οποίο συλλέγει την ηλιακή ακτινοβολία και τελικά την αξιοποιεί ως θερμότητα για διάφορους τελικούς σκοπούς. Η βασική αρχή, κοινή για όλα τα ηλιακά θερμικά συστήματα, είναι απλή. Η ηλιακή ακτινοβολία συλλέγεται αρχικά και μετατρέπεται σε θερμότητα. Η θερμότητα αυτή μεταφέρεται σε ένα θερμοχωρητικό υλικό, το οποίο είναι συνήθως ένα ρευστό, ή μερικές φορές και αέρας. Το θερμό ρευστό τελικά χρησιμοποιείται είτε άμεσα, είτε έμμεσα. Κατά την άμεση χρήση ο σκοπός είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης ενώ κατά την έμμεση η παραγωγή θερμότητας για την θέρμανση κάποιου χώρου. (i) Ανάλυση συστήματος Για την επιτέλεση του κύκλου λειτουργίας που περιγράφηκε συνοπτικά παραπάνω συνεργάζονται διαφορετικά επιμέρους τμήματα. Τα θερμικά ηλιακά συστήματα αποτελούν δηλαδή μια πολυσυναρτησιακή διάταξη που μπορεί να εμπεριέχει τα παρακάτω στοιχεία : a) Θερμικοί συλλέκτες. Οι συλλέκτες οι οποίοι είναι υπεύθυνοι για την απορρόφηση της ενέργειας του ήλιου με τη μορφή θερμότητας. Το βασικό στοιχείο ενός τέτοιου ηλιακού συλλέκτη είναι η επιφάνεια απορρόφησης. Όταν η ηλιακή ακτινοβολία πέσει επάνω στην επιφάνεια, αυτή την απορροφά και θερμαίνεται σε θερμοκρασία υψηλότερη από την θερμοκρασία περιβάλλοντος. Οι επιφάνειες απορρόφησης των θερμικών ηλιακών συστημάτων είναι συνήθως μαύρες, καθώς οι σκούρες επιφάνειες παρουσιάζουν πολύ υψηλό βαθμό απορρόφησης της ηλιακής ακτινοβολίας. Ένα μεγάλο όμως μέρος από την συσσωρευμένη ηλιακή ενέργεια, θα χαθεί τελικά σε μορφή εκπεμπόμενης θερμικής ακτινοβολίας μεγάλου κύματος. Ο λόγος της απορροφούμενης ενέργειας ως προς την εκπεμπόμενη(χαμένη θερμότητα) εξαρτάται από τον βαθμό εκπομπής του υλικού. Προκειμένου να μειωθούν αυτές οι απώλειες ενέργειας μέσω την θερμικής εκπομπής, οι πιο αποδοτικές απορροφητικές επιφάνειες φέρουν μια επιλεκτική επικάλυψη. Η επικάλυψη επιτρέπει την μετατροπή ενός μεγάλου ποσοστού της ηλιακής ακτινοβολίας σε θερμότητα, μειώνοντας ταυτόχρονα την εκπομπή, παρέχοντας απορρόφηση της τάξης του 90%. b) Δεξαμενή αποθήκευσης. Εδώ αποθηκεύεται το νερό που θερμαίνεται από την ηλιακή ακτινοβολία για να διανεμηθεί και να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια. Βασική λειτουργία της δεξαμενής αποθήκευσης ζεστού νερού είναι να εξασφαλίζει απόθεμα ενέργειας για τις μέρες με περιορισμένη ηλιακή ακτινοβολία. Η χωρητικότητά της θα πρέπει να είναι μεγαλύτερη από την ημερήσια κατανάλωση ζεστού νερού, για να αποφευχθεί η έλλειψη του, σε ημέρες χωρίς ηλιοφάνεια. Οι δεξαμενές αποθήκευσης θα πρέπει να έχουν ένα λεπτό, κυλινδρικό σχήμα προκειμένου να επιτύχουν καλή διαστρωμάτωση της θερμοκρασίας μέσα στην δεξαμενή. Η διαστρωμάτωση αυτή επιτρέπει την βέλτιστη χρήση του θερμού νερού στην ανώτερη περιοχή της δεξαμενής και έτσι δεν είναι υποχρεωτικό να έχει την απαιτούμενη θερμοκρασία όλο το περιεχόμενο της δεξαμενής. Η ανεπιθύμητη ανάμιξη του περιεχομένου της δεξαμενής με εισερχόμενο κρύο νερό μπορεί να αποφευχθεί μέσω ενός ειδικού αυλού ή με ένα διαχωριστικό δίσκο. Μέσα στην δεξαμενή αποθήκευσης τοποθετείται και ένας εναλλάκτης θερμότητας για τον έλεγχο της θέρμανσης του νερού. Ο εναλλάκτης θερμότητας του συμβατικού τέτοιου θερμικού συστήματος τοποθετείται στο ανώτερο σημείο της δεξαμενής για να την προστατέψει από τη θέρμανση ποσότητας νερού μεγαλύτερης από την απαιτούμενη. Όσον αφορά το υλικό, για τις δεξαμενές χρησιμοποιείται κυρίως ο χάλυβας με κάποια ειδική επισμάλτωση, ενώ για την προστασία από τη διάβρωση απαιτείται και η προσθήκη μαγνησίου. Κατασκευάζονται και δεξαμενές αποθήκευσης απευθείας από ανοξείδωτο χάλυβα, οι οποίες έχουν μεγαλύτερο χρόνο ζωής αλλά και μεγαλύτερο κόστος. 62

63 04 c) Σύστημα ρύθμισης. Το ρυθμιστικό τμήμα που ελέγχει και φροντίζει για την απρόσκοπτη λειτουργία όλου του συστήματος. Το σύστημα διαθέτει συνήθως δύο αισθητήρες θερμοκρασίας, έναν στο συλλέκτη της ηλιακής ενέργειας και έναν στην δεξαμενή. Αν η θερμοκρασία στον συλλέκτη είναι υψηλότερη από την θερμοκρασία της δεξαμενής, ένας κυκλοφορητής ξεκινά να λειτουργεί μέχρι να επιτευχθεί μια συγκεκριμένη θερμοκρασία στην δεξαμενή ή μέχρι η θερμοκρασία στον συλλέκτη να εξισωθεί με την θερμοκρασία της δεξαμενής. Μέσω αυτού του συνεχούς ελέγχου αποφεύγονται αστοχίες και προβλήματα στην λειτουργία του συστήματος. d) Απαραίτητες σωληνώσεις. Ολόκληρο το απαραίτητο δίκτυο σωληνώσεων για την μεταφορά του θερμού νερού από την πηγή θέρμανσης του, στην δεξαμενή αποθήκευσης και στα τελικά σημεία χρήσης. ανάλυση θερμικού ηλιακού συστήματος 63

64 04 (ii) Κατηγορίες ηλιακών συλλεκτών Όσον αφορά αναλυτικότερα, τους ηλιακούς συλλέκτες που χρησιμοποιούνται στις περισσότερες εφαρμογές διακρίνονται σε δυο βασικές κατηγορίες, τους επίπεδους συλλέκτες και τους συλλέκτες με σωλήνα κενού. a) Επίπεδος συλλέκτης ή συλλέκτης επίπεδων πλακών Ο επίπεδος συλλέκτης αποτελείται από την επιφάνεια απορρόφησης, μια διαφανή κάλυψη, ένα πλαίσιο και ένα μονωτικό υλικό. Ως κάλυψη χρησιμοποιείται ένας υαλοπίνακας ασφαλείας (με μικρή περιεκτικότητα σιδήρου), καθώς μεταδίδει μεγάλο ποσοστό του φωτεινού φάσματος. Έτσι μόνο ένα πολύ μικρό μέρος από την εκπεμπόμενη θερμότητα διαφεύγει από αυτή. Επιπρόσθετα, η διαφανής κάλυψη εμποδίζει τον αέρα να απομακρύνει τη θερμότητα και τη συσσώρευση ακαθαρσίας στην επιφάνεια απορρόφησης. Μαζί με το πλαίσιο, η κάλυψη προστατεύει την επιφάνεια από αντίξοες καιρικές συνθήκες. Η μόνωση στο πίσω μέρος της επιφάνειας απορρόφησης και στα πλαϊνά τοιχώματα ελαχιστοποιεί την απώλεια θερμότητας λόγω αγωγιμότητας. Η μόνωση που χρησιμοποιείται είναι συνήθως από αφρό πολυουραιθάνης, ορυκτοβάμβακα, πετροβάμβακα, ή fiberglass. Οι επίπεδοι συλλέκτες μπορούν να έχουν καλό βαθμό οικονομικής απόδοσης, καθώς επίσης και ένα ευρύ φάσμα επιλογών σχετικά με τον τρόπο τοποθέτησής τους (επάνω από την οροφή, μέσα στην οροφή). Πρόκειται για πολύ κοινούς συλλέκτες και η κύρια χρήση τους είναι η παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. b) Συλλέκτης με σωληνωτή απορροφητική επιφάνεια κενού Ο τύπος αυτός συλλέκτη, διαθέτει μια απορροφητική επιφάνεια, η οποία τοποθετείται σε έναν άδειο και υπό πίεση γυάλινο σωλήνα. Πολλοί τέτοιοι σωλήνες, σειριακά συνδεδεμένοι απαρτίζουν τον ηλιακό συλλέκτη και εμπεριέχουν το ρευστό που θα μεταφέρει τη θερμότητα. Ένας άλλος σωληνωτός συλλέκτης εμπεριέχει ένα ειδικό θερμαγωγικό ρευστό, που εξατμίζεται ακόμα και σε χαμηλές θερμοκρασίες. Ο ατμός που δημιουργείται ανέρχεται στους συνδεδεμένους σωλήνες και προθερμαίνει το ρευστό μεταφοράς θερμότητας σαν εναλλάκτης θερμότητας. Τότε, το συμπυκνωμένο τελικά ρευστό, επιστρέφει στην βάση του σωλήνα. Οι σωλήνες κενού έχουν το πλεονέκτημα ότι δουλεύουν αποδοτικά ακόμα και σε υψηλές θερμοκρασίες επιφάνειας απορρόφησης (> 120οC) και με χαμηλή ακτινοβολία. Υψηλότερες θερμοκρασίες είναι επίσης δυνατόν να επιτευχθούν για χρήσεις όπως θέρμανση ζεστού νερού, η παραγωγή ατμού και ο κλιματισμός. επίπεδος συλλέκτης και συλλέκτης με σωληνωτή επιφάνεια ανάλυση τμημάτων 64

65 04 (iii)κατηγορίες θερμικών ηλιακών συστημάτων Η γενικότερη διάταξη των ηλιακών συστημάτων που περιγράφηκε παραπάνω, μπορεί να ποικίλει ανάλογα με την εφαρμογή, την τεχνολογία που χρησιμοποιείται, το μέγεθος τους και τις συνθήκες της περιοχής. Μια πρώτη γενικότερη κατηγοριοποίηση γίνεται σύμφωνα με τον τόπο λειτουργίας. Με βάση αυτό το κριτήριο τα θερμικά ηλιακά συστήματα χωρίζονται σε άμεσα και έμμεσα. a) Άμεσα ή ανοιχτού κύκλου: Στα συστήματα αυτού του τύπου οι ηλιακοί συλλέκτες αναπτύσσουν θερμότητα και την αποδίδουν απευθείας στο νερό που θα χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια, ως ζεστό νερό χρήσης. Για την λειτουργία τους χρησιμοποιούν αντλίες, οι οποίες ονομάζονται κυκλοφορητές, για να κυκλοφορήσουν το νερό χρήσης στους συλλέκτες ώστε να θερμανθεί. b) Έμμεσα η κλειστού κύκλου: Η θερμότητα που αναπτύσσεται στους θερμικούς συλλέκτες μεταβιβάζεται σε κάποιο ψυκτικό υγρό σε πρώτο στάδιο. Στη συνέχεια το νερό χρήσης λαμβάνει την θερμότητα από εκεί. Το υγρό μεταφοράς της θερμότητας, είναι συνήθως ένα μίγμα γλυκόλης και νερού, και βρίσκεται μέσα στους συλλέκτες. Η θερμότητα μεταφέρεται στη συνέχεια μέσω εναλλακτών θερμότητας από το ρευστό στο νερό που αποθηκεύεται στις δεξαμενές. συστήματα ανοιχτού και κλειστού κύκλου Με βάση το κριτήριο της κυκλοφορίας του νερού, μπορούν να διακριθούν δυο βασικές κατηγορίες θερμικών ηλιακών συστημάτων, τα συστήματα φυσικής κυκλοφορίας και τα συστήματα εξαναγκασμένης κυκλοφορίας. c) Συστήματα φυσικής κυκλοφορίας. Βασικό χαρακτηριστικό των συστημάτων αυτού του είδους είναι ότι η κυκλοφορία του θερμαινόμενου ρευστού, πραγματοποιείται με φυσική ροή. Αυξάνοντας τη θερμοκρασία στο συλλέκτη ζεστές μάζες νερού γίνονται ελαφρύτερες ανεβαίνουν προς τα επάνω λόγο της διαφοράς πυκνότητας ζεστού και κρύου νερού και αντίστοιχα κρύες μάζες νερού οδηγούνται προς την είσοδο του συλλέκτη. Έτσι έχουμε ένα σύστημα φυσικής κυκλοφορίας με τη δεξαμενή αποθήκευσης τοποθετημένη, υψηλότερα από τη συλλεκτική επιφάνεια. Τέτοια συστήματα χρησιμοποιούνται συνήθως για οικιακή χρήση και είναι απλά σε κατασκευή. 65

66 04 d) Συστήματα βεβιασμένης ή εξαναγκασμένης κυκλοφορίας: Η δεξαμενή αποθήκευσης στα συστήματα αυτού του τύπου, βρίσκεται χαμηλότερα και είναι απαραίτητη η χρήση συσκευών κυκλοφόρησης του νερού. Τα συστήματα αυτά ονομάζονται κυκλοφορητές όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Αυτού του είδους τα θερμικά ηλιακά, χρησιμοποιούνται σε μεγάλες εγκαταστάσεις με σκοπό εκτός από την παραγωγή ζεστού νερού, για τη θέρμανση χώρων. (iv) Θερμικά ηλιακά συστήματα στον οικιστικό τομέα Τα θερμικά ηλιακά συστήματα μπορούν να καλύψουν ένα μεγάλο ποσοστό των αναγκών σε θέρμανση και ζεστό νερό χρήσης στον οικιστικό τομέα, μειώνοντας παράλληλα τις οικιακές δαπάνες σε ενέργεια. Ένα τυπικό σύστημα παραγωγής ζεστού νερού αποτελείται όπως προαναφέρθηκε από επίπεδους ηλιακούς συλλέκτες, δοχείο αποθήκευσης της θερμότητας και σωληνώσεις. Οι ηλιακοί συλλέκτες τοποθετούνται συνήθως στην οροφή του κτιρίου, με νότιο προσανατολισμό και κλίση ως προς τον ορίζοντα, ώστε να μεγιστοποιηθεί το ποσό της ακτινοβολίας που συλλέγεται ετησίως. Κατά την εφαρμογή των θερμικών ηλιακών συστημάτων στο χώρο του σπιτιού θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη δυο βασικές κατηγορίες παραγόντων. Η ύπαρξη κατάλληλου χώρου για την τοποθέτηση και την απρόσκοπτη λειτουργία των επιμέρους τμημάτων του συστήματος και η σωστή διαστασιολόγηση του. a) Στη πρώτη περίπτωση μελέτης, θα πρέπει να εξεταστεί κατά πόσο εξασφαλίζεται ωφέλιμος χώρος για: τους συλλέκτες: Το κτήριο πρέπει να έχει ωφέλιμο χώρο για την εγκατάσταση της απαιτούμενης επιφάνειας συλλεκτών. Αυτός πρέπει να βρίσκεται σε κάποια περιοχή η οποία δεν σκιάζεται κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ο χώρος αυτός μπορεί να βρίσκεται είτε στη οροφή του κτηρίου(με την προϋπόθεση ότι αυτός δεν σκιάζεται από ψηλότερα γειτονικά κτήρια) ή σε κάποιο άλλο ανοιχτό χώρο. τον ηλεκτρομηχανολογικό εξοπλισμό: Με τον όρο αυτό εννοούμε αντλίες, εναλλάκτες θερμότητας και δεξαμενές αποθήκευσης. Ο χώρος αυτός θα πρέπει να είναι προστατευμένος από τις καιρικές συνθήκες, θα μπορούσε να βρίσκεται είτε στο υπάρχον λεβητοστάσιο ή σε κάποιον άλλο κλειστό χώρο. τις υδραυλικές συνδέσεις: Οι συλλέκτες, οι δεξαμενές αποθήκευσης, η παροχή κρύου νερού και το δίκτυο ζεστού νερού πρέπει να συνδεθούν υδραυλικά. Οι σωληνώσεις μεταξύ αυτών των εξαρτημάτων πρέπει να είναι επισκέψιμες για τυχόν βλάβες. Τις ηλεκτρικές συνδέσεις: Ο γενικός πίνακας του κτηρίου πρέπει να αντέχει πρόσθετα φορτία τα οποία όμως είναι μικρά για την περίπτωση των ηλιακών συστημάτων 66

67 04 σχεδιάγραμμα εφαρμογής θερμικού ηλιακού συστήματος σε σπίτι b) Ο σχεδιασμός και η διαστασιολόγηση του θερμικού ηλιακού συστήματος περιλαμβάνει τον υπολογισμό της επιφάνειας των ηλιακών συλλεκτών και του μεγέθους των δεξαμενών αποθήκευσης, και είναι πάντα αποδοτικότερο να γίνεται από κάποιον κατάλληλα εκπαιδευμένο τεχνικό, με την χρήση προσαρμοσμένων λογισμικών και διαγραμμάτων. Γενικά όσον αφορά την διαστασιολόγηση και την απόδοση του συστήματος ισχύουν τα παρακάτω : Η αποδιδόμενη θερμότητα του ηλιακού συστήματος εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως η τοπική ακτινοβολία, ο προσανατολισμός και η κλίση του συλλέκτη, η σχέση μεταξύ του μεγέθους του συλλέκτη και της δεξαμενής νερού. Όσον αφορά τους συλλέκτες, μικρά ορίζονται τα συστήματα μεγέθους κάτω των 50 τ.μ και μεσαίας έως μεγάλης κλίμακας τα συστήματα μεγέθους τ.μ Η δεξαμενή αποθήκευσης θα πρέπει να έχει αρκετή θερμοχωρητικότητα προκειμένου να ικανοποιεί της ανάγκες της τελικής χρήσης κατά την διάρκεια περιόδων χαμηλής ή μηδαμινής ηλιακής ακτινοβολίας. Οι διαστάσεις της δεξαμενής αποθήκευσης εξαρτώνται από τρεις κύριους παράγοντες: περιοχή εγκατάστασης του ηλιακού συλλέκτη, θερμοκρασία χρήσης και απόσταση μεταξύ της περιοχής παραγωγής ενέργειας στον συλλέκτη, αποθήκευσης και κατανάλωσης. 67

68 04 Το βέλτιστο οικονομικό όφελος προκύπτει όταν η ηλιακή ενέργεια που παράγεται καλύπτει ένα ποσοστό της τάξης του 40-50% της ετήσιας ζήτησης για ζεστό νερό. Για μικρής κλίμακας συστήματα το ποσοστό αυτό θα πρέπει να είναι μεγαλύτερο από 50%, για μέσου μεγέθους συστήματα, μπορεί να είναι περίπου 45%. σχεδιάγραμμα ροής σε θερμικό ηλιακό σύστημα και τυπική μορφή θερμικού ηλιακού συστήματος 4.5 Αιολική Ενέργεια Οι άνεμοι, δηλαδή οι μεγάλες μάζες αέρα που μετακινούνται με ταχύτητα από μία περιοχή σε κάποια άλλη, οφείλονται στην ανομοιόμορφη θέρμανση της επιφάνειας της Γης από την ηλιακή ακτινοβολία. Η θερμότητα που απορροφάται από το έδαφος ή το νερό μεταφέρεται στον αέρα, όπου προκαλεί διαφορές στην θερμοκρασία την πυκνότητα και την πίεση του. Με τη σειρά τους οι διαφορές αυτές προκαλούν δυνάμεις που ωθούν τον αέρα ολόγυρα. Η κινητική ενέργεια των ανέμων είναι τόση που με βάση τη σημερινή τεχνολογία εκμετάλλευσής της, θα μπορούσε να καλύψει πάνω από δύο φορές τις ανάγκες της ανθρωπότητας σε ηλεκτρική ενέργεια. Τα σύγχρονα συστήματα εκμετάλλευσης της αιολικής ενέργειας στον οικιστικό τομέα, αφορούν κυρίως μηχανές που συλλέγουν και μετατρέπουν την ενέργεια του ανέμου σε ηλεκτρική ενέργεια και ονομάζονται ανεμογεννήτριες. 68

69 Ανεμογεννήτριες (Α/Γ) (i) Ιστορικό ανάπτυξης Μέχρι σήμερα έχουν επινοηθεί και λειτουργήσει από αρχαιότατων χρόνων περισσότεροι τύποι ανεμομηχανών από οποιαδήποτε άλλο τύπο εφεύρεσης. Από την εποχή της εμφάνισης του μέχρι και σήμερα, ο ανεμοκινητήρας, έχει περάσει από πολλά στάδια εξέλιξης, τόσο ως προς τον τύπο του όσο και ως προς τα υποσυστήματα του. H αιολική ενέργεια χρησιμοποιήθηκε αρχικά από τον άνθρωπο για την κίνηση των ιστιοφόρων πλοίων. Από το 200 π.χ και μετά, επινοήθηκε η χρήση των ανεμόμυλων για την άλεση των δημητριακών και την άρδευση και εφαρμόσθηκε στις χώρες της Ανατολής, στη Μικρά Ασία και στο Αιγαίο, κατά την Βυζαντινή εποχή. Στην Ευρώπη υποστηρίζεται ότι οι ανεμόμυλοι εμφανίσθηκαν περίπου το 1200 μ.x. Παραγωγή ηλεκτρισμού από τον άνεμο, παράγουν πρώτοι οι Δανοί στις αρχές του αιώνα. Γύρω στο 1900 υπήρχαν στην Δανία περίπου 2500 ανεμόμυλοι οι οποίοι μπορούσαν να παράγουν ηλεκτρικό φορτίο περίπου 30 MW. Ο πρώτος ανεμόμυλος για καθαρή παραγωγή ηλεκτρισμού, κατασκευάστηκε στο Cleveland του Ohio, από τον Charles F. Brush και το 1891 λειτούργησε στο Askov της Δανίας πειραματικός ανεμοκινήτηρας με δύο ηλεκτρικές γεννήτριες και διάμετρο πτερυγίων 22,8 μέτρων υπό την επίβλεψη του καθηγητή P.La. Cour. Αντίστοιχα τη δεκαετία του 1930 κατασκευάσθηκε στη Βαλτική, μηχανή αρκετά μεγάλης ισχύος(100kw), με τη σχεδιαστική επίβλεψη των Sabanin και Υuriev. Τέλος το 1940 κατασκευάζεται στο Vermont των Η.Π.Α, ένας πειραματικός δίπτερος ανεμοκινήτήρας (ανεμογεννήτρια) επίσης σημαντικής ισχύος. Στην Ελλάδα χρησιμοποιήθηκαν αρχικά ανεμόμυλοι κυρίως στην Ανατολική Κρήτη για άντληση ποτιστικού νερού από πηγάδια. ο ανεμοκινητήρας του Charles F. Brush και ο πειραματικός ανεμοκινητήρας P.La.Cour 69

70 04 Η ιστορία των σύγχρονων εμπορικών Α/Γ, ξεκινά στις αρχές της δεκαετίας του 80 ως συνέπεια της πετρελαϊκής κρίσης της προηγούμενης δεκαετίας. Έννοιες όπως η «ασφάλεια», η «πολυπλοκότητα της ενεργειακής παραγωγής» και η «αειφορία», δημιούργησαν έντονο ενδιαφέρον για τις ΑΠΕ, με έμφαση στις Α/Γ. Αναφέρονται στη συνέχεια διάφοροι τεχνολογικοί δείκτες που αναδεικνύουν την εξέλιξη και την ποιοτική αναβάθμιση τους στο πέρασμα του χρόνου. Διατίθενται σήμερα μεγάλα αιολικά πάρκα με Α/Γ και η χρήση τους κυμαίνεται σε ετήσια βάση σταθερά σε πολύ υψηλό ποσοστό της τάξης του 98%. Μερικές από τις παλιότερες Α/Γ ήταν αρχικά θορυβώδεις, τόσο εξαιτίας του μηχανολογικού σχεδιασμού όσο και εξαιτίας της αεροδυναμικής τους, και ο θόρυβος ήταν ένα υπαρκτό πρόβλημά τους. Σήμερα ο μηχανικός θόρυβος έχει πρακτικά απαλειφθεί ενώ ο αεροδυναμικός έχει δραστικά μειωθεί. Οι Α/Γ είναι πλέον εγκαταστάσεις υψηλού βαθμού απόδοσης με λιγότερο από 10% απώλειες στο σύστημα μετάδοσης της ισχύος τους. Ο βαθμός απόδοσης τους έχει αυξηθεί από 44% της δεκαετίας του 80 στο 50% περίπου. Επίσης το κόστος της αιολικής κιλοβατώρας έχει δραστικά μειωθεί τα τελευταία χρόνια. Αυτό οφείλεται τόσο στις τεχνολογικές βελτιώσεις όσο και σε οικονομίες κλίμακας που σχετίζονται με το μέγεθος της αγοράς. Σε θέσεις με καλό αιολικό δυναμικό η αιολική ενέργεια μπορεί ήδη να ανταγωνιστεί σε εμπορική βάση, νέους συμβατικούς σταθμούς παραγωγής από άνθρακα ή φυσικό αέριο. Από την άλλη πλευρά οι οπτικές και γενικότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις των Α/Γ, παρότι σαφώς μικρότερες από αυτές των συμβατικών σταθμών παραγωγής, απαιτούν ευαίσθητους χειρισμούς. (ii) Συνιστώσες του συστήματος Οι Α/Γ είναι πολυσυναρτησιακού τύπου συστήματα, αποτελούνται δηλαδή από διάφορες συνιστώσες των οποίων η συνδυαστική λειτουργία οδηγεί στο επιθυμητό αποτέλεσμα. Λειτουργούν σαν ένας κύκλος βημάτων που ξεκινά από την συλλογή της αρχικά αιολικής ενέργειας, η οποία είναι μηχανική αφού ουσιαστικά πρόκειται για την κινητική ενέργεια του ανέμου. Στη συνέχεια η μηχανική αυτή ενέργεια θα μετατραπεί στο εσωτερικό της Α/Γ σε ηλεκτρική. αξιοποίηση αιολικής ενέργειας, σχεδιάγραμμα βημάτων 70

71 04 Αναλυτικότερα οι βασικές συνιστώσες από τις οποίες αποτελείται ένα τέτοιο σύστημα παραγωγής ηλεκτρισμού είναι οι εξής: a) Ο δρομέας Ο δρομέας μιας Α/Γ είναι ουσιαστικά τα προσδεμένα σε μια πλήμνη πτερύγια. Τα πτερύγια είναι φτιαγμένα συνήθως από πολυεστέρα και προσδένονται στην πλήμνη είτε σταθερά είτε με δυνατότητα να περιστρέφονται γύρω από τον διαμήκη άξονα τους, μεταβάλλοντας έτσι το βήμα περιστροφής του συνόλου ή ενός μέρους των πτερυγίων. Πρόκειται για το τμήμα της Α/Γ όπου γίνεται η συλλογή της αιολικής ενέργειας. Το σύστημα του δρομέα μπορεί να τοποθετηθεί είτε «ανάντη» (από μπροστά) του πύργου και της ατράκτου δεχόμενο έτσι τον άνεμο αδιατάρακτο από τον πύργο είτε «κατάντη»(από πίσω). Στην δεύτερη περίπτωση επιτρέπεται ευκολότερα η αυτό-ευθυγράμμιση του δρομέα με την κατεύθυνση του ανέμου προκαλείται όμως παράλληλα παρέκκλιση του ανέμου από τον πύργο. εσωτερικό μιας Α/Γ Ο σχεδιασμός του δρομέα είναι ίσως το πιο βασικό ζήτημα στην απόδοση όλου του μηχανήματος. Στόχος είναι να βρεθεί ένας βέλτιστος συνδυασμός των διαφόρων παραμέτρων που συνθέτουν τον δρομέα. Τέτοια σημαντικά χαρακτηριστικά είναι ταχύτητα περιστροφής, η διάμετρος του δρομέα, η γωνιακή του ταχύτητα, ο αριθμός των πτερυγίων και η κατανομή πλάτους του πτερυγίου. Η διάμετρος του δρομέα θα εξαρτηθεί από την ισχύ της μηχανής και το αιολικό δυναμικό της περιοχής εγκατάστασης της Α/Γ. Η γωνιακή ταχύτητα του δρομέα επιλέγεται έτσι ώστε ο λόγος ταχύτητας του ακροπτερυγίου προς την ταχύτητα του ανέμου να βρίσκεται στην περιοχή της βέλτιστης τιμής και να οδηγεί σε μέγιστη ισχύ της Α/Γ. Η κατανομή του πλάτους των πτερυγίων θα προκύψει από τη βελτιστοποίηση της αεροδυναμικής σχεδίασης του δρομέα ενώ το πλήθος των πτερυγίων (ή όπως αλλιώς ονομάζεται η στερεότητα του δρομέα) θα εξαρτηθεί από το είδος της εφαρμογής του ανεμοκινητήρα. Ανάλογα με τη μορφή του δρομέα διακρίνουμε δύο βασικούς διαφορετικούς τύπους ανεμογεννητριών: Πολυπτέρυγος : Χαρακτηριστικό των δρομέων αυτών είναι η μικρή διάμετρος, η μικρή περιφερειακή ταχύτητα, και η μεγάλη ροπή. Στο παρελθόν κατασκευάστηκαν σε βιομηχανική κλίμακα πολυπτέρυγοι ανεμόμυλοι και βρήκαν πλατιά εφαρμογή στην άντληση νερού. 71

72 04 Η κατασκευή τέτοιων μηχανών καθώς και η έρευνα προς την κατεύθυνση αυτή τείνουν να εγκαταλειφθούν κυρίως για τον μικρό συντελεστή ισχύος και τον κατασκευαστικό περιορισμό της διαμέτρου που έχουν. Ολυγοπτέρυγος: Οι δρομείς αυτοί έχουν δυο ή τρία πτερύγια φτάνοντας στις ποιο πρόσφατες κατασκευές τους δρομείς με ένα πτερύγιο ή μονόπτερους, έχουν τη μορφή των πτερυγίων των ελίκων των αεροσκαφών και διαθέτουν αρκετή συστροφή και λέπτυνση από τη βάση προς το ακροπτερύγιο. λεπτομέρεια πτερυγίου Α/Γ b) Η άτρακτος Η άτρακτος είναι αυτή που στεγάζει το σύστημα μετάδοσης της κίνησης και την ηλεκτρογεννήτρια της Α/Γ, μαζί με τον μηχανισμό εκτροπής και όλο τον εξοπλισμό ελέγχου. Οι μηχανισμοί που εμπεριέχονται στην άτρακτο είναι αναλυτικά είναι οι παρακάτω: Κύριος άξονας: Ο κύριος άξονας μεταφέρει την αρχική ροπή από το σύστημα του δρομέα στο σύστημα μετάδοσης της κίνησης. Για την λειτουργία αυτή στηρίζεται συνήθως σε έδρανα. Λόγω των υψηλών φορτίων ροπής, ο κύριος άξονας είναι ευπαθής σε αστοχία κόπωσης γι αυτό και είναι απαραίτητη η εκτέλεση αρκετών δοκιμών. Το σύστημα προσανατολισμού, αναγκάζει συνεχώς τον άξονα περιστροφής του δρομέα να βρίσκεται παράλληλα με τη διεύθυνση του ανέμου. Δισκόφρενο: Το δισκόφρενο χρησιμοποιείται για την επιβράδυνση του δρομέα όποτε αυτό είναι απαραίτητο. Πρόκειται ουσιαστικά για ένα σύστημα πέδης το οποίο εγκαθίσταται στον κύριο άξονα της Α/Γ. μορφή σύγχρονης ατράκτου 72

73 04 Μετάδοση της κίνησης: Το σύστημα μετάδοσης της κίνησης αποτελείται από τα εξής επιμέρους τμήματα. Τον κύριο άξονα, τα έδρανα του και το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών. Διαμέσου του κυρίου άξονα μεταδίδεται η κίνηση, τα έδρανα εκτελούν χρέη στήριξης, ενώ το κιβώτιο πολλαπλασιασμού στροφών προσαρμόζει την ταχύτητα περιστροφής του δρομέα στην ταχύτητα της ηλεκτρογεννήτριας. Η ταχύτητα περιστροφής παραμένει σταθερή κατά την κανονική λειτουργία της μηχανής. Ηλεκτρογεννήτρια: Η ηλεκτρογεννήτρια είναι η αυτή που μετατρέπει την μηχανική ενέργεια του άξονα εισόδου σε ηλεκτρική ενέργεια. Οι γεννήτριες των Α/Γ είναι σχετικά ασυνήθιστες σε σχέση με άλλες μονάδες ηλεκτρογεννητριών που συνδέονται με το ηλεκτρικό δίκτυο. Ο λόγος είναι κυρίως ότι πρέπει να είναι συμβατές τόσο με τις διατάξεις του δρομέα και του πολλαπλασιαστή στροφών στην είσοδο και στην έξοδο, όσο και με αυτές της εταιρίας ηλεκτρισμού (αν συνδέονται στο δίκτυο) ή με τις τοπικές απαιτήσεις ισχύος (αν είναι αυτόνομες). Η γεννήτριες που χρησιμοποιούνται μπορούν να είναι σύγχρονες ή επαγωγικές. Συνδέονται με την έξοδο του πολλαπλασιαστή μέσω ενός ελαστικού ή υδραυλικού συνδέσμου και βρίσκονται συνήθως πάνω στον πύργο της ανεμογεννήτριας. Σύστημα εκτροπής: Προκειμένου να εξαχθεί όσο το δυνατόν περισσότερη από την κινητική ενέργεια του ανέμου, ο άξονας του δρομέα πρέπει να είναι ευθυγραμμισμένος με την κατεύθυνση του αέρα. Όταν συμβεί κάποια αλλαγή στην κατεύθυνση του ανέμου αισθητήρες ενεργοποιούν το μηχανισμό ελέγχου της εκτροπής, ο οποίος περιστρέφει την άτρακτο και το δρομέα έως ότου ευθυγραμμιστεί κατάλληλα η Α/Γ. Όσο μεγαλύτερο το μέγεθος της ανεμογεννήτριας τόσο πιο αναγκαίος γίνεται ο ενεργός έλεγχος της εκτροπής για ευθυγράμμιση. Στις μικρού μεγέθους Α/Γ η λειτουργία αυτή μπορεί να πραγματοποιηθεί και με ουραίους ανεμοδείκτες. Ηλεκτρονικός πίνακας και πίνακας ελέγχου: Είναι πίνακες τοποθετημένοι στη βάση του πύργου της Α/Γ και αποτελούν το σύστημα ελέγχου το οποίο παρακολουθεί, συντονίζει και ελέγχει όλες τις λειτουργίες της ανεμογεννήτριας, φροντίζοντας για την απρόσκοπτη λειτουργία της. Στα παρακάτω γραφήματα απεικονίζονται τα επιμέρους τμήματα της ατράκτου, τα βασικότερα από τα οποία περιγράφηκαν παραπάνω. Στο πρώτο σχήμα παρουσιάζεται μια απλοποιημένη μορφή της ατράκτου όπου διαφαίνονται καλύτερα, αριθμημένα τα διάφορα τμήματα, ενώ στο δεύτερο σχήμα απεικονίζεται η συνήθης μορφή μια σύγχρονης ατράκτου. 1. Πλαίσιο ατράκτου 2. Ηλεκτρογεννήτρια 3. Δευτερογενής κινητήριος άξονας 4. Κιβώτιο πολλαπλασιασμού 5. Έδρανο άξονα 6. Προσκόλληση πυλώνα 7. Πυλώνας. 8. Δισκόφρενο 9. Κύριος άξονας 10. Κύριο έδρανο άξονα 11. Πτερύγιο 12. Βάση πτερυγίου. 13. Πλήμνη 73

74 04 c) Ο πύργος και η θεμελίωση: Ο πύργος μιας Α/Γ υποστηρίζει το σύστημα της ατράκτου και ανυψώνει τον δρομέα σε ένα ύψος όπου η ταχύτητα είναι σημαντικά μεγαλύτερη και λιγότερο διαταραγμένη από ότι στο επίπεδο του εδάφους. Συνεπώς η δομή του πύργου θα πρέπει να είναι ανθεκτική στα σημαντικά φορτία που οφείλονται στη βαρύτητα, την περιστροφή και την ώθηση του ανέμου αλλά και τις όποιες περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Με κριτήριο την τεχνολογία δόμησης διακρίνονται τρεις διαφορετικοί τύποι πύργων: Σταθεροί σωληνωτοί πύργοι: Κατασκευάζονται από κωνικά λεπτυνόμενο χάλυβα ή σκυρόδεμα. Το κωνικό σχήμα δίνεται στον πύργο κυρίως για να αυξήσει την αντοχή του αλλά συγχρόνως και για την εξοικονόμηση υλικού. Ανάλογα με το υλικό που θα χρησιμοποιηθεί κατά στην κατασκευή ο πύργος εμφανίζει και αντίστοιχες ιδιότητες και συμπεριφορά. Οι πύργοι από σκυρόδεμα με πλέγμα για παράδειγμα είναι συνήθως λιγότερο εύκαμπτοι από τους αντίστοιχους χαλύβδινους, παρέχοντας έτσι βελτιωμένες ιδιότητες απόσβεσης. Δεν μεταβιβάζουν δηλαδή ούτε και ενισχύουν τις προκαλούμενες από την περιστροφή ταλαντώσεις Σταθεροί δικτυωτοί πύργοι: Οι πύργοι του τύπου αυτού κατασκευάζονται από συγκολλημένες χαλύβδινες κατατομές. Η ανέγερση τους είναι σχετικά φθηνή και απαιτούν λιγότερο στιβαρά θεμέλια από τους σωληνωτούς, λόγω της εξάπλωσης των δομικών φορτίων σε ευρύτερη έκταση. Το βασικό πλεονέκτημα τους είναι το κόστος αφού απαιτείται σχεδόν το ήμισυ του υλικού ενός ελεύθερα ιστάμενου σωληνωτού πύργου με παρόμοια ακαμψία. Βασικό μειονέκτημα είναι η οπτική τους εμφάνιση αν και το ζήτημα αυτό είναι σαφώς υποκειμενικό. Ανυψούμενοι πύργοι με επίτονους: Οι πύργοι της κατηγορίας αυτής διαθέτουν ένα σημαντικό πλεονέκτημα κόστους έναντι των άλλων δυο, δεδομένου ότι μπορούν αν ανυψωθούν ή να χαμηλωθούν με τη βοήθεια μηχανής ανύψωσης φορτίων. Κατά συνέπεια δεν απαιτείται η χρήση γερανού. Η συντήρηση του δρομέα γίνεται λόγω της παραπάνω ιδιότητας δυνατή στο έδαφος. Η διάμετρος των πύργων με επίτονους είναι στην πράξη πολύ μικρότερη από των αντίστοιχων σωληνωτών. Απαιτούν όμως μεγαλύτερο εμβαδόν εδάφους λόγω της ανάγκης για εξάπλωση των επίτονων. σωληνωτός και δικτυωτός πύργος 74

75 04 (iii) Τύποι ανεμογεννητριών Οι ανεμοκινητήρες μπορούν να ταξινομηθούν σύμφωνα με τον προσανατολισμό των αξόνων τους σε σχέση με τη ροή του ανέμου σε δυο βασικές κατηγορίες. Τις Α/Γ οριζοντίου και καθέτου άξονα. γενική μορφή Α/Γ οριζοντίου και καθέτου άξονα a) Ανεμογεννήτριες οριζοντίου άξονα Η πιο διαδεδομένη μορφή ανεμοκινητήρα που εφαρμόζεται ευρεία στην πράξη είναι ο A/Κ οριζοντίου άξονα. Ο περιστρεφόμενος μηχανισμός των ανεμοκινητήρων δηλαδή ο δρομέας είναι παράλληλος με το έδαφος, μπορεί να έχει από ένα πτερύγιο (μονοπτέρυγος) μέχρι και 30 ή και περισσότερα (πολυπτέρυγος) και είναι τύπου έλικα. Μπορεί επίσης να βρίσκεται συνεχώς παράλληλος με την κατεύθυνση του ανέμου (τύπου Head on) ή κάθετος σε αυτή (τύπου Cross Wind). Με τον τρόπο αυτό επιτυγχάνεται παράλληλα και μεγιστοποίηση δέσμευσης της κινητικής ενέργειας του ανέμου. Η ευθυγράμμιση του άξονα του δρομέα στον άνεμο γίνεται με την ύπαρξη ενός μικρού πτερυγίου προσανατολισμού, στους δε μεγάλους η ευθυγράμμιση γίνεται μέσω υδραυλικών συστημάτων. b) Ανεμογεννήτριες κάθετου ή κατακόρυφου άξονα. Η δομή αυτού του τύπου Α/Γ είναι διαφορετική καθώς ο άξονας περιστροφής του ανεμοκινητήρα είναι κάθετος τόσο στην επιφάνεια της Γης όσο και στην ροή του ανέμου. Γνωστά ονόματα τέτοιων τύπου Α/Γ είναι τα μοντέλα Savonius, Darrieus και Giro mill. μοντέλα Α/Γ Giromill και Darrieus αντίστοιχα 75

76 04 Α/Γ κάθετου άξονα μοντέλο Darrieus, τρόπος λειτουργίας c) Άλλες μορφές Γενικότερα έχουν κατά καιρούς επινοηθεί και άλλοι τύποι ανεμομηχανών με διαφορετική μορφή και διάταξη από τις προαναφερόμενες χωρίς να εμφανίσουν όμως μεγάλη εξάπλωση. Σημαντικά τέτοια παραδείγματα είναι οι ανεμογεννήτριες Venturi και οι Magnus, η οποίες αντί για τα αεροδυναμικά πτερύγια διαθέτουν κυλινδρικά. μοντέλα Α/Γ Magnus και Venturi (iv) Αρχές λειτουργίας Η κίνηση του ανεμοκινητήρα αρχίζει λόγω των δυνάμεων και ροπών που ενεργούν στο στρεφόμενο τμήμα του, καθώς ο άνεμος διέρχεται δια μέσου του δρομέα. Οι δυνάμεις αυτές μπορεί να οφείλονται στην αντίσταση που ο δρομέας του ανεμοκινητήρα προβάλει στη ροή του ανέμου ή σε δυνάμεις άνωσης. Οι δυνάμεις αντίστασης έχουν την ίδια φορά με την κατεύθυνση πνοής του ανέμου, ενώ οι δυνάμεις άνωσης έχουν φορά κάθετη προς την κατεύθυνση του ανέμου. Η δύναμη άνωσης που αναπτύσσεται πάνω σε μια αεροτομή (πτέρυγα) που βρίσκεται σε γωνία πρόσπτωσης ως προς το ρεύμα του αέρα, είναι πολλαπλάσια της δύναμης αντίστασης που εφαρμόζεται στην αεροτομή (γνώση από Αεροδυναμική). Γι αυτό και καταρχήν οι ανεμοκινητήρες των οποίων η λειτουργία βασίζεται στην εκμετάλλευση των δυνάμεων άνωσης είναι αποδοτικότεροι από τους ανεμοκινητήρες των οποίων η λειτουργία βασίζεται σε δυνάμεις αντίστασης. 76

77 04 επίδραση των δυνάμεων άνωσης σε Α/Γ οριζόντιου και κατακόρυφου άξονα Η ακολουθία των συμβάντων κατά την παραγωγή και την μεταφορά της αιολικής ισχύος από μια ανεμογεννήτρια αποτελείται από τα παρακάτω βήματα: Ο άνεμος αλληλεπιδρά με τον δρομέα της Α/Γ και παράγεται μια ροπή όπως εξηγήθηκε και παραπάνω. Η σχετικά χαμηλή συχνότητα περιστροφής του δρομέα αυξάνεται μέσω του μετατροπέα στροφών του οποίου ο άξονας εξόδου περιστρέφει μια γεννήτρια. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από τη γεννήτρια διέρχεται μέσω του συστήματος ελέγχου και των αποζευκτών της Α/Γ και ενισχύεται σε μια μέση τάση από το μετασχηματιστή. Το σύστημα καλωδίωσης, μεταφέρει την ηλεκτρική ενέργεια στο μετασχηματιστή, ο οποίος ενισχύει την τάση στην τιμή του δικτύου. Το δίκτυο ισχύος μεταβιβάζει τον ηλεκτρισμό στην περιοχή τελικής χρήσης του. (v) Διαστάσεις και ονομαστική ισχύ ανεμογεννήτριας Στον όρο διαστάσεις μιας Α/Γ συμπεριλαμβάνονται δυο βασικά χαρακτηριστικά της, το ύψος της(σε μέτρα) και η διάμετρος του δρομέα της(σε μέτρα). Με το όρο ονομαστική ισχύ αναφερόμαστε στην απόδοση της Α/Γ, μέγεθος το οποίο μετριέται σε μονάδες Watt. Όλα τα παραπάνω μεγέθη είναι άμεσα αλληλοεξαρτώμενα. Η ονομαστική ισχύς μιας ανεμογεννήτριας δεν εξαρτάται μόνο από την ταχύτητα του ανέμου αλλά και από το μέγεθος της. Η διάμετρος του δρομέα της αναλυτικότερα αυξάνεται ανάλογα με την ονομαστική της ισχύ και παράλληλα αυξάνεται και το ύψος του ιστού που θα τοποθετηθεί η Α/Γ. Το ύψος της Α/Γ καθορίζεται και από κάποιους επιπρόσθετους παράγοντες όπως είναι τα εμπόδια του περιβάλλοντος χώρου, το είδος της βάσης που θα χρησιμοποιηθεί καθώς και οι προδιαγραφές του κατασκευαστή. Ανάλογα με την εφαρμογή στην οποία θα χρησιμοποιηθεί η Α/Γ θα πρέπει να επιλεχθεί και το κατάλληλο μέγεθος, το τελευταίο αποτελεί δηλαδή, συνάρτηση των αναγκών που η Α/Γ καλείται να εξυπηρετήσει. Η τιμή της ισχύος μπορεί να κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες μέχρι μερικά εκατομμύρια Watt. Οι Α/Γ μεγάλου μεγέθους και μεγάλης ονομαστικής ισχύος χρησιμοποιούνται συνήθως σε αιολικά πάρκα. Στην περίπτωση αυτή, ένα αιολικό πάρκο, δηλαδή μία συστοιχία πολλών ανεμογεννητριών, εγκαθίσταται και λειτουργεί σε μία περιοχή με υψηλό αιολικό δυναμικό και διοχετεύει το σύνολο της παραγωγής του στο ηλεκτρικό σύστημα. Η ονομαστική ισχύς των ανεμογεννητριών αυτών κυμαίνεται μεταξύ 800kW-3ΜW, το ύψος μπορεί είναι της τάξης των μέτρα, ενώ η διάμετρος του δρομέα ξεκινά από 40 μέτρα και φτάνει μέχρι και τα 80 μέτρα αντίστοιχα. Τυπικά αναφέρεται ότι οι συνήθεις διαστάσεις μιας ανεμογεννήτριας ισχύος 500kW είναι : διάμετρος δρομέα 40 μέτρα, ύψος μέτρα. Αντίστοιχα μιας Α/Γ ισχύος 3 MW οι διαστάσεις είναι 80 μέτρα και μέτρα. 77

78 04 στοιχεία και διαστάσεις Α/Γ οριζοντίου άξονα (vi) Μέτρηση ανέμου Όταν μια ανεμογεννήτρια λειτουργεί, δεν παράγει κάποια σταθερή τιμή ισχύος αλλά η ισχύς που παράγεται, εξαρτάται πάντα από την ένταση του ανέμου. Γίνεται λοιπόν, άμεσα κατανοητό ότι η ταχύτητα του ανέμου, αποτελεί ένα σημαντικό χαρακτηριστικό, του οποίου ο σωστός υπολογισμός είναι απαραίτητος όταν μελετάται η απόδοση και η παραγωγή μιας ανεμογεννήτριας. Η διαδικασία μέτρησης του ανέμου περιλαμβάνει την καταγραφή των τιμών διαφόρων χαρακτηριστικών του, με χρήση ειδικού οργάνου και στη συνέχεια, την ηλεκτρονική επεξεργασία τους για την εξαγωγή αποτελεσμάτων. Το όργανο με το οποίο μετριέται το αιολικό δυναμικό μιας περιοχής ονομάζεται ανεμογράφος και αποτελείται από ένα αισθητήριο ταχύτητας και ένα αισθητήριο διεύθυνσης. Οι ανεμογράφοι μετρούν την ταχύτητα του ανέμου και την οριζόντια διεύθυνσή του σε μικρά χρονικά διαστήματα (συνήθως του ενός δευτερολέπτου) και καταγράφουν στην μνήμη τους την μέση τιμή της ταχύτητας, την επικρατούσα διεύθυνση ανά τακτά χρονικά διαστήματα (συνήθως μία ώρα ή 10 λεπτά) καθώς και την τυπική απόκλιση που αντιστοιχεί στο διάστημα καταγραφής. Η μνήμη του ανεμογράφου μεταφέρεται στη συνέχεια σε αρχεία Η/Υ και αυτά τα στοιχεία επεξεργάζονται για τον υπολογισμό του αιολικού δυναμικού μιας περιοχής. Η πιο συχνή στατιστική επεξεργασία που γίνεται στα αρχεία μετρήσεων είναι ο υπολογισμός της κατανομής των ταχυτήτων, τα οποία αναπαρίσταται σε γραφήματα. Μέσα από τα γραφήματα αυτά μπορεί να υπολογιστεί το χαρακτηριστικό το οποίο ονομάζεται καμπύλη ισχύος. Η καμπύλη ισχύος είναι το μέγεθος που μας δίνει την παραγωγή της ανεμογεννήτριας στην μονάδα του χρόνου σαν συνάρτηση της ταχύτητας του ανέμου. Πολλές φορές αυτή η διαδικασία μελέτης γίνεται από την κατασκευάστρια εταιρεία και δίνεται στα τεχνικά χαρακτηριστικά του προϊόντος. 78

79 04 τυπικό γράφημα μέτρησης ταχύτητας του ανέμου γράφημα καμπύλης ισχύος 79

80 04 (vii) Μικρές Α/Γ στον οικιστικό τομέα Εκτός από τα αιολικά πάρκα που τροφοδοτούν απευθείας το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, όπου και είναι εγκατεστημένες ανεμογεννήτριες μεγάλης ονομαστικής ισχύος υπάρχει η δυνατότητα χρήσης μικρότερου μεγέθους και ισχύος ανεμογεννητριών, για εφαρμογές μικρότερης κλίμακας όπως είναι η ικανοποίηση οικιακών καταναλώσεων. συνήθης μορφή ανεμογεννήτριας οικιακής χρήσης Οι μικρές αυτές ανεμογεννήτριες έχουν συνήθη ονομαστική ισχύ από 400Watt-3KWatt. Ο υπολογισμός της παραγόμενης ισχύος σε ηλεκτρικό ρεύμα από την ανεμογεννήτρια, εξαρτάται όπως ήδη περιγράφηκε, από το αιολικό δυναμικό της περιοχής. Γενικά η ισχύς που θα χρησιμοποιηθεί σε κάθε περίπτωση, υπολογίζεται με βασικότερο κριτήριο τις ανάγκες που αναμένεται να καλυφθούν και τα καιρικά χαρακτηριστικά του τόπου. Όσον αφορά τον τρόπο υπολογισμού παραγωγής διαφαίνεται στο παρακάτω παράδειγμα: Έστω μια ανεμογεννήτρια ισχύος 900watt σε μέση ταχύτητα ανέμου 5 m/s η οποία λειτουργεί παραγωγικά 4 ώρες την ημέρα. Στην περίπτωση αυτή έχουμε: 900watt x 4ώρες = 3600watt/h ή 3,6kwh ημερήσια παραγωγή. 80

81 04 Μια μικρή Α/Γ όπως ήδη περιγράφηκε, μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο σε σπίτια συνδεδεμένα στο εκάστοτε δίκτυο ηλεκτρισμού (διασυνδεδεμένο σύστημα) όσο και σε μη συνδεδεμένα (αυτόνομο σύστημα). Στην πρώτη περίπτωση η περίσσεια του ρεύματος που θα παράγεται, θα πωλείται στο δίκτυο, ενώ στη δεύτερη η κατοικία, θα καλύπτει το σύνολο των αναγκών της σε ηλεκτρισμό από την παραγωγή της Α/Γ. Όσον αφορά την εγκατάσταση τους, συνίσταται γενικά να γίνεται σε μη αστικές περιοχές καθώς απαιτείται μια έκταση χωρίς εμπόδια γύρω από αυτές, ώστε να μην επηρεάζεται η λειτουργία τους και να είναι σε ικανοποιητικό βαθμό εκτεθειμένες στον άνεμο. Το θέμα του θορύβου που παράγει μια Α/Γ οικιακής χρήσης είναι συχνά ένας λόγος που αναστέλλει την χρήση τους. Θα πρέπει εδώ να αναφερθεί ότι πλέον με την εξέλιξη των τεχνολογιών που χρησιμοποιούνται, αυτός είναι μικρότερος από το θόρυβο που παράγει ένα κοινό πλυντήριο. Οπότε θέματα σχετικά με την επίπτωση λόγω θορύβου στο περιβάλλον και την ενόχληση γειτονικών σπιτιών πρακτικά δεν υφίσταται, ειδικά σε περιοχές μη αστικών περιοχών. Η διασύνδεση με την κατοικία περιλαμβάνει όπως έχει περιγραφεί νωρίτερα μια σειρά επιμέρους υποσυστήματα. Εκτός λοιπόν από την Α/Γ η οποία είναι υπεύθυνη για την συλλογή της αιολικής ενέργειας και τη μετατροπή της σε ηλεκτρική απαραίτητα είναι επίσης: Ένας αντιστροφέας ισχύος ο οποίος θα μετατρέπει το συνεχές ρεύμα που παράγουν οι ανεμογεννήτριες σε εναλλασσόμενο, για την τροφοδοσία της κατοικίας. Κάποιο σύστημα αποθήκευσης ειδικότερα για τις αυτόνομες κατοικίες το οποίο είναι συνήθως σε μπαταρίες και μπορούν χρησιμοποιούνται όταν υπάρχει άπνοια. Το απαραίτητο δίκτυο καλωδίων για τη σύνδεση με την κατοικία και φυσικά το τελικό φορτίο στο οποίο θα γίνεται η κατανάλωση. ανεμογεννήτριες οικιακής χρήσης 81

82 Γεωθερμική ενέργεια Σε περιοχές με σχετικά πρόσφατη ηφαιστειότητα, παρουσιάζεται το φαινόμενο διάπυρο υλικό από το εσωτερικό της γης να έχει κινηθεί προς την επιφάνεια και το υπέδαφος να έχει θερμανθεί. Η θερμότητα αυτή μπορεί να μεταφέρεται σε τυχόν υδροφόρους σχηματισμούς της περιοχής. Τα νερά θερμαίνονται και κυκλοφορούν μέσα στα πετρώματα φθάνοντας σε πολλές περιπτώσεις μέχρι την επιφάνεια, αφού προηγουμένως έχουν εμπλουτιστεί από άλατα των πετρωμάτων, ενώ κάποιες άλλες φορές τα νερά εγκλωβίζονται σε μη υδροπερατά πετρώματα και αποκτούν θερμοκρασίες που ξεπερνούν τους 350 ΟC. Γεωθερμική ενέργεια ονομάζεται η θερμική ενέργεια που προέρχεται από το εσωτερικό της γης και εμπεριέχεται σε φυσικούς ατμούς, σε επιφανειακά ή υπόγεια νερά και σε θερμά ξηρά πετρώματα. Η χρήση της βασίζεται στην εκμετάλλευση της θερμότητας μιας μάζας υπόγειου πετρώματος και νερού. Η εξόρυξη αυτής της θερμότητας οδηγεί στην παραγωγή θερμικής ενέργειας που μπορεί είτε να χρησιμοποιηθεί άμεσα είτε να μετατραπεί σε μηχανική ή ηλεκτρική ενέργεια. Είναι μια ήπια και σχετικά ανανεώσιμη ενεργειακή πηγή, που με τα σημερινά τεχνολογικά δεδομένα μπορεί να καλύψει σημαντικές ενεργειακές ανάγκες. γεωθερμικά πεδία στην Ελλάδα Ιστορικό ανάπτυξης Η παρουσία ηφαιστείων, θερμών πηγών και άλλων επιφανειακών εκδηλώσεων θερμότητας, είναι αυτή που οδηγεί, αρχικά τους ανθρώπους στο μακρινό παρελθόν, στη διαπίστωση ότι το εσωτερικό της γης είναι θερμό. Κατά την περίοδο μεταξύ 16ου και 17ου αιώνα, όταν κατασκευάστηκαν τα πρώτα μεταλλεία σε βάθος μερικών εκατοντάδων μέτρων κάτω από την επιφάνεια του εδάφους, οι άνθρωποι, με τη βοήθεια κάποιων απλών φυσικών παρατηρήσεων, αντιλαμβάνονται για πρώτη φορά ότι η θερμότητα στο εσωτερικό της γης, αυξάνεται με το βάθος. Αργότερα, γύρω στο 1740 γίνονται και οι πρώτες μετρήσεις με θερμόμετρο, σε ένα ορυχείο κοντά στο Belfort της Γαλλίας. Από το 1870, χρησιμοποιούνται για τη μελέτη της θερμικής κατάστασης του εσωτερικού της γης, προχωρημένες για την εποχή επιστημονικές μέθοδοι, ενώ η θερμική κατάσταση που διέπει τη γη, η θερμική ισορροπία και εξέλιξή της κατανοούνται καλύτερα μέσα στον 20ο αιώνα, βοηθούμενες από την ανακάλυψη του ρόλου της «ραδιενεργής θερμότητας». 82

83 04 Κατανοήθηκε δηλαδή για πρώτη φορά η θερμότητα που συνεχώς παράγεται στο εσωτερικό της γης, από τη διάσπαση των μακράς διάρκειας ζωής ραδιενεργών ισοτόπων όπως το ουράνιο, το θόριο και το κάλιο, τα οποία βρίσκονται εκεί. Η αξιοποίηση του ενεργειακού περιεχόμενου των γεωθερμικών ρευστών ξεκινά όμως ήδη από τις αρχές του 19ου αιώνα. Εκείνη την περίοδο, στην Τοσκάνη της Ιταλίας, και συγκεκριμένα στην περιοχή του Lar derello, λειτουργούσε μια χημική βιομηχανία για την παραγωγή βορικού οξέος από τα βοριούχα θερμά νερά που ανάβλυζαν από φυσικές πηγές ή αντλούνταν από ρηχές γεωτρήσεις. Η παραγωγή του βορικού οξέος γινόταν με εξάτμιση των βοριούχων νερών μέσα σε σιδερένιους «λέβητες», χρησιμοποιώντας ως καύσιμη ύλη ξύλα από τα κοντινά δάση. Το 1827, ο Francesco Lar derel, ιδρυτής της βιομηχανίας αυτής, αντί για καύση ξύλων από τα διαρκώς αποψιλούμενα δάση της περιοχής, ανέπτυξε ένα σύστημα για τη χρήση της θερμότητας των βοριούχων ρευστών στη διαδικασία εξάτμισης. Η εκμετάλλευση της μηχανικής ενέργειας του φυσικού ατμού ξεκίνησε περίπου την ίδια περίοδο. Ο γεωθερμικός ατμός χρησιμοποιήθηκε για την ανέλκυση των ρευστών, αρχικά με κάποιους πρωτόγονους αέριους ανυψωτήρες και στη συνέχεια με παλινδρομικές και φυγοκεντρικές αντλίες και βαρούλκα. Ανάμεσα στο 1850 και 1875, οι εγκαταστάσεις του Larderello κατείχαν το μονοπώλιο παραγωγής βορικού οξέος στην Ευρώπη. Μεταξύ του 1910 και του 1940, στην περιοχή αυτή της Τοσκάνης ο χαμηλής πίεσης ατμός άρχισε να χρησιμοποιείται για τη θέρμανση βιομηχανικών κτιρίων, κατοικιών και θερμοκηπίων. Εν τω μεταξύ, ολοένα και περισσότερες χώρες άρχισαν να αναπτύσσουν τους γεωθερμικούς τους πόρους σε βιομηχανική κλίμακα. Το 1892, το πρώτο γεωθερμικό σύστημα τηλεθέρμανσης (district heating) τέθηκε σε λειτουργία στο Boise του Αίνταχο των ΗΠΑ. Το 1928, μια άλλη πρωτοπόρος χώρα στην εκμετάλλευση της γεωθερμικής ενέργειας, η Ισλανδία, ξεκίνησε επίσης την εκμετάλλευση των γεωθερμικών ρευστών (κυρίως θερμών νερών) για τη θέρμανση κατοικιών. Το 1904, έγινε η πρώτη απόπειρα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικό ατμό, και πάλι στο Larderello της Ιταλίας. Η επιτυχία της αυτής πειραματικής προσπάθειας έδωσε μια ξεκάθαρη ένδειξη για τη βιομηχανική αξία της γεωθερμικής ενέργειας και σηματοδότησε την έναρξη μιας μορφής εκμετάλλευσης, που επρόκειτο έκτοτε να αναπτυχθεί σημαντικά. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στο Larderello αποτέλεσε πράγματι μια εμπορική επιτυχία και σύντομα, πολλές χώρες ακολούθησαν το παράδειγμα της Ιταλίας. Το 1919 κατασκευάστηκαν οι πρώτες γεωθερμικές γεωτρήσεις στο Beppu της Ιαπωνίας, ενώ το 1921 ακολούθησαν εκείνες στο The Geysers της Καλιφόρνιας των ΗΠΑ. Το 1958 ένα μικρό εργοστάσιο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας τέθηκε σε λειτουργία στη Νέα Ζηλανδία, ένα άλλο στο Μεξικό το 1959, στις ΗΠΑ το 1960 και ακολούθησαν πολλά άλλα σε διάφορες χώρες Γεωθερμικά πεδία Η συγκεντρωμένη στο εσωτερικό της γης θερμότητα, μεταφέρεται κοντά στην επιφάνειά της μέσω γεωλογικών φαινομένων, δημιουργώντας έτσι υπέρθερμα πεδία, μέσα στα οποία σχηματίζονται οι γεωθερμικές πηγές. Το σημαντικότερο από αυτά τα γεωλογικά φαινόμενα είναι αυτό των λιθοσφαιρικών πλακών. Το εξωτερικό κέλυφος της γης, η λιθόσφαιρα, δεν είναι ενιαίο αλλά αποτελείται από πολλά κομμάτια, τις λιθοσφαιρικές πλάκες. Οι πλάκες αυτές βρίσκονται σε μια διαρκή κίνηση που πραγματοποιείται με πολύ μικρή ταχύτητα, μερικά μόλις εκατοστά το χρόνο. Ανάλογα με τη σχετική κίνηση των πλακών, στα όριά τους παρατηρούνται τρία διαφορετικά φαινόμενα. Οι δύο πλάκες μπορούν να αποκλίνουν, δηλαδή να απομακρύνονται η μια από την άλλη. Στο κενό που αφήνουν, αναβλύζει μάγμα και στερεοποιείται, γεμίζοντας το και δημιουργώντας καινούργια λιθόσφαιρα. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται οι λεγόμενες ράχες. 83

84 04 παγκόσμιος χάρτης λιθοσφαιρικών ή τεκτονικών πλακών Αντίθετα οι πλάκες μπορούν και να συγκλίνουν, έτσι που η μια να βυθίζεται κάτω από την άλλη και τελικά να απορροφάται από το μανδύα ή να καταστρέφεται. Τα φαινόμενα τριβής στα όρια των πλακών έχουν σαν αποτέλεσμα, μέρος της μηχανικής ενέργειας να μετατρέπεται σε θερμότητα και αυτή η θερμότητα να εκτονώνεται με τη μορφή ηφαιστειακής δράσης. Με αυτόν τον τρόπο δημιουργούνται οι τάφροι. Στις τάφρους δηλαδή, η λιθόσφαιρα καταστρέφεται με το ρυθμό που δημιουργείται στις ράχες. Τέλος οι δύο πλάκες μπορούν να γλιστρούν η μια παράλληλα στην άλλη με τρόπο που ούτε δημιουργείται, αλλά ούτε και καταστρέφεται τμήμα της λιθόσφαιρας. Τόσο οι λεγόμενες τάφροι όσο και οι ράχες συνδέονται με ηφαιστειακή δράση και κατά συνέπεια με υπέρθερμες περιοχές. Γι αυτό και οι σημαντικότερες γεωθερμικές πηγές, εντοπίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές, δηλαδή στα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Εκτός των περιοχών αυτών, όπου δημιουργούνται αρκετά υψηλές θερμοκρασίες, εμφανίζονται και περιοχές με μικρότερο γεωθερμικό ενδιαφέρον σχηματιζόμενες από άλλους παράγοντες. Οι σημαντικότεροι είναι οι εξής : Τοπικά υψηλή θερμική ροή από το μανδύα και τη βάση του φλοιού της γης προς την επιφάνεια, σε μεγάλες περιοχές. Εμφάνιση αυξημένων συγκεντρώσεων ραδιενεργών στοιχείων ουρανίου, θορίου και καλίου σε ορισμένες περιοχές στο φλοιό της γης μέσα σε πετρώματα, που συντελούν στην παραγωγή θερμότητας. Φαινόμενα συναγωγής που προκαλούνται από κυκλοφορία νερού. Το νερό κινείται διαμέσου πορωδών σχηματισμών ή μέσα από συστήματα ρηγμάτων, μεταφέροντας τη θερμότητα σε μικρότερα βάθη. Διαφορετική θερμική αγωγιμότητα των πετρωμάτων που αποτελούν το φλοιό. Τα αργιλικά πετρώματα για παράδειγμα, έχουν χαμηλότερη θερμική αγωγιμότητα από τα κρυσταλλικά. Οι παραπάνω μηχανισμοί μπορεί όπως αναφέρθηκε να δημιουργήσουν δευτερεύουσας σημασίας γεωθερμικές ανωμαλίες μακριά από τα όρια των λιθοσφαιρικών πλακών. Έτσι, ενώ σημαντικές θερμικές ανωμαλίες εντοπίζονται σε συγκεκριμένες περιοχές, περιοχές με ελαφρά αυξημένη γεωθερμική βαθμίδα απαντώνται σε όλη τη γη. 84

85 04 σχηματισμός ράχης και τάφρου αντίστοιχα Κατηγορίες γεωθερμικών πηγών Τα γεωθερμικά συστήματα εμφανίζονται στη φύση με πάρα πολλές ιδιαιτερότητες και ιδιομορφίες, οι οποίες σχετίζονται με διάφορους συνδυασμούς γεωλογικών, φυσικών και χημικών χαρακτηριστικών που οδηγούν τελικά σε διάφορους τύπους συστημάτων Για το λόγο αυτό το κάθε γεωθερμικό πεδίο, απαιτεί και εξειδικευμένες μελέτες για τη βέλτιστη τεχνικά και οικονομικά εκμετάλλευσή του. Ανάλογα με αυτές τις ιδιαιτερότητες που εντοπίζονται κυρίως στον σχηματισμό, διακρίνονται τέσσερις διαφορετικοί τύποι γεωθερμικών πηγών. Αυτές είναι οι υδροθερμικές πηγές, οι γεω-πεπιεσμένες πηγές, τα θερμά ξηρά πετρώματα και το μάγμα, εκ των οποίων σήμερα οι πρώτοι μόνο δυο τύποι αξιοποιούνται εμπορικά (i) Υδροθερμικές πηγές Οι υδροθερμικές πηγές απαιτούν τρία βασικά συστατικά για να σχηματιστούν, μια θερμική πηγή ή εστία θερμότητας, έναν υδροφόρο ορίζοντα που θα λειτουργεί ως μέσο μεταφοράς της θερμότητας και ένα πέτρωμα, το οποίο ονομάζεται ταμιευτήρας. Σχηματικά μπορεί να περιγραφεί ως ένα «σύστημα» που βρίσκεται σε περιορισμένο χώρο στον ανώτερο φλοιό της γης και αποτελείται από κινούμενο νερό, το οποίο μεταφέρει θερμότητα από μια πηγή σε μια δεξαμενή θερμότητας, που συνήθως είναι μια ελεύθερη επιφάνεια. Η εστία θερμότητας μπορεί να είναι είτε μια πολύ υψηλής (>600C) θερμοκρασίας μαγματική διείσδυση που έχει φτάσει σε σχετικά μικρά βάθη (5-10 km) ή, στα χαμηλής θερμοκρασίας συστήματα, η κανονική θερμοκρασία των πετρωμάτων του εσωτερικού της γης, η οποία όπως αναφέρθηκε αυξάνεται με το βάθος. 85

86 04 Ο ταμιευτήρας είναι ένας σχηματισμός από θερμά υδατοπερατά πετρώματα, που επιτρέπει την κυκλοφορία των ρευστών μέσα σε αυτόν και από τον οποίο τα ρευστά αντλούν θερμότητα. Πάνω από τον ταμιευτήρα βρίσκεται συνήθως ένα κάλυμμα αδιαπέραστων πετρωμάτων. Ο ταμιευτήρας πολλές φορές συνδέεται με μια επιφανειακή περιοχή τροφοδοσίας, δια μέσου της οποίας το νερό κατεβαίνει και αντικαθιστά μερικώς ή ολικώς όσα ρευστά φεύγουν από τον ταμιευτήρα και εξέρχονται στην επιφάνεια με τη μορφή θερμών πηγών ή αντλούνται από γεωτρήσεις.. Το γεωθερμικό ρευστό συνήθως είναι νερό, στις περισσότερες περιπτώσεις μετεωρικής προέλευσης, το οποίο, ανάλογα με τις συνθήκες πίεσης και θερμοκρασίας που επικρατούν στον ταμιευτήρα, βρίσκεται σε υγρή ή αέρια κατάσταση. Συχνά το ρευστό είναι εμπλουτισμένο με κάποια χημικά στοιχεία και αέρια, όπως διοξείδιο του άνθρακα(co2) ή υδρόθειο (H2S). Τον τύπο αυτό πηγής, τον χαρακτηρίζει η κυκλοφορία επιφανειακού νερού σε μικρά έως μέσα βάθη(100μέτρα έως 4χμ). Η γεωθερμική ενέργεια μπορεί να αντλείται από αυτόν τον τύπο πηγής με διάτρηση του εδάφους ως τον υδροφόρο ορίζοντα και στη συνέχεια εξαγωγή του θερμού νερού ή ατμού, ανάλογα με την φυσική κατάσταση στην οποία θα βρίσκεται το ρευστό των πόρων. (ii) Θερμά ξηρά πετρώματα (Hot Dry Rocks) Τα θερμά ξηρά πετρώματα είναι ένας θερμαινόμενος γεωλογικός σχηματισμός που δημιουργείται με τον ίδιο τρόπο όπως οι υδροθερμικές πηγές αλλά δεν περιέχει νερό αφού δεν υπάρχουν υδροφόροι ορίζοντες ή ρωγμές που απαιτούνται για να οδηγήσουν το νερό στην επιφάνεια. Στην περίπτωση αυτή τόσο τα ρευστά όσο και ο ταμιευτήρας δημιουργούνται τεχνητά. Μέσω ειδικών γεωτρήσεων, γίνεται τεχνητή εισαγωγή νερού με μεγάλη πίεση σε ένα θερμό και συμπαγές πέτρωμα, το οποίο βρίσκεται σε μεγάλο βάθος. Η εισπίεση αυτή προκαλεί στο πέτρωμα «υδραυλική διάρρηξη». Το νερό δηλαδή διαπερνά τις τεχνητές διαρρήξεις και λόγω της επαφής του με μεγάλες επιφάνειες θερμού πετρώματος αντλεί θερμότητα από αυτόν τον μεγάλο σε όγκο σχηματισμό, ο οποίος λειτουργεί ως ένας φυσικός ταμιευτήρας. Στη συνέχεια, ο ταμιευτήρας που δημιουργήθηκε διαπερνάται από μια δεύτερη γεώτρηση, μέσα από την οποία αντλείται ξανά στην επιφάνεια το νερό που θερμάνθηκε. Τα θερμά ξηρά πετρώματα είναι δηλαδή ένα γεωθερμικό σύστημα που αποτελείται από τη γεώτρηση που χρησιμοποιείται για την υδραυλική διάρρηξη, μέσω της οποίας εισπιέζεται κρύο νερό και δημιουργεί έναν τεχνητό ταμιευτήρα και από τη γεώτρηση άντλησης του θερμού πλέον νερού. Όλο αυτό το σύστημα, μαζί με τις εγκαταστάσεις στην επιφάνεια, σχηματίζουν ένα κλειστό κύκλωμα. 86

87 04 (iii) Γεωπεπιεσμένες πηγές Σε μερικές ταχέως καθιζάνουσες ιζηματογενείς λεκάνες οι πορώδεις ψαμμίτες των ταμιευτήρων που υπάρχουν στο υπέδαφος διαιρούνται σταδιακά από τις επεκτάσεις ρηγμάτων και μετασχηματίζονται σε μεμονωμένους ταμιευτήρες οι οποίοι συνήθως βρίσκονται σε βάθος 3-6 χιλιομέτρων. Γύρω από απομονωμένο αυτό ταμιευτήρα δημιουργείται σταδιακά και κάποιος στεγανός σχιστόλιθος. Η πίεση που αναπτύσσεται στο εσωτερικό του ταμιευτήρα είναι πολύ μεγάλη, ενώ ο στεγανός σχιστόλιθος που περιβάλλει τον διαιρεμένο αυτό ψαμμίτη εμποδίζει την διαφυγή του νερού των πόρων του. Η θερμοκρασία που αναπτύσσεται στον σχηματισμό κυμαίνεται μεταξύ C. Η ενέργεια που τελικά περιλαμβάνει αυτός ο πεπιεσμένος ταμιευτήρας δεν είναι μονάχα θερμική αλλά κατά ένα ποσοστό χημική (διαλυμένο μεθάνιο στο νερό) και μηχανική/ υδραυλική (υψηλή πίεση των ρευστών). Ο τύπος αυτός πηγής δεν αξιοποιείται ακόμη σε εμπορικό επίπεδο. (iv) Μάγμα Το μάγμα, αποτελεί την μεγαλύτερη γεωθερμική πηγή και είναι τηγμένο πέτρωμα που βρίσκεται σε βάθη 3-10 χιλιομέτρων και παραπάνω και άρα δεν είναι προσπελάσιμο. Η θερμοκρασία του κυμαίνεται από C. Πρόκειται για μια πηγή η οποία δεν έχει εξερευνηθεί καλά ακόμη και δεν αξιοποιείται Προϋποθέσεις Αν και η γεωθερμική ενέργεια βρίσκεται τυπικά παντού στην επιφάνεια της γης, η αξιοποίηση και η χρήση της, είναι δυνατή και πραγματοποιήσιμη μόνο όταν ικανοποιούνται κάποιες συγκεκριμένες συνθήκες Η ύπαρξη δηλαδή υψηλής γεωθερμικής βαθμίδας σε κάποια περιοχή δεν είναι η μοναδική προϋπόθεση για την ύπαρξη εκμεταλλεύσιμου γεωθερμικού πεδίου. Η γεωθερμική ενέργεια είναι πρωτογενώς αποθηκευμένη μέσα στα πετρώματα, είναι διασκορπισμένη μέσα στη μάζα τους και πρέπει να συγκεντρωθεί και να μεταφερθεί στην επιφάνεια της γης προκειμένου να χρησιμοποιηθεί. Αρχικά λοιπόν, η γεωθερμική ενέργεια θα πρέπει να είναι σχετικά εύκολα προσπελάσιμη μέσω γεωτρήσεων και αυτό συμβαίνει συνήθως σε βάθη μικρότερα των 3 χιλιομέτρων και κάποιες φορές ενδεχομένως σε βάθη 6-7 χιλιομέτρων, σε ιδιαίτερα όμως ευνοϊκά περιβάλλοντα. Επιπρόσθετα, όσον αφορά τα χαρακτηριστικά του υπεδάφους, το πορώδες των ταμιευτήρων που εμπεριέχουν την θερμότητα και η διαπερατότητα τους, θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλά, ώστε να επιτρέπουν την παραγωγή μεγάλων ποσοτήτων θερμού νερού. Δεδομένου επίσης, ότι σημαντικό μέρος του κόστους μιας γεωθερμικής εγκατάστασης αφορά στη γεώτρηση και καθώς το κόστος ανά μέτρο αυξάνεται με το βάθος, όσο πιο ρηχά βρίσκεται συσσωρευμένη η γεωθερμική ενέργεια τόσο το καλύτερο για την αξιοποίηση της. Τέλος, λόγω του ότι τα γεωθερμικά ρευστά μπορούν να μεταφερθούν οικονομικά με σωληνώσεις επάνω στην επιφάνεια της γης μόνο για μερικές δεκάδες χιλιόμετρα, οποιαδήποτε εγκατάσταση ηλεκτροπαραγωγής ή άμεσης χρήσης θα πρέπει να βρίσκεται σχετικά κοντά ή επάνω στην γεωθερμική ανωμαλία Ενθαλπία γεωθερμικής ενέργειας Το πλέον συνηθισμένο κριτήριο για την ταξινόμηση των γεωθερμικών πόρων είναι αυτό που βασίζεται στην ενθαλπία των γεωθερμικών ρευστών, τα οποία αποτελούν τον φορέα μεταφοράς της θερμότητας από τα βαθιά και θερμά πετρώματα προς την επιφάνεια. Η ενθαλπία, η οποία σε γενικές γραμμές θεωρείται ότι είναι ανάλογη της θερμοκρασίας, χρησιμοποιείται για να εκφράσει την περιεχόμενη θερμική ενέργεια των ρευστών και δίνει μια γενική εικόνα της ενεργειακής «αξίας» τους. 87

88 04 Οι γεωθερμικοί πόροι διακρίνονται σε τρεις γενικές κατηγορίες με βάση το ενεργειακό τους περιεχόμενο, στους πόρους υψηλής ενθαλπίας, στους πόρους χαμηλής και μέσης ενθαλπίας, και στην αβαθή γεωθερμία. (i) Γεωθερμία υψηλής ενθαλπίας Στην κατηγορία αυτή συγκαταλέγονται οι γεωθερμικές πηγές στις οποίες οι θερμοκρασίες των ρευστών ξεπερνούν τους 150 οc. Όταν η θερμοκρασία είναι τόσο υψηλή, η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται με μοναδικό σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. (ii) Χαμηλής και μέσης ενθαλπίας Στη γεωθερμική ενέργεια χαμηλής και μέσης ενθαλπίας οι θερμοκρασίες των ρευστών κυμαίνονται από οc και από οc αντίστοιχα. Αυτού του τύπου η ενέργειες βρίσκουν σε διεθνές επίπεδο πολλές εφαρμογές παραγωγής θερμότητας με σημαντικότερες στην γεωργία και την γεωργική βιομηχανία, στην κτηνοτροφία και την ιχθυοκαλλιέργεια αλλά και τη θέρμανση διαφόρων χώρων(κτιριακός τομέας). Οι υψηλότερες βαθμίδες αυτής της κατηγορίας χρησιμοποιούνται και με σκοπό την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος Γενικότερα η τεχνολογία που απαιτείται για την εκμετάλλευση των γεωθερμικών ρευστών αυτής της κατηγορίας έχει αναπτυχθεί σε σημαντικό βαθμό και είναι ευρύτατα γνωστή. (iii) Αβαθής γεωθερμία Ως αβαθής χαρακτηρίζεται μια γεωθερμική πηγή όταν οι θερμοκρασίες των ρευστών είναι μικρότερες των 25C. Αυτού του τύπου η γεωθερμία χρησιμοποιείται με μοναδικό σκοπό την παραγωγή θερμότητας και εφαρμόζεται σχεδόν αποκλειστικά στην θέρμανση κτηρίων όπως κατοικίες και γενικότερα δημόσια κτήρια Χρήσεις γεωθερμικής ενέργειας Η γεωθερμική ενέργεια χρησιμοποιείται σήμερα για την επίτευξη δυο βασικών σκοπών, την παραγωγή ηλεκτρισμού και την παραγωγή θερμότητας ή την άμεση χρήση όπως αλλιώς ονομάζεται. Η παραγωγή ηλεκτρισμού από τη γεωθερμία, είναι μια διαδικασία που αναπτύσσεται σε βιομηχανικό επίπεδο, εκμεταλλευόμενη πηγές υψηλής ενθαλπίας. Από την άλλη πλευρά η άμεση αξιοποίηση της γεωθερμίας είναι μια πιο απλή και λιγότερο δαπανηρή διαδικασία που εφαρμόζεται για την θέρμανση διάφορων χώρων, σε μεγάλο βαθμό και στον οικιστικό τομέα. 88

89 04 (i) Παραγωγή ηλεκτρισμού Η χρήση της γεωθερμικής ενέργειας για παραγωγή ηλεκτρισμού έχει διαδοθεί αρκετά καθώς υπάρχει μια σειρά παραγόντων που την καθιστούν ελκυστική και αποδοτική. Σε χώρες του κόσμου όπου διατίθενται πολλές εναλλακτικές πηγές για την παραγωγή ηλεκτρισμού, συμπεριλαμβανόμενης και της γεωθερμίας, αυτή προτιμάται έναντι των άλλων καθώς όπως αναφέρθηκε δεν μπορεί να μεταφερθεί σε μακρινές αποστάσεις προς πώληση. Παράλληλα επιτρέπεται η αξιοποίηση των συμβατικών καυσίμων τα οποία είναι πιο δυσεύρετα, για ανώτερους και καλύτερους σκοπούς από την παραγωγή ηλεκτρισμού. Επιπρόσθετα ο γεωθερμικός ατμός αποτελεί μια ελκυστική εναλλακτική λύση παραγωγής ηλεκτρισμού λόγω του ότι αποτελεί μια πηγή ανανεώσιμη αλλά και λόγω των διαφόρων περιβαλλοντικών οφελών. Η διεργασία που χρησιμοποιείται για την ηλεκτροπαραγωγή από γεωθερμία, ποικίλει ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της πηγής. Η θερμότητα μπορεί να προέρχεται από γεωθερμικά γκάιζερ πού φθάνουν με φυσικό τρόπο ως την επιφάνεια της γης ή με κάποια γεώτρηση στον φλοιό της γης σε περιοχές που η θερμότητα βρίσκεται αρκετά κοντά στην επιφάνεια. Αυτές οι πηγές είναι συνήθως από μερικές εκατοντάδες μέτρα μέχρι και τα 3000 μέτρα κάτω από την επιφάνεια της γης. Ο θερμός ατμός σε αυτή την περίπτωση φτάνει στην επιφάνεια με πίεση, με δυνατό θόρυβο και με ταχύτητα που μπορεί να αγγίζει τα 1000 χλμ/ ώρα και στη συνέχεια αξιοποιείται για την τελική παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Ο ατμός αυτός που αντλείται από το εσωτερικό της γης, μπορεί να είναι απαλλαγμένος από υγρασία(ξηρός ατμός) αλλά μπορεί και να είναι υγρός(εμπεριέχει υγρασία) ανάλογα με τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά και τον σχηματισμό της γεωθερμικής πηγής. Η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικού ρεύματος δεν επηρεάζεται από αυτό το κριτήριο. Η μόνη διαφορά στην περίπτωση που ατμός εμπεριέχει υγρασία είναι ο αρχική απαλλαγή του από αυτήν, πριν την εκμετάλλευση του. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από γεωθερμικά ρευστά μπορεί να λαμβάνει χώρα σε μονάδες που λειτουργούν είτε με ατμοστρόβιλους ή με δυαδικό κύκλου, ανάλογα με τα χαρακτηριστικά του γεωθερμικού πόρου. a) Ατμοστρόβιλοι (ηλεκτροπαραγωγοί στρόβιλοι) Οι συμβατικοί ατμοστρόβιλοι χρησιμοποιούνται σε ρευστά που έχουν θερμοκρασίες τουλάχιστον 150C. Αρχικά o ατμός καθαρίζεται από τα άλλα αέρια που μπορεί να εμπεριέχει (φιλτράρεται) και στη συνέχεια διοχετεύεται στους ηλεκτροπαραγωγούς στροβίλους. Αυτοί οι μηχανισμοί, μετατρέπουν αρχικά την γεωθερμική ενέργεια σε μηχανική και στη συνέχεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Για τη μεταφορά των ρευστών από τις γεωτρήσεις στους στροβίλους χρησιμοποιούνται θερμομονωτικές σωληνώσεις, για να αποφεύγεται η απώλεια θερμοκρασίας, οι οποίες και δεν υφίσταται εύκολα διάβρωση. Οι μονάδες αυτές μπορούν να λειτουργούν με συμπυκνωτές(συμπυκνωτών ή condensing type) ή χωρίς. Ο ρόλος των συμπυκνωτών είναι η διατήρηση της πίεσης σε μια χαμηλή σταθερή τιμή. Σε αντίθετη περίπτωση (ατμοσφαιρικής εκτόνωσης ή back pressure type), η διαδικασία είναι φθηνότερη, αλλά η κατανάλωση ατμού ανά παραγόμενη κιλοβατώρα είναι περίπου διπλάσια από αυτήν σε μια μονάδα με συμπυκνωτές. Οι μονάδες με συμπυκνωτές, εξαιτίας του ότι συνοδεύονται από περισσότερο βοηθητικό εξοπλισμό, είναι πιο περίπλοκες στο σχεδιασμό τους και χρειάζονται διπλάσιο χρόνο κατασκευής και εγκατάστασης. Όμως, η κατανάλωση ατμού είναι όπως αναφέρθηκε, περίπου μισή σε σχέση με την περίπτωση των ατμοστροβίλων ατμοσφαιρικής εκτόνωσης. 89

90 04 παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος με ατμοστρόβιλο b) Δυαδικού κύκλου Στην παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από ρευστά χαμηλής και μέσης θερμοκρασίας εφαρμόζεται η τεχνολογία των δυαδικών ρευστών. Σε τέτοιου τύπου εγκαταστάσεις χρησιμοποιείται ένα δευτερεύον οργανικό ρευστό(πχ ισοπετάνιο), το οποίο έχει χαμηλό σημείο ζέσεως και υψηλή τάση ατμών σε χαμηλές θερμοκρασίες, αν συγκριθεί με τον υδάτινο ατμό. Το γεωθερμικό ρευστό προσφέρει στην περίπτωση αυτή θερμότητα στο δευτερεύον υγρό μέσω εναλλακτών θερμότητας, οπότε το τελευταίο εξατμίζεται και ο ατμός που παράγεται κινεί έναν κανονικό στρόβιλο. Στη συνέχεια επαναψύχεται και συμπυκνώνεται, οπότε η διαδικασία γίνεται ένας κύκλος (κύκλος Rankine). Εάν γίνει σωστή επιλογή του δευτερεύοντος ρευστού, τα δυαδικά συστήματα μπορούν να σχεδιαστούν με τέτοιο τρόπο ώστε να αξιοποιούν γεωθερμικά ρευστά με θερμοκρασία που κυμαίνεται μεταξύ C. Το ανώτερο όριο εξαρτάται από τη θερμική σταθερότητα του οργανικού ρευστού και το κατώτατο όριο από οικονομοτεχνικούς παράγοντες. παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος δυαδικού κύκλου 90

91 04 Γενικότερα, ο βαθμός απόδοσης των συστημάτων ηλεκτροπαραγωγής είναι ακόμη αρκετά χαμηλός, καθώς σε μέγιστη τιμή φτάνει μόνο το 12%. Παρόλα αυτά η οικονομική αποδοτικότητα τους, συνεχίζει να παραμένει υψηλότερη από εκείνη της χρήσης συμβατικών θερμικών μονάδων. Αξίζει να σημειωθεί πως αρκεί μια και μόνο γεώτρηση ξερού ατμού για να τροφοδοτήσει ένα στρόβιλο μετατροπής ενέργειας ισχύος μέχρι και 10 MW και να δώσει περίπου 80 εκ. Κιλοβατώρες ηλεκτρικού ρεύματος το χρόνο. Η εγκατεστημένη ισχύς των γεωθερμικών μονάδων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στον κόσμο ανέρχεται σήμερα σε ΜW περίπου. (ii) Άμεση χρήση Η άμεση χρήση της θερμότητας των γεωθερμικών ρευστών για διάφορους σκοπούς, είναι η παλαιότερη, η πιο πολύπλευρη και η πλέον συνηθισμένη μορφή αξιοποίησης της γεωθερμικής ενέργειας. Στη περίπτωση αυτή, αξιοποιούνται γεωθερμικές πηγές μέσης και χαμηλής ενθαλπίας αλλά και η αβαθής γεωθερμία, όπου η θερμοκρασία των ρευστών είναι σημαντικά χαμηλότερη. Αναλυτικότερα η εφαρμογή αυτή της γεωθερμικής ενέργειας, εκμεταλλεύεται άμεσα τις θερμές μάζες του εδάφους ή των υπόγειων υδάτων με σκοπό διάφορες εφαρμογές. Ιδιαίτερης σημασίας είναι οι εφαρμογές θέρμανσης και ψύξης κτηρίων αλλά και διάφορες άλλες όπως αγροτικές εφαρμογές, υδατοκαλλιέργειες και κάποιες βιομηχανικές χρήσεις. a) Θέρμανση και ψύξη χώρων Ο γεωθερμικός κλιματισμός (θέρμανση και ψύξη) χώρων πραγματοποιείται μέσω της τεχνολογίας των γεωθερμικών αντλιών θερμότητας (heat pumps). γεωθερμικές αντλίες : Παράδειγμα μορφής 91

92 04 Εκμεταλλεύονται δηλαδή τη φυσική θερμότητα της γης προκειμένου να επιτύχουν ενεργειακά αποδοτική θέρμανση και ψύξη του κτηρίου και είναι από τις πλέον αποδοτικές ενεργητικές τεχνολογίες στον κόσμο. Ουσιαστικά λειτουργούν με τρόπο ανάλογο μιας ψυκτικής μηχανής. Κάθε ψυκτική συσκευή (aircondition, ψυγείο, καταψύκτης κλπ) παίρνει θερμότητα από ένα χώρο που πρέπει να παραμείνει σε χαμηλή θερμοκρασία και την απελευθερώνει σε υψηλότερες θερμοκρασίες. Η διαφορά της αντλίας θερμότητας από μια ψυκτική μονάδα εντοπίζεται στην δυνατότητα αντιστρέψιμης λειτουργίας, δηλαδή στην ικανότητά τους να παρέχουν τόσο ψύξη όσο και θέρμανση στο χώρο. Για τη λειτουργία των αντλιών θερμότητας απαιτείται βέβαια κάποια δαπάνη ενέργειας οπότε για να είναι θετική η ενεργειακή ισορροπία πρέπει να προηγηθεί ένας σωστός σχεδιασμός, ανάλογα με τις ανάγκες που καλείται να καλύψει. θερμαντικό σώμα και ενδοδαπέδια θέρμανση Σημαντικό κομμάτι του τομέα θέρμανσης χώρων με αντλίες θερμότητας αποτελεί η διαδικασία της τηλεθέρμανσης. Στην εφαρμογή αυτή η ενέργεια θέρμανσης μεταφέρεται προς κατανάλωση υπό μορφή ζεστού νερού και μέσω μονωμένων σωλήνων, από την μονάδα της τηλεθέρμανσης, στα κτίρια. Στην μονάδα της τηλεθέρμανσης βρίσκεται εγκατεστημένος όλος ο κατάλληλος εξοπλισμός, ο οποίος περιλαμβάνει έναν εναλλάκτη θερμότητας (γεωεναλλάκτης), ένα θερμιδομετρητή και το σύστημα σωληνώσεων με τα απαραίτητα όργανα ελέγχου. Μέσω του εναλλάκτη θερμότητας το ζεστό νερό του δικτύου, ζεσταίνει ένα δευτερεύον υγρό(επίσης νερό συνήθως) το οποίο θα κυκλοφορήσει τελικά στο κτήριο(πχ μέσω καλοριφέρ). Στην συνέχεια θα γίνει αποβολή θερμότητας και πάλι μέσω του εναλλάκτη θερμότητας και το υγρό θα ψυχθεί και θα αντληθεί πάλι από την μονάδα της τηλεθέρμανσης για να αναθερμανθεί και να συνεχίσει τον κύκλο του. Τα γεωθερμικά συστήματα τηλεθέρμανσης είναι έντασης κεφαλαίου, δηλαδή απαιτούν μεγάλα αρχικά κεφάλαια. Το κύριο κόστος αφορά την αρχική επένδυση για την κατασκευή των γεωτρήσεων παραγωγής και επανεισαγωγής, την αγορά των συστημάτων άντλησης και μεταφοράς των ρευστών, την κατασκευή των δικτύων και των σωληνώσεων, την προμήθεια του εξοπλισμού ελέγχου και παρακολούθησης των εγκαταστάσεων, την κατασκευή των σταθμών διανομής και των δεξαμενών αποθήκευσης. Παρόλα αυτά, όλα τα λειτουργικά έξοδα, είναι σημαντικά μικρότερα σε σύγκριση με αυτά μιας συμβατικής μονάδας. 92

93 04 γεωεναλλάκτες διαφόρων μορφών b) Λοιπές εφαρμογές (αγροτικές εφαρμογές, υδατοκαλλιέργειες) Οι αγροτικές εφαρμογές της γεωθερμίας συνίστανται κυρίως στις ανοικτές καλλιέργειες και τη θέρμανση θερμοκηπίων. Το θερμό νερό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στις ανοικτές καλλιέργειες για την άρδευσή τους και/ ή τη θέρμανση του εδάφους. Κατά την άρδευση με χλιαρό νερό θα πρέπει οι μεγάλες ποσότητες νερού να έχουν θερμοκρασία τόσο χαμηλή, ώστε να μην προκαλούν ζημιές στις αρδευόμενες καλλιέργειες. Η θέρμανση του εδάφους με υπεδάφιους σωλήνες χωρίς την ύπαρξη του αρδευτικού συστήματος θα προκαλούσε μείωση της θερμικής αγωγιμότητάς του, εξαιτίας της μείωσης της υγρασίας γύρω από τους σωλήνες, και κατ επέκταση θα οδηγούσε σε θερμική μόνωση. Μια βέλτιστη λύση αποτελεί ο συνδυασμός θέρμανσης εδάφους και άρδευσης. Η γεωθερμία βρίσκει εφαρμογή και στον τομέα των υδατοκαλλιεργειών. Ο έλεγχος της θερμοκρασίας εκτροφής των ειδών αυτών είναι πολύ πιο σημαντικός σε σχέση με τα είδη που αναπτύσσονται στην ξηρά. Διατηρώντας με τεχνητά μέσα τη θερμοκρασία σε βέλτιστα επίπεδα, καθίσταται δυνατή η εκτροφή των ειδών, η βελτίωση της παραγωγής ή ακόμη και ο διπλασιασμός του αναπαραγωγικού κύκλου σε μερικά είδη. Το μέγεθος των εγκαταστάσεων εξαρτάται από την αρχική θερμοκρασία των ρευστών, τη θερμοκρασία που απαιτείται στις δεξαμενές εκτροφής και από τις θερμικές απώλειες των τελευταίων. Τα γεωθερμικά ρευστά, σε ολόκληρο το θερμοκρασιακό τους εύρος, είτε πρόκειται για ατμό είτε για νερό, μπορούν να αξιοποιηθούν και σε βιομηχανικές εφαρμογές. Οι διάφορες δυνατές μορφές αξιοποίησης περιλαμβάνουν θέρμανση κατά τη διεργασία, εξάτμιση, ξήρανση, απόσταξη, αποστείρωση, πλύσιμο, λιώσιμο πάγων και ανάκτηση αλάτων. Άλλα συγκεκριμένα παραδείγματα βιομηχανικών εφαρμογών είναι η εμφιάλωση νερού και ανθρακούχων ποτών, η παραγωγή χαρτιού, τμημάτων αυτοκινήτων, η ανάκτηση λαδιού, η παστερίωση γάλακτος, η χρήση στη βυρσοδεψία, η χημική ανάκτηση προϊόντων, η παραγωγή με διαχωρισμό του CO2, η χρήση σε πλυντήρια, η ξήρανση γης διατόμων, η επεξεργασία πολτού και χαρτιού και η παραγωγή βορικών αλάτων και βορικού οξέος. 93

94 04 θέρμανση θερμοκηπίου με γεωθερμία και μηχανή ξήρανσης βαμβακιού με γεωθερμία Γεωθερμικές αντλίες θερμότητας στον οικιστικό τομέα Ειδικότερα στο επίπεδο της οικίας έχουμε χρήση αβαθούς και γεωθερμικής ενέργειας χαμηλής ενθαλπίας, σε αρκετά χαμηλές θερμοκρασίες της τάξης των 40C. Ο σκοπός χρήσης είναι ο κλιματισμός χώρων(θέρμανση και ψύξη) ενώ η τεχνολογία που εφαρμόζεται είναι όπως προαναφέρθηκε, οι γεωθερμικές αντλίες θερμότητας (ΓΑΘ). Στις εφαρμογές θέρμανσης οι ΓΑΘ μεταφέρουν τη φυσική θερμότητα της γης στο κτήριο μέσω νερού που κυκλοφορεί σε κλειστούς πλαστικούς σωλήνες που εισάγονται στο έδαφος. Σε εφαρμογές ψύξης μεταφέρουν αντίστοιχα τη θερμότητα του κτηρίου στη γη ψύχοντας έτσι το πρώτο. Ουσιαστικά δηλαδή το ίδιο πλαστικό σύστημα χρησιμοποιείται το καλοκαίρι όπως και το χειμώνα, απλά αλλάζει η κατεύθυνση κίνησης του νερού. Τα συστήματα ΓΑΘ διακρίνονται σε δυο επιμέρους κατηγορίες με βάση τον τρόπο εγκατάστασης και λειτουργίας τους στα ανοιχτά και κλειστά συστήματα. (i) Ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα Τα ανοιχτά γεωθερμικά συστήματα είναι αυτά που εκμεταλλεύονται την παρουσία υπόγειου η επιφανειακού υδροφόρου ορίζοντα. Βασική προϋπόθεση λοιπόν για την σωστή λειτουργία του συστήματος είναι η πλούσια, συνεχή και σταθερή υδροφορία. 94

95 04 Ένα ανοικτό γεωθερμικό σύστημα αποτελείται από δύο γεωτρήσεις(υδρογεωτρήσεις) την παραγωγική και την γεώτρηση επανεισαγωγής. Η πρώτη είναι υπεύθυνη για την άντληση του νερού από τον υδροφόρο ορίζονται ενώ η δεύτερη επιτελεί την αντίστροφη λειτουργία του εμπλουτισμού, επιστρέφοντας ολόκληρη την ποσότητα νερού που αντλήθηκε στην υδροφορία από όπου προήλθε. Εκτός από το κύκλωμα των γεωτρήσεων ένα ανοιχτό σύστημα αποτελείται από την γεωθερμική αντλία θερμότητας και στο σύστημα διανομής του ενεργειακού φορτίου στον κλιματιζόμενο χώρο. Τα ανοικτά συστήματα παρουσιάζουν τη δυνατότητα μεγάλης θερμικής ικανότητας σε σχετικά μικρό κόστος, οι γεωτρήσεις χρειάζονται μερική συντήρηση ενώ κρίνονται αντιοικονομικά όταν το βάθος ανόρυξης είναι αρκετά μεγάλο. (ii) Κλειστά γεωθερμικά συστήματα Τα κλειστά γεωθερμικά συστήματα είναι αυτά που εκμεταλλεύονται την θερμοκρασία των γεωλογικών σχηματισμών και εγκαθίστανται σε περιοχές όπου η υπόγεια και η επιφανειακή υδροφορία είναι ανύπαρκτη ή οικονομικά ασύμφορη. Στην περίπτωση αυτή το κύκλωμα των υδρογεωτρήσεων αντικαθίσταται με γεω-συλλέκτες. Οι γεω-συλλέκτες είναι εύκαμπτοι σωλήνες οι οποίοι μεταφέρουν το ενεργειακό φορτίο από και προς το έδαφος. Το σύστημα περιλαμβάνει και σε αυτή την περίπτωση μία αντλία θερμότητας και το σύστημα διανομής της θερμότητας. Τα κλειστά συστήματα με τη σειρά τους διαχωρίζονται σε δυο διαφορετικές διατάξεις, στα οριζόντια και στα κάθετα. Τα οριζόντια κλειστά συστήματα είναι τα πιο εύκολα γεωθερμικά συστήματα στην εγκατάσταση. Όμως απαιτούν αρκετό χώρο για την εγκατάσταση τους. Οι σωλήνες τοποθετούνται μέχρι και ένα μέτρο κάτω από το έδαφος είτε σε σειρά είτε σε παράλληλη διάταξη. Η κύρια πηγή ενέργειας σε αυτά τα συστήματα είναι η ακτινοβολία του ήλιου στην επιφάνεια της γης. Για αυτό το λόγο, εκεί που τοποθετούνται οι οριζόντιοι συλλέκτες δεν πρέπει να καλύπτεται με μπετό ή φυτά που δημιουργούν σκίαση. Τα κάθετα κλειστά συστήματα βασίζονται στο ότι η θερμοκρασία του εδάφους μετά από ορισμένο βάθος παραμένει σταθερή καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου ανεξαρτήτως των καιρικών συνθηκών που επικρατούν στην επιφάνεια. Στην περίπτωση των κάθετων συστημάτων, τοποθετούνται σωλήνες πολυαιθυλενίου ή πολυπροπυλενίου. Σημαντικό ρόλο παίζουν η γεωλογική σύσταση του εδάφους και οι φυσικό-χημικές ιδιότητες που την αποτελούν. Ο σχεδιασμός του ενός ατομικού συστήματος είναι εύκολος, όταν όμως πρέπει να σχεδιαστεί ένα σύστημα σε περιοχή που υπάρχουν είδη εγκατεστημένα τέτοια συστήματα θέλει ιδιαίτερη προσοχή στον προσδιορισμό της θερμικής ικανότητας του εδάφους. ανοιχτό γεωθερμικό σύστημα 95

96 04 κλειστά γεωθερμικά συστήματα: οριζόντιο και κάθετο 4.7 Ενέργεια από Βιομάζα Με τον όρο βιομάζα ονομάζουμε οποιοδήποτε υλικό παράγεται από οργανική ύλη. Ξύλα, υπολείμματα καλλιέργειας, υπολείμματα δασικών εκτάσεων, ενεργειακές καλλιέργειες, κτηνοτροφικά απόβλητα ή απόβλητα βιομηχανιών τροφίμων, αποτελούν παραδείγματα βιομάζας που δύναται να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ενέργειας. Η χρήση της βιομάζας για ενεργειακούς σκοπούς ξεκίνησε από τη στιγμή που ο άνθρωπος ανακάλυψε τη φωτιά. Για εκατομμύρια χρόνια οι άνθρωποι έκαιγαν ξύλα για να θερμάνουν το σπίτι τους και να μαγειρέψουν την τροφή τους. Στις μέρες μας, η βιομάζα μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο διαφόρων μορφών, είτε απευθείας είτε αφού προηγουμένως μετατραπεί σε υγρό, αέριο ή στερεό καύσιμο με τη χρήση κατάλληλων τεχνολογιών. Τα καύσιμα αυτά βρίσκουν διάφορες εφαρμογές, από τη θέρμανση του σπιτιού, την κίνηση ενός αυτοκινήτου μέχρι την λειτουργία ενός υπολογιστή ή ακόμα και ενός εργοστασίου. 96

97 04 Παραδείγματα φυσικού εξαερισμού σε κτήρια παραδείγματα βιομάζας : Κλαδέματα ελιάς, στελέχη βαμβακιού, καλάμια Γενικά χαρακτηριστικά Η βιομάζα δεν είναι τίποτε άλλο από τον φυσικό τρόπο αποθήκευσης της ηλιακής ενέργειας. Η ενέργεια δηλαδή που είναι δεσμευμένη στις φυτικές ουσίες που περιγράφηκαν παραπάνω προέρχεται από τον ήλιο. Με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, τα φυτά μετασχηματίζουν την ηλιακή ενέργεια σε βιομάζα, ενώ οι ζωικοί οργανισμοί προσλαμβάνουν αυτή την ενέργεια με την τροφή τους και αποθηκεύουν ένα μέρος της.αυτή ακριβώς είναι η ενέργεια που αποδίδει τελικά η βιομάζα, μετά την επεξεργασία και τη χρήση της. Αποτελεί την μόνη φυσικά ευρισκόμενη πηγή ενέργειας που εμπεριέχει άνθρακα, και που τα αποθέματά της είναι αρκετά, ώστε να μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως υποκατάστατο των ορυκτών καυσίμων και αντίθετα από αυτά, η βιομάζα είναι μπορεί να ανανεώνεται και για την αναπλήρωση της, απαιτείται μόνο μια σύντομη χρονική περίοδος. Νερό + Διοξείδιο του άνθρακα + Ηλιακή ακτινοβολία = Γλυκόζη + Οξυγόνο 97

98 04 Σαν υλικό, χαρακτηρίζεται από πολυμορφία, χαμηλό ενεργειακό περιεχόμενο, σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα, λόγω κυρίως της χαμηλής της πυκνότητας και της υψηλής περιεκτικότητας σε νερό. Η χημική σύσταση της βιομάζας μπορεί να ποικίλει ανάλογα με το είδος προέλευσης της. Τα περισσότερα φυτά για παράδειγμα εμπεριέχουν περίπου 25% λιγνίνη και 75% υδρογονάνθρακες ή ζάχαρη. Το τμήμα των υδρογονανθράκων περιέχει πολλά μόρια σακχάρων συνδεδεμένων μεταξύ τους σε μεγάλες αλυσίδες ή πολυμερή ενώ αυτό της λιγνίνης αποτελείται από μη σακχαρούχα μόρια. Η αξιοποίηση της βιομάζας μπορεί να γίνει με τη μετατροπή της σε μεγάλη ποικιλία προϊόντων, με διάφορες μεθόδους και τη χρήση σχετικά απλής τεχνολογίας, ενώ κατά την παραγωγή και την μετατροπή της δεν δημιουργούνται οικολογικά και περιβαλλοντολογικά προβλήματα. (i) Πλεονεκτήματα και Μειονεκτήματα Η καύση της βιομάζας έχει μηδενικό ισοζύγιο διοξειδίου του άνθρακα (CO2). Αυτό πρακτικά σημαίνει ότι δεν συνεισφέρει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου και συμβαίνει επειδή οι ποσότητες του διοξειδίου του άνθρακα (CO2) που απελευθερώνονται κατά την καύση της βιομάζας δεσμεύονται και πάλι από τα φυτά για τη δημιουργία της. Η μηδαμινή ύπαρξη του θείου στη βιομάζα είναι ακόμη ένα θετικό χαρακτηριστικό της και συμβάλλει σημαντικά στον περιορισμό των εκπομπών του διοξειδίου του θείου (SO2), που είναι σε μεγάλο βαθμό υπεύθυνο για ένα καταστροφικό για το περιβάλλον φαινόμενο, την όξινη βροχή. Η ενεργειακή αξιοποίηση της βιομάζας σε μια περιοχή από την άλλη πλευρά, αυξάνει την απασχόληση στις αγροτικές περιοχές με τη χρήση εναλλακτικών καλλιεργειών, οι οποίες μπορούν να περιλαμβάνουν διάφορα είδη ελαιοκράμβης, σόργο, καλάμια ή κενάφ. Επίσης οδηγεί στη δημιουργία εναλλακτικών αγορών για τις παραδοσιακές καλλιέργειες όπως ο ηλίανθος και στη συγκράτηση του πληθυσμού στις εστίες τους, συμβάλλοντας έτσι στη κοινωνικό-οικονομική ανάπτυξη της περιοχής. Όσον αφορά τα αρνητικά στοιχεία της βιομάζας συνοψίζονται στα εξής. Η βιομάζα χαρακτηρίζεται από εποχικότητα στην παραγωγή και μεγάλη τοπική διασπορά. Τα χαρακτηριστικά αυτά συνεπάγονται πρόσθετες, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα, ιδιαιτερότητες που δυσχεραίνουν τη συλλογή, μεταφορά και την αποθήκευσή αλλά και τη συνεχή τροφοδοσία με πρώτη ύλη, των μονάδων ενεργειακής αξιοποίησης της βιομάζας. Σαν συνέπεια το κόστος μετατροπής της σε πιο εύχρηστες μορφές ενέργειας παραμένει σχετικά υψηλό. Επίσης ο αυξημένος όγκος της και η μεγάλη περιεκτικότητα της σε υγρασία, σε σχέση με τα ορυκτά καύσιμα δυσχεραίνουν την διαδικασία της ενεργειακής αξιοποίησης της. Τέλος, οι σύγχρονες και βελτιωμένες τεχνολογίες μετατροπής της βιομάζας απαιτούν σχετικά υψηλό κόστος εξοπλισμού, συγκρινόμενες πάντα με αυτό των συμβατικών καυσίμων Χρήσεις και μορφές βιομάζας Η βιομάζα αποτελεί μια ευέλικτη μορφή πρώτης ύλης καθώς μπορεί να υποστεί επεξεργασία με διαφορετικούς τρόπους, ώστε τελικά να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή διαφορετικών μορφών ενέργειας. Αναλυτικότερα, ανάλογα με την τελική εφαρμογή αξιοποίησης της, θα υποστεί μια σειρά από διαδικασίες που θα αλλάξουν τόσο τη μορφή όσο και τις ιδιότητες της. Για τον λόγο αυτό έχουν υιοθετηθεί και διαφορετικοί όροι για την περιγραφή της μορφής βιομάζας που θα αξιοποιηθεί τελικά, βασισμένοι στην εκάστοτε διαδικασία επεξεργασίας. 98

99 04 σχεδιάγραμμα αξιοποίησης βιομάζας για παραγωγή ενέργειας (i) Κατεργασμένη και ακατέργαστη μορφή Μια πρώτη κατηγοριοποίηση της βιομάζας γίνεται με βάση την αρχική μορφή της. Σύμφωνα με το κριτήριο αυτό η βιομάζα διακρίνεται σε δυο βασικές κατηγορίες, στην κατεργασμένη μορφή και στην ακατέργαστη. a) Συσσωματώματα και θρύμματα Στην κατηγορία της κατεργασμένης μορφής εμπεριέχονται τα διάφορα φυτικά υλικά τα οποία έχουν υποστεί κάποιο είδος τεχνικής επεξεργασίας πριν την είσοδο τους σε διαδικασίες επεξεργασίας για την παραγωγή οποιασδήποτε μορφής ενέργειας. Οι βασικότεροι τύποι τέτοιων υλικών που χρησιμοποιούνται σήμερα είναι τα συσσωματώματα βιομάζας (pellets) και τα θρύμματα. συσσωματώματα βιομάζας (pellets) και θρύμματα αντίστοιχα 99

100 04 Τα συσσωματώματα βιομάζας είναι ένα τυποποιημένο κυλινδρικό βιολογικό καύσιμο, το οποίο παρασκευάζεται με την συμπίεση ξερών πριονιδιών και τεμαχιδίων, από καθαρά υπολείμματα ξύλου βιομηχανιών επεξεργασίας ξύλου. Στην παραγωγική διαδικασία δεν χρησιμοποιούνται κόλλες ή χημικά πρόσθετα μόνο υψηλή πίεση και ατμός. Σε μερικές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται και βιολογικά πρόσθετα στην πρόσμιξη, όπως πατάτα, καλαμπόκι ή υγρά από την χαρτοβιομηχανία σε πολύ μικρά ποσοστά της τάξης του 3%. Παράλληλα εξελίσσονται διάφορες έρευνες που αφορούν την δυνατότητα χρήσης ως πρώτη ύλη, υπολειμμάτων αγροτικών καλλιεργειών, καθώς και νέες καλλιέργειες ενεργειακών φυτών. Έχουμε δηλαδή αξιοποίηση αποκλειστικά φυτικής προέλευσης υλικών, χωρίς την παραμικρή προσθήκη χημικών ουσιών, τα οποία κατά την καύση τους απελευθερώνουν ουσιαστικά όσο διοξείδιο του άνθρακα έχουν απορροφήσει κατά τη διάρκεια της ζωής τους και δεν επιβαρύνουν το περιβάλλον. Τα συσσωματώματα λόγω του κυλινδρικού τους σχήματος, του μικρού μεγέθους και της στιλπνής επιφάνειας τους, συμπεριφέρονται όπως ένα υγρό διευκολύνοντας την μεταφορά τους και την αυτόματη τροφοδοσία του συστήματος στο οποίο θα γίνει η καύση. Η διάμετρος τους κυμαίνεται στα 6-8 χιλιοστά, το μήκος τους είναι γύρω στο 1 εκατοστό και το χρώμα που έχουν εξαρτάται από την πρώτη ύλη που θα χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή τους. Τέλος, είναι ουσιώδες συσσωματώματα να μην εμπεριέχουν άλλα συστατικά ή προσμίξεις, γιατί αυξάνεται σημαντικά η ποσότητα της στάχτης κατά την καύση και συνεπώς δημιουργούνται λειτουργικά προβλήματα στην εκάστοτε μηχανή καύσης (λέβητας). Τα θρύμματα από την άλλη πλευρά είναι μικρά τεμάχια ξύλου με μήκος που κυμαίνεται από 5-50 χιλιοστά. Ανάλογα με το υλικό προέλευσης τους διακρίνονται σε τρεις κύριους τύπους. Τα θρύμματα από δασικά υπολείμματα όπως θρύμματα από κλαδιά και κορυφές των δέντρων ή από ολόκληρα δέντρα μετά από αραίωμα. Τα θρύμματα αυτής της κατηγορίας είναι τα μεγαλύτερα σε μέγεθος και προορίζονται συνήθως για μεγάλες μηχανές καύσης όπως λέβητες. Επίσης θρύμματα συλλέγονται από πριονιστήρια, ως υπολείμματα κατεργασίας του ξύλου. Έχουν πολύ καλές ιδιότητες καύσης και χρησιμοποιούνται επίσης σε μεγάλες μηχανές καύσης, καθώς είναι ακατάλληλα για μικρές λόγω της αρκετά έντονης υγρασίας που εμπεριέχουν. Τέλος υπάρχουν και τα θρύμματα από διαδικασίες αραιώματος δέντρων χωρίς όμως τα φύλλα και τα κλαδιά. Στην περίπτωση αυτή τα δέντρα αφήνονται να ξηραθούν πριν το θρυμμάτισμα. Το τελικό προϊόν εμπεριέχει συνήθως 30% υγρασία και είναι ομοιόμορφο σε ποιότητα και μέγεθος. Γενικά η ποιότητα των θρυμμάτων εξαρτάται από την τεχνολογία παραγωγής τους, από τον τρόπο δηλαδή που αυτά τα φυτικά υλικά θα μετασχηματιστούν σε μορφή κατάλληλη για καύση. b) Ακατέργαστη μορφή Στην κατηγορία αυτή αντίθετα ανήκουν όλα τα φυτικά υλικά τα οποία διατηρούνται στην πρωταρχική τους μορφή και επεξεργάζονται απευθείας για την παραγωγή διαφόρων μορφών ενέργειας. Παραλείπεται δηλαδή σε αυτή την κατηγορία το πρωταρχικό στάδιο της τεχνικής επεξεργασίας που υπάρχει στην κατεργασμένη βιομάζα. Τα υλικά αυτά είναι απλά φυτικά υποπροϊόντα όπως τα καυσόξυλα, τα πυρηνόξυλα(υποπροϊόν της ελιάς), τα σπασμένα κουκούτσια και οι φλοιοί καρπών. 100

101 04 (ii) Βιο-αέριο ακατέργαστες μορφές βιομάζας Το βιο-αέριο αποτελεί μια από της επεξεργασμένες μορφές της βιομάζας που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Μετά από διαδικασίες αναβάθμισης μπορεί επίσης να διοχετευθεί στο δίκτυο του φυσικού αερίου αλλά και να χρησιμοποιηθεί ακόμα και για την κίνηση των αυτοκινήτων. Παράγεται με διεργασίες αναερόβιας χώνευσης της βιομάζας. Αναλυτικότερα παράγεται από συγκεκριμένο γένος βακτηρίων, τα οποία με την απουσία οξυγόνου, αποσυνθέτουν τη βιομάζα και τελικά παράγεται καύσιμο σε αέρια μορφή. Το αέριο αυτό, αποτελείται κυρίως από μεθάνιο, διοξείδιο του άνθρακα και σε ελάχιστες ποσότητες περιέχει άζωτο, υδρογόνο, αμμωνία και υδρόθειο. Η σημαντική περιεκτικότητα μεθανίου (40% - 70%) είναι αυτή που το καθιστά κατάλληλο να χρησιμοποιηθεί ως καύσιμο για την παραγωγή ενέργειας. Αποτελεί μια «καθαρή» μορφή ενέργειας, δηλαδή, το συνολικό ισοζύγιο των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου που παράγεται κατά την καύση του βιο-αερίου, είναι ισοδύναμο αυτού που απορροφάται κατά την παραγωγή του, άρα δεν επιβαρύνει την ατμόσφαιρα. διαδικασία παραγωγής βιο-αερίου 101

102 04 (iii) Βιο-αιθανόλη Η αιθανόλη ή αιθυλική αλκοόλη ( C2H5OH ) είναι ένα άχρωμο διαυγές υγρό. Είναι βιοαποικοδομήσιμη, χαμηλής τοξικότητας και προκαλεί πολύ μικρή περιβαλλοντική μόλυνση αν χυθεί στο περιβάλλον. Κατά την τέλεια καύση της παράγεται διοξείδιο του άνθρακα και νερό. Παράγεται από συστατικά αμύλου και κυτταρίνης που βρίσκονται μέσα στη βιομάζα. Η πλέον συνήθης διαδικασία παραγωγής είναι μέσα από την αλκοολική ζύμωση της ζάχαρης. Οι κύριες πηγές ζάχαρης που απαιτούνται για την παραγωγή αιθανόλης προέρχονται από ενεργειακές καλλιέργειες, δηλαδή από καλλιέργειες που αναπτύσσονται ειδικά για ενεργειακούς σκοπούς. Οι καλλιέργειες αυτές μπορεί να είναι το σόργο, τα τεύτλα, το καλαμπόκι, το σιτάρι, τα άχυρα, το ξύλο ιτιάς και άλλων δέντρων, το πριονίδι, ο μίσχανθος, η άγρια αγκινάρα και διάφορες άλλες. Μπορεί επίσης να συντεθεί βιομηχανικά από την χημική αντίδραση του αιθυλενίου με ατμό ενώ βρίσκονται σε εξέλιξη και έρευνες σχετικά με την αξιοποίηση των στερεών αποβλήτων για την παραγωγή της. Η αιθανόλη είναι ένα καύσιμο υψηλού αριθμού οκτανίων και λόγω αυτής της ιδιότητας η χρήση της τοποθετείται στον τομέα των μεταφορών. Η τυπική βενζίνη αναμιγνύεται με τη βιο-αιθανόλη ώστε να αυξηθεί ο αριθμός οκτανίων της πρώτης και να μειωθούν βλαβερές για το περιβάλλον επιπτώσεις. Παράλληλα με την ανάμιξή αυτή εμπλουτίζεται το μείγμα σε οξυγόνο, με αποτέλεσμα μια πιο ολοκληρωμένη καύση, άρα και μειωμένες εκπομπές επικίνδυνων καυσαερίων. Πολλές αυτοκινητοβιομηχανίες αναπτύσσουν συστήματα μηχανών τα οποία δέχονται καύσιμα με υψηλά επίπεδα βιο-αιθανόλης στη προσπάθεια να μειώσουν την εκπομπές βλαβερών αερίων. διαδικασία παραγωγής βιο-αιθανόλης 102

103 04 (iv) Βιο-ντίζελ Το βιο-ντίζελ αποτελεί ακόμα μια επεξεργασμένη μορφή βιομάζας οι οποία παράγεται από φυτικά έλαια, όπως καλαμπόκι και λινάρι, ψηλά έλαια παραγόμενα από πολτοποιημένο ξύλο, δασοκομικά και αγροτικά κατάλοιπα αλλά και ζωικά λίπη. Η μέθοδος παραγωγής του που εφαρμόζεται παγκόσμια σε βιομηχανικό επίπεδο είναι μια βιοχημική διαδικασία που συνίσταται στην αντίδραση των τριγλυκεριδίων με κάποια αλκοόλη μικρού μοριακού βάρους. Τα τριγλυκερίδια αυτά αποτελούν το κύριο συστατικό, σε ποσοστό μέχρι και 98%, των φυτικών ελαίων και ζωικών λιπών. Ως αλκοόλη χρησιμοποιείται συνήθως η μεθανόλη λόγω του χαμηλού κόστους και των φυσικών και χημικών πλεονεκτημάτων που διαθέτει. Ειδικοί καταλύτες (βάσεις, οξέα και ένζυμα) βοηθούν την αντίδραση, η οποία πραγματοποιείται σε χαμηλές ή υψηλές θερμοκρασίες. Το βιο-ντίζελ μπορεί να χρησιμοποιείται ως υγρό καύσιμο σε μηχανές ανάλογου τύπου, αντικαθιστώντας, σε όσο το δυνατό μεγαλύτερο βαθμό, τα συμβατικά πετρελαϊκά προϊόντα, όπως την βενζίνη ή το ντίζελ. Ως προϊόν ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, είναι καθαρό, μη τοξικό και βιο-αποικοδομήσιμο καύσιμο, το οποίο είναι φυσικά φιλικό στο περιβάλλον. Αναλυτικότερα εμπεριέχει το στοιχείο του θείου, το οποίο είναι υπεύθυνο για την εκπομπή ρυπογόνων στοιχείων κατά την καύση του, σε πολύ μικρότερο, (σχεδόν μηδενικό) βαθμό από ότι το συμβατικό ντίζελ Επίσης, περιέχει αρκετό οξυγόνο, γεγονός που καθιστά την καύση του λιγότερο ατελή, με αποτέλεσμα η περιεκτικότητα των καυσαερίων σε βλαβερά στοιχεία όπως το μονοξείδιο του άνθρακα, οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες και η αιθάλη να είναι πολύ μικρότερη απ ότι στο συμβατικό ντίζελ. Τέλος, η καύση του βιοντίζελ δεν αυξάνει το επίπεδο του διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα (το οποίο είναι υπεύθυνο για το φαινόμενο του θερμοκηπίου), αφού η ποσότητα που απελευθερώνεται κατά την καύση αφομοιώνεται στη συνέχεια από τα φυτά κατά τη φωτοσύνθεση. διαδικασία παραγωγής βιο-ντίζελ Συστήματα καύσης βιομάζας στον οικιστικό τομέα Στον οικιστικό τομέα η χρήση της βιομάζας περιορίζεται στην καύση της για την θέρμανση χώρων και για την παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Τα συστήματα που χρησιμοποιούνται εδώ για την καύση της βιομάζας είναι οι σόμπες, το τζάκι ή κάποιο σύστημα κεντρικής θέρμανσης όπως ο λέβητας και αναλύονται παρακάτω. 103

104 04 (i) Σόμπες Η χρήση της σόμπας είναι ευρύτατα διαδεδομένη σήμερα κυρίως σε σπίτια κοντά στα οποία υπάρχουν μεγάλες ποσότητες βιομάζας, όπως στα αγροτικά από το κόψιμο δένδρων και κυρίως της ελιάς. Παλαιότερα η χρήση της σόμπας επαρκούσε για την θέρμανση μεμονωμένος κλειστών και σχετικά μικρών χώρων, περιορίζονταν δηλαδή στη θέρμανση κάποιου δωματίου. Σήμερα με την τεχνολογική εξέλιξη που πραγματοποιήθηκε διατίθενται στην αγορά σόμπες οι οποίες μπορούν να θερμαίνουν και μεγάλους, ενιαίους χώρους(πχ μεγέθους 100 τ.µ) σε μικρό χρόνο ή που μπορούν εκτός από την θέρμανση του χώρου που βρίσκονται να θερμαίνουν επίσης νερό για την κεντρική θέρμανση ή και για χρήση. σόμπες: παραδείγματα μορφών a) Απόδοση Οι σόμπες διατίθενται σε ευρεία ποικιλία διαστάσεων και σχεδίων. Όσον αφορά το κριτήριο της απόδοσης, διακρίνονται σε δυο βαθμίδες στις συμβατικές και σε αυτές της υψηλής απόδοσης. Οι συμβατικές σόμπες αποτελούν συνήθως σχετικά μικρές μονάδες, σχεδιασμένες για να θερμαίνουν μόνον έναν μικρό και κλειστό χώρο, ενώ οι υψηλής απόδοσης μεγαλύτερες αι ισχυρότερες και μπορούν να θερμαίνουν μέχρι και μεγάλα σπίτια. Η επιλογή μ&iot