Przynajmniej kilkukrotnie mniejsze zużycie energii, pozyskiwanie prądu z własnych źródeł, produkowanie ciepła wtedy, gdy jest najtańsze, by zmagazynować je na później, a do tego używanie wody z deszczówki do wszystkich domowych potrzeb – to tylko niektóre ze sposobów na radykalne zmniejszenie comiesięcznych rachunków.

Dzięki przedsięwzięciom Narodowego Centrum Badań i Rozwoju, realizowanym przy wsparciu Funduszy Europejskich w ramach Programu Inteligentny Rozwój, niemalże bezkosztowe w eksploatacji i samowystarczalne budynki przyszłości już wkrótce mogą stać się polską specjalnością. Z korzyścią nie tylko dla portfeli Polaków, lecz także klimatu i bezpieczeństwa energetycznego państwa.

Ceny za prąd i gaz z wielu powodów znacząco wzrosły. Jeśli przyjrzymy się tej sytuacji bliżej, można dojść do wniosku, że spora część wydatków jest zupełnie niepotrzebna. A jeśli przyjrzymy się jej naprawdę blisko, okaże się, że przyszłość może być zupełnie inna.

9 przedsięwzięć NCBR, czyli rozwiązanie problemu

Jak to zrobić? Wielki potencjał drzemie chociażby w budownictwie. Z jednej strony trzeba znacząco obniżyć zapotrzebowanie na energię w budynkach, a z drugiej – nie marnować tej, której użycie jest konieczne.

– Dom, który obniża zapotrzebowanie energetyczne do minimum, nie marnuje energii, magazynuje ją i wykorzystuje w optymalny sposób, to dom, który powinien być w przyszłości standardem. Nowoczesne i racjonalne podejście nie tylko do zarządzania energią elektryczną, lecz także ciepłem, chłodem i wodą, sprawi, że uzyskamy budynek niemalże bezkosztowy w eksploatacji i samowystarczalny. To nie tyle marzenie z odległej przyszłości, co realny cel już na najbliższe lata. Cel, który zamierza zrealizować Narodowe Centrum Badań i Rozwoju – mówi dr Remigiusz Kopoczek, p.o. dyrektor NCBR. – Dzięki finansowaniu z Funduszy Europejskich w ramach Programu Inteligentny Rozwój wspieramy dziewięć dużych przedsięwzięć badawczych. Duża część z nich może w znacznym stopniu obniżyć rachunki gospodarstw domowych, przedsiębiorstw czy budynków publicznych, jak choćby szkoły. Nowoczesne technologie w budownictwie to również większa niezależność i większe bezpieczeństwo energetyczne. Długofalowo to jedno z kluczowych zadań wynikających z troski o klimat, gdyż emisje związane z ciepłownictwem i zasilaniem budynków w energię elektryczną należą do największych źródeł emisji gazów cieplarnianych na świecie – zwraca uwagę.

Wojciech Racięcki, dyrektor Działu Rozwoju Innowacyjnych Metod Zarządzania Programami w NCBR, odpowiedzialnego za wdrażanie innowacyjnej formuły zamówień przedkomercyjnych, dodaje: – Planując nasze przedsięwzięcia, mieliśmy wizję wspierania działań na rzecz ochrony klimatu. Obecnie widzimy, że ich realizacja stała się jeszcze ważniejsza. Wszyscy obserwujemy, że w ostatnich tygodniach sytuacja polityczno-gospodarcza uległa zmianie. Dziś jeszcze wyraźniej widać, jakie znaczenie ma bezpieczeństwo energetyczne Polski i uniezależnienie gospodarki od surowców zewnętrznych. Im więcej nowoczesnych i inteligentnych technologii w energetyce, transporcie, budownictwie i innych sektorach, tym większa szansa na odejście od importu surowców energetycznych. I tym większa szansa na uniknięcie innych potencjalnych wstrząsów, związanych np. z łańcuchem dostaw – wskazuje Wojciech Racięcki.

Niskoemisyjna gospodarka, ograniczone zużycie zasobów, zmniejszone zapotrzebowanie na energię czy wreszcie wspieranie rozwoju polskich technologii to priorytety, które zwiększą naszą niezależność i nasze bezpieczeństwo.

W jaki sposób dokonają się oczekiwane zmiany? Konieczne jest równoległe spełnienie kilku warunków.

Po pierwsze: nie marnować ciepła

Zacznijmy od najważniejszego: efektywności energetycznej. Jak podaje Centrum Analiz Klimatyczno-Energetycznych, powołując się na dane GUS, nawet dwie trzecie wydatków na energię w Polsce przypada na ogrzewanie pomieszczeń. Jednym z najlepszych sposobów na zmianę tej sytuacji jest wymiana wentylacji z grawitacyjnej na mechaniczną. Dzięki temu zapotrzebowanie na ciepło w porównaniu do typowego budynku będzie można zmniejszyć mniej więcej o jedną trzecią. A w zimie – jeszcze więcej.

– Tam, gdzie jedyną wentylacją jest wentylacja grawitacyjna, a jedynym sposobem na przewietrzenie jest otwarcie okien, w miesiącach zimowych nawet do 60% energii cieplnej jest tracone – mówi dr Tomasz Rożek, popularyzator nauki, twórca strony „Nauka. To lubię”, który w 8 krótkich filmach informuje o działaniach Narodowego Centrum Badań i Rozwoju wpisujących się w strategię Europejskiego Zielonego Ładu.

Tradycyjna wentylacja grawitacyjna działa według praw fizyki. To po prostu zwykła kratka zamieszczona w kuchni czy łazience. – Przy wentylacji mechanicznej mamy obieg regulowany przez dwa wentylatory: nawiewny i wywiewny, a strumień może być regulowany w harmonogramie dziennym czy tygodniowym. Daje to duże oszczędności, bo wentylację można ustawić tak, aby pracowała tylko wtedy, gdy jest potrzebna – na przykład gdy ktoś przebywa w pokoju. Do tego dochodzi znaczący odzysk ciepła. Dzięki temu w przypadku zimnych dni nie nawiewamy do pomieszczenia mroźnego powietrza. Jeśli to usuwane ma temperaturę 20°C, to powietrze nawiewane nie będzie miało 2°C, ale 18°C. W ten sposób zapotrzebowanie na ciepło z centralnego ogrzewania będzie o wiele mniejsze – wyjaśnia dr inż. Mariusz Skwarczyński z NCBR, kierownik projektu „Wentylacja dla szkół i domów”.

Zarówno w przypadku mieszkań, jak i szkół opracowywana w ramach przedsięwzięcia wentylacja mechaniczna ma być zdecentralizowana. Oznacza to, że nie będzie konieczności przeznaczania specjalnego pomieszczenia na obsługę systemu, a każdą salę lekcyjną czy każde mieszkanie będzie można podpiąć osobno. Daje to praktyczne korzyści. W przypadku szkół dyrekcja placówki będzie mogła przekonać się do rozwiązania w mniejszej skali, a prace będą mniej uciążliwe i czasochłonne (w jeden dzień można zainstalować wentylację w jednej sali). W przypadku budynków wielorodzinnych, na przykład wspólnot mieszkaniowych, brak zgody jednego sąsiada nie zablokuje zaś możliwości instalacji wentylacji u innych.

Na przykładzie szkół można pokazać jeszcze jedną wymierną korzyść. Dziś, gdy dzieci wchodzą do sali lekcyjnej, poprzez emitowanie ciepła działają w pewien sposób jak mały grzejnik. Ten prawdziwy grzeje jednak wciąż równie mocno, co w trakcie przerwy, gdy sala jest pusta. W przypadku wentylacji mechanicznej czujniki wyczują, że po wejściu dzieci temperatura w sali lekcyjnej wzrosła, dlatego instalacja będzie pracować na mniejszych obrotach (podobnie będzie działać to w drugą stronę – jeśli na przykład w czerwcu pojawią się wyjątkowo gorące dni, system nie pozwoli, by do pomieszczeń wleciało zbyt ciepłe powietrze). Dodatkowo korzystanie z pompy powietrza będzie o wiele tańsze w eksploatacji i utrzymaniu niż tradycyjne grzejniki oparte na kotłowni węglowej czy gazowej.

Po drugie: wymienić źródła ogrzewania

Wymiana źródeł ogrzewania to zresztą kolejny kluczowy aspekt w przedsięwzięciach NCBR. Obecnie około 80% wszystkich systemów ciepłowniczych w Polsce nie jest efektywnych. Jak wynika z danych GUS, na ponad 5,5 miliona budynków zamieszkałych w naszym kraju ponad 5 milionów to domy jednorodzinne. Kotły i piece na paliwa stałe znajdują się w 3 milionach z nich. Tak być nie musi.

– W nadzorowanym przeze mnie przedsięwzięciu całkowicie rezygnujemy ze spalania paliw. Cały budynek ma być zasilany pompami ciepła, a system wentylacji mechanicznej będzie zaprojektowany tak, że nie będzie działał, gdy nikogo nie będzie w pomieszczeniu. Kolejny kluczowy aspekt to jak największe wykorzystywanie energii na miejscu. Pozwoli to uniknąć dużych strat na przesyle, które wynoszą nawet kilkadziesiąt procent. Budynek będzie produkował energię sam, a jej nadmiar zostanie zmagazynowany latem w bateriach i wykorzystywany zimą, gdy zapotrzebowanie jest większe – opowiada Piotr Kopacz z NCBR, kierownik projektu „Budownictwo efektywne energetycznie i procesowo”.

W ramach przedsięwzięcia wybrani w toku postępowania wykonawcy będą mieli za zadanie budowę czterech budynków: społecznego, senioralnego i dwóch jednorodzinnych. Wszystkie zbudowane będą z przygotowanych wcześniej modułów (już z umeblowaniem!), które na miejscu zostaną poskładane w całość w nie dłużej niż dwa miesiące. Niemal cała woda (nawet 95%) ma zaś pochodzić z oczyszczonej deszczówki, wody szarej (woda z prysznica i umywalek), a nawet wody czarnej (woda z toalet po oczyszczeniu będzie nadawać się do podlewania przydomowego trawnika).

– Możliwych do zastosowania rozwiązań jest bardzo dużo. Dajemy w tym pewną swobodę wykonawcom. Celem nadrzędnym jest to, by na koniec budynek więcej energii na ogrzewanie, ciepłą wodą, chłodzenie i używanie wszystkich sprzętów produkował niż zużywał. Będzie to możliwe w dużej mierze dzięki zastosowaniu paneli fotowoltaicznych, pompy ciepła i magazynu energii – tłumaczy Piotr Kopacz.

NCBR liczy zatem nie tyle na obniżenie rachunków za prąd i ogrzewanie, co wręcz ich wyeliminowanie. – Powstanie technologia budowania domów i mieszkań, które będą generować pozytywny roczny bilans zużycia energii. Równocześnie będą konkurencyjne kosztowo w produkcji i eksploatacji. W zasadzie koszty eksploatacji to tylko koszty administracji, bo energię, w tym prąd, tego typu domy mają produkować same, a wodę brać z deszczówki – podkreśla Tomasz Rożek, autor kanału „Nauka. To lubię” w mediach społecznościowych.

Po czwarte: magazyny energii

– Wymagana jest fundamentalna zmiana na rynku energii i surowców energetycznych. Żeby korzystać z odnawialnych źródeł, które są zależne od pogody – jak słońce i wiatr – potrzebne jest jednak magazynowanie energii. Najlepiej, żeby miało to miejsce jak najbliżej odbiorcy i źródła energii – wyjaśnia Wojciech Racięcki, dyrektor Działu Rozwoju Innowacyjnych Metod Zarządzania Programami w NCBR.

Dlatego wśród przedsięwzięć realizowanych przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju są i te dotyczące magazynów: „Magazynowanie Ciepła i Chłodu” oraz „Magazynowanie energii elektrycznej”.

– Nie ma technologii, która pozwalałaby na magazynowanie ciepła i chłodu wprost z powietrza. Nie znaczy to jednak, że magazynowanie ciepła i chłodu jest niemożliwe. Można magazynować ciepło lub chłód odpadowe. Można wyprodukować ciepło w lecie dzięki fotowoltaice. Można też wyprodukować je wtedy, gdy energia elektryczna jest najtańsza, na przykład w środku dnia, a oddać, gdy kilka godzin później jest droga – opowiada dr Tomasz Rożek z „Nauka. To lubię”.

Marcin Popkiewicz, fizyk, badacz megatrendów i przewodniczący wspomnianego już komitetu monitorującego projekty Europejskiego Zielonego Ładu w NCBR, ocenia, że o wiele efektywniejsze kosztowo są magazyny na krótki czas, na przykład kilka tygodni. W związku z tym warto jednak korzystać z różnych źródeł odnawialnej energii. – Zawsze w tym czasie będzie energia jak nie ze słońca, to z wiatru. Stawianie na jedno sezonowe źródło nie jest więc najlepszym rozwiązaniem. Dużo lepiej postawić na dwa źródła, które się uzupełniają. Dzięki temu magazynowanie i cała infrastruktura będą tańsze – tłumaczy.

Jak wyjaśnia dr inż. Łukasz Adrian z NCBR, kierownik projektu „Magazynowanie Ciepła i Chłodu”, magazyny takie będą mogły być zbiornikami zamontowanymi w kotłowni bądź kontenerami ustawionymi na przykład przy biurowcu. Ciepło można będzie magazynować w wodzie, solance lub materiałach zmiennofazowych. Najbardziej obiecująca – bo magazynująca kilkukrotnie więcej ciepła w tej samej objętości – jest ta ostatnia opcja. – Zaletą magazynów ciepła i chłodu jest to, że można je zastosować zarówno w nowych, energooszczędnych budynkach, jak i tych już istniejących – dodaje Łukasz Adrian.

Efekty mogą być naprawdę zaskakujące: niektórzy wykonawcy zadeklarowali, że koszt ciepła i chłodu dzięki zastosowaniu ich technologii może wynieść zaledwie 350 zł rocznie. Potencjalnie za taką właśnie kwotę można więc zapewnić sobie ciepło w chłodne dni, klimatyzację w upalne dni i ciepłą wodę każdego dnia roku. – Zgodnie z rozwiązaniem proponowanym przez wielu wykonawców, chłodzenie budynku latem polega na odebraniu od niego ciepła, zmagazynowaniu go często w podziemnym zbiorniku, a następnie oddaniu zimą – mówi dr inż. Łukasz Adrian. A wszystko dzięki zbiornikowi nie większemu od pojemników, do których służby odbierają przydomowe szambo.

Warto jednak dodać, że tak niskie opłaty dotyczą magazynowania sezonowego, na przykład przez sześć miesięcy. Cena za taki system jest zatem wysoka. Z zebranych w ramach postępowań danych wynika, że być może lepszym rozwiązaniem jest magazynowanie ciepła w krótszej perspektywie, czyli dobowo bądź tygodniowo. Wówczas wielkość takiego magazynu jest o wiele mniejsza – wynosi mniej więcej 100 cm x 50 cm x 80 cm. – W takim przypadku cena roczna ciepła i chłodu będzie trzy, cztery razy wyższa niż w przypadku magazynowania sezonowego, ale system jest o wiele tańszy, prostszy i mniejszy – wyjaśnia Wojciech Racięcki.

Jak dodaje, w całym przedsięwzięciu najważniejsza jest zmiana paradygmatu: chodzi o to, by ciepło i chłód produkować w momencie, gdy jest to najtańsze (czyli jest nadmiar energii na przykład z wiatru), a nie dopiero wtedy, gdy jest to nam potrzebne. – Dlatego tak ważne jest magazynowanie ciepła i chłodu – podkreśla.

Do tego dochodzi przedsięwzięcie „Magazynowanie energii elektrycznej”. Zakłada ono stworzenie opartego niemal w całości na dostępnych w Polsce surowcach magazynu energii elektrycznej, który pomieści 15 kilowatogodzin. Tyle energii powinno wystarczyć tradycyjnemu gospodarstwu domowemu przynajmniej na jeden dzień.

– Nie chodzi nam o to, żeby korzystać z baterii cały czas i odciąć się od sieci. Tak może być kiedyś, w przyszłości. Na teraz naszym celem jest wpięcie baterii do systemu elektroenergetycznego po stronie użytkownika. Czyli podobnie jak na to miejsce w przypadku fotowoltaiki. Najpierw wykorzystujemy więc energię lokalnie, na miejscu, dopiero potem jej nadmiar magazynujemy, a oddanie do sieci następuje na samym końcu – wyjaśnia dr Maciej Chmieliński z NCBR, kierownik projektu „Magazynowanie energii elektrycznej”.

Najlepsza recepta

Oczywiście wspomniane rozwiązania nie są na ten moment idealne. Część z nich o wiele łatwiej zastosować w nowym budownictwie niż w starych kamienicach w centrach miast. Do tego panele fotowoltaiczne, kolektory słoneczne, magazyny energii czy pompy ciepła to produkty, które wciąż się rozwijają. Potrzeba innowacji, by stały się bardziej efektywne i tańsze. Ceny fotowoltaiki, które w ostatnich dekadach spadły o ponad 90%, pokazują jednak, że osiągnięcie efektu skali jest możliwe.

Eksperci NCBR zdają sobie sprawę, że wykonawcy przygotowują rozwiązania prototypowe. Jednocześnie mają jednak świadomość, że w przyszłości koszty takich rozwiązań będą o wiele niższe, a dodatkowo będziemy dysponować lepszymi możliwościami technicznymi. Rozwijane przez NCBR przy wsparciu Funduszy Europejskich projekty mają wesprzeć to, by rozwiązania najlepsze tak dla ochrony klimatu, jak i rachunków Polaków, ważne również z punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego, stały się jak najpowszechniejsze. A dzięki temu jak najtańsze.

– Pierwsza mikrofalówka kosztowała kilkanaście, jak nie kilkadziesiąt tysięcy dolarów. Każde urządzenie może więc być tanie, to kwestia skali produkcji. Gdy dany produkt zaczyna być oferowany masowo, staje się znacznie tańszy. Drugim sposobem na powszechniejsze wdrażanie naszych prototypowych rozwiązań w praktyce może być wsparcie w postaci dotacji udzielanej w ramach rządowych czy regionalnych programów – komentuje Wojciech Racięcki.

Warto mieć też na uwadze, że choć początkowe koszty inwestycji mogą wydawać się duże, to w dłuższej perspektywie zwrócą się one z nawiązką. Niektóre rozwiązania mogą „spłacić się” w ciągu kilku lat, inne w ciągu kilkunastu. Już teraz są to więc technologie, które mogą zainteresować wiele osób w Polsce.

Szczegółowe informacje na temat 9 przedsięwzięć badawczych NCBR wpisujących się w strategię Europejskiego Zielonego Ładu tutaj>> gov.pl
Chcesz wiedzieć więcej? Obejrzyj 8 krótkich filmów o przedsięwzięciach NCBR wpisujących się w strategię Green Deal: Zielone technologie? To lubię! - Narodowe Centrum Badań i Rozwoju - Portal Gov.pl (www.gov.pl)

Przedsięwzięcia: „Budownictwo efektywne energetycznie i procesowo”, „Innowacyjna biogazownia”, „Oczyszczalnia przyszłości”, „Magazynowanie energii elektrycznej”, „Magazynowanie Ciepła i Chłodu”, „Technologie domowej retencji”, „Wentylacja dla szkół i domów” są realizowane w ramach projektu pozakonkursowego „Podniesienie poziomu innowacyjności gospodarki poprzez realizację przedsięwzięć badawczych w trybie innowacyjnych zamówień publicznych w celu wsparcia realizacji strategii Europejskiego Zielonego Ładu” w ramach poddziałania 4.1.3 Innowacyjne metody zarządzania badaniami Programu Inteligentny Rozwój.

Przedsięwzięcia: „Ciepłownia przyszłości, czyli system ciepłowniczy z OZE” oraz „Elektrociepłownia w lokalnym systemie energetycznym” są współfinansowane ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach poddziałania 4.1.3 Innowacyjne metody zarządzania badaniami Programu Inteligentny Rozwój 2014–2020, w ramach projektu pozakonkursowego „Podniesienie poziomu innowacyjności gospodarki poprzez wdrożenie nowego modelu finansowania przełomowych projektów badawczych”.

Źródło: NCBiR