Сегодня часто слышу я про энергетическую автономию жилищ. Поставил имярек несколько солнечных модулей, уже каким-то образом для телевизионщиков дом стал автономным.
Что мы понимаем под автономией? Тысячи лет наши предки жили автономно, полностью обеспечивая себя энергией на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Такую автономию можно легко обеспечить и сегодня. То есть жить без электричества и топить дровами.
Однако, в наше время, говоря об энергетической автономии (или автаркии), мы все-таки подразумеваем круглогодичную энергетическую независимость, предполагающую сохранение привычного жизненного уклада и комфорта. Электричество, стиральная машина, телевизор, холодильник, комфортная температура в доме и т.п. В противном случае речь будет идти о, так сказать, «ограниченной автономии», об отказе от чего-то в целях независимости. Разумеется, такой отказ — это половинчатое, компромиссное решение. Хочется все-таки «полного варианта автономии», который мы и будем рассматривать дальше: привычный, обычный образ жизни «как в городе», но при этом независимость от внешних поставщиков энергии, точнее, от централизованного энергоснабжения (электрические сети, газовые магистрали). Да, есть интересная тема управления потреблением, мы её коснёмся, но это не тот вариант, когда нужно отказываться от любимой телепередачи, поскольку не хватает электричества.
Тепло
Производство тепла мы в данной статье подробно рассматривать не будем, а то она получится бесконечной. Быстро расставим точки над i. Понятно, автономный дом неизбежно предполагает автономное производство тепла. Более того, тепло — основная статья годовых энергетических затрат среднего домохозяйства (60-85% в единицах энергии).
Хорошо известна автономная газификация — установка газгольдера. Можно установить дизельный котел и вкопать под/рядом с домом емкости для топлива. Если непременно нужно ВИЭ, то котёл на древесном топливе — вам в помощь. Самый продвинутый вариант — это автоматизированная пеллетная котельная, когда топливо в котёл подаётся автоматически из специально оборудованного бункера. Не надо «подкидывать дровишки», но дорого. Тепловой насос — тяжелый случай для автономии, поскольку ест электричество, которое в автономном доме на вес золота.
Все варианты могут комбинироваться с солнечными коллекторами (устройствами для нагревания жидкости), если душа желает. Несколько месяцев в году будете полностью обеспечивать себя солнечным теплом (горячей водой) без включения котла.
Да, самое главное. Строить надо так, чтобы не было мучительно больно минимизировать потребности в тепле – здание должно быть максимально энергоэффективным. Здесь человечество пока ничего не придумало лучше принципов пассивного домостроения. Если вы построите пассивный дом (что, безусловно, требует соответствующей квалификации проектировщика и высокой культуры исполнения), вам потребуется крайне небольшая тепловая мощность. Можно сказать, что вопросы, чем и как топить, отойдут на второй план.
Электроэнергия
Перейдём к способам производства электричества для автономного жилища. Полная автономия достигается в том случае, если локальная (домашняя) энергосистема в любой момент времени способна обеспечить требуемые потребителем объёмы мощности и электроэнергии.
Полная автономия на основе ВИЭ в большинстве регионов земли (не во всех) возможна технически и теоретически, но пока невозможна экономически (нерациональна).
Замечательный пример полной, стопроцентной, автономии — это водородный «Дом в будущего» в Швейцарии. Полная независимость, рациональное использование энергии, высокий комфорт, солнце — единственный «первичный» источник энергии, но пока очень дорого и сложно технологически.
В любой точке России
а) построить автономию просто на основе солнечной электростанции нельзя.
б) построить автономию на основе солнечной электростанции, комбинированной с накопителями энергии нельзя. Точнее, теоретически можно подобрать конфигурацию. Взять боооольшую солнечную электростанцию. Построить сарай для накопителей на сотни кВт. Но, сами понимаете, это просто выбрасывание денег на ветер. И не просто потому, что дорого.
Чем больше у вас солнечная электростанция, тем меньшую долю производимой энергии вы можете потребить. В случае автономии это означает, что вы теряете («выбрасываете») большую часть производимой электроэнергии, поскольку сбыть её некуда. Чем меньше у Вас электростанция, тем большую долю произведённой электроэнергии Вы сможете «съесть» сами, но тем меньше у вас степень автономии. Увы. Закон. См. график.
Это, кстати, следует помнить при расчете экономической окупаемости «свободного плавания». У нас порой в таких расчетах фигурируют цифры произведенной электроэнергии. Это совершенно бессмысленно, поскольку всю эту электроэнергию вы не сможете ни потребить, ни сбыть.
Накопители энергии, конечно, помогают. Они увеличивают как степень автономии, так и собственное потребление.
Однако, посмотрите на следующий график, даже большая, по меркам домохозяйства, электростанция и большой накопитель не обеспечивают полной автономии. Обратите внимание, насколько повысился процент автаркии с увеличением ёмкости накопителя в два раза (с 10 до 20 кВт) — совсем чуть-чуть (график сделан для годовой выработки солнечной электростанции 1 кВт = +/- 1000 кВт*ч).
Сегодня в европейских домохозяйствах, нацеленных на максимум потребления собственной солнечной электроэнергии, в самых идеальных случаях обеспечивается примерно 70% автономии (это среднегодовой показатель, в отдельные дни этот процент может быть равен нулю, речь идет о сетевых электростанциях).
Проблема с солнцем в наших широтах известна. Летом его много больше, чем зимой. Летом – избыток, который выбрасывается, зимой – нехватка. Но зимой тоже нужно электричество и даже больше, чем летом.
Распространённые сегодня домашние системы хранения энергии призваны сдвигать потребление собственной электроэнергии в течение суток, но никак не годятся для сезонных «запасов» электричества.
Добавление ветрогенератора повышает (годовую) степень автономии, поскольку в течение года ветряк с почти 100% вероятностью выработает дополнительное количество энергии в то время, когда выработки солнечной электростанции и накопителя будет не хватать для удовлетворения потребности. В то же время он не обеспечит полной автономии «с гарантией», поскольку невозможно спрогнозировать (и никто не даст гарантии), что ветряк будет выдавать в нужное время нужное количество энергии.
С ветрогенератором есть ещё следующая проблема. Более-менее приличная по мощности машина шумит, а маленький тихий «пропеллер» не вырабатывает толком электроэнергию. Поэтому я обычно ветрогенераторы не рекомендую. С шумом может справиться большой участок — отнесите ветряк на 50-100 м. от дома. Но тут встаёт проблема кабельных соединений (и соотв. доп. расходов).
Таким образом, полная автономия на основе исключительно ВИЭ практически невозможна. Да, в наших самых южных широтах можно грамотно скомбинировать солнечную и ветровую электростанцию с накопителями энергии, и получить довольно высокий процент автаркии. Но никак не гарантированные 100%.
Сезонные накопители электроэнергии (водород, аккумуляторы большой емкости) пока экономически недоступны.
Таким образом, «дешево, надежно и практично» (впрочем, совсем не дешево, разумеется) – это связка: солнечная электростанция – накопитель энергии – дизель-генератор. Конечно, любители могут сюда добавить и ветроустановку. С помощью генератора можно заряжать аккумуляторы, поэтому тарахтеть он будет не так уж часто.
Подбор конкретного подходящего решения для каждого случая (домохозяйства) следует производить индивидуально. Такой подбор – это многофакторный анализ (параметры потребления/выработки зависят от множества обстоятельств), и он должен осуществляться специалистами. Ни в какой статье нельзя сформулировать единственно правильное решение.
В заключение коснемся обещанного вопроса об управлении потреблением. Разумеется, жизнь в автономном доме требует контроля за использованием энергии. Нужно вести себя энергетически рационально. Это не означает, что следует как-то уж сильно «ужиматься», но нужно выполнять простые правила. Например, запускать стиральную и посудомоечную машины лучше в середине дня, а не ночью. В таком случае (в весенне-летний период) вы не тратите электроэнергию, а, напротив, снижаете свои потери электроэнергии.