Rosnące koszty energii oraz niepewność na rynku nośników ciepła sprawiły, że gospodarstwa domowe i przedsiębiorstwa ponownie przyglądają się technologiom słonecznym. Przez ostatnią dekadę prym wiodły instalacje fotowoltaiczne, jednak dziś coraz więcej projektów wraca do kolektorów słonecznych, zwłaszcza w konfiguracjach hybrydowych. Kluczowym argumentem okazuje się sprawność: podczas gdy typowe moduły PV przetwarzają jedynie około 20–25% docierającego promieniowania na energię elektryczną, nowoczesne kolektory próżniowe potrafią przekroczyć 60% konwersji na ciepło użytkowe.

Renesans kolektorów słonecznych

Pierwszy boom na solary datuje się na lata 2005–2012, gdy wspierano je licznymi programami dopłat. Wraz z gwałtownym spadkiem cen fotowoltaiki zainteresowanie kolektorami wyraźnie osłabło, ponieważ energia elektryczna wydawała się bardziej uniwersalna. W praktyce jednak podgrzewanie wody przy pomocy prądu pozyskanego z PV wiąże się z kilkoma etapami przetwarzania: konwersją fotonów na elektronowy prąd stały, jego zamianą na prąd przemienny, magazynowaniem lub natychmiastowym zużyciem oraz finalnym przetworzeniem na ciepło w grzałce lub pompie ciepła. Każdy z tych kroków generuje straty sięgające w sumie 50–60%. Przy wysokich taryfach za energię bilans ekonomiczny bywa więc mniej korzystny, zwłaszcza w budynkach o dużym i stabilnym zapotrzebowaniu na ciepłą wodę. To właśnie tam kolektory odzyskują przewagę, pracując w prostym, jednorazowym procesie zamiany promieniowania na energię cieplną bez pośrednictwa elektroniki mocy.

Sprawność i charakterystyka technologii

Standardowy kolektor płaski, wykonany z absorbującej płyty miedzianej lub aluminiowej pokrytej selektywną powłoką, osiąga skuteczność na poziomie 45–55% w temperaturach roboczych około 40°C. Jeszcze lepiej wypadają układy próżniowe, w których absorbery znajdują się w rurach otoczonych próżnią izolującą od strat konwekcyjnych. W sprzyjających warunkach ich sprawność chwilowa przekracza 60%, a w warunkach laboratoryjnych notuje się nawet 70%. Dla porównania, najwydajniejsze moduły krzemowe klasy premium rzadko kiedy wychodzą poza 23 – 24%, a ogniwa tandemowe – choć na horyzoncie – wciąż są niszowe i kosztowne.

W praktyce każdy metr kwadratowy powierzchni kolektora potrafi rocznie dostarczyć 500 – 750 kWh energii cieplnej w klimacie Europy Środkowej. W miesiącach letnich taka produkcja jest często na tyle wysoka, że w budynkach mieszkalnych całkowicie wyłącza się kocioł gazowy lub grzałkę elektryczną. W okresach przejściowych kolektory mogą współpracować z pompą ciepła, skracając jej czas pracy sprężarki i obniżając zużycie prądu. Coraz popularniejsze są także systemy kombinowane do wspomagania ogrzewania podłogowego w domach energooszczędnych, gdzie temperatury zasilania nie przekraczają 35°C. Dzięki temu większa część rocznego zapotrzebowania na ciepło może pochodzić bezpośrednio z promieniowania słonecznego.

Ekonomia przedsięwzięcia

Kompletny zestaw kolektorów próżniowych dla czteroosobowego domu jednorodzinnego wraz z zasobnikiem biwalentnym o pojemności 250–300 l kosztuje zazwyczaj 9 000 – 15 000 zł brutto. Jest to wydatek zauważalnie niższy od nakładów na instalację fotowoltaiczną pozwalającą wyprodukować równoważną ilość energii cieplnej przy użyciu grzałki elektrycznej. Na cenę wpływa przede wszystkim powierzchnia czynna absorberów, rodzaj kolektorów (płaskie lub próżniowe z heat-pipe), izolacja zbiornika oraz automatyka sterująca. Średni czas zwrotu, w zależności od lokalnych warunków nasłonecznienia i taryf energetycznych, szacuje się na 5–8 lat, przy czym dotacje z programów takich jak „Moje Ciepło” czy ulga termomodernizacyjna mogą skrócić go nawet o jedną trzecią.

W instalacjach komercyjnych, np. w hotelach, szpitalach czy zakładach przetwórstwa spożywczego, zapotrzebowanie na ciepłą wodę jest znacznie większe i występuje przez cały rok. Tam okres amortyzacji bywa krótszy, dochodząc niekiedy do 3–4 lat. Co istotne, kolektory nie wymagają kosztownych magazynów energii elektrycznej; wystarczającym buforem jest dobrze zaizolowany zbiornik ciepłej wody. Ogranicza to zarówno koszty inwestycyjne, jak i ryzyko eksploatacyjne związane ze starzeniem akumulatorów.

Integracja z innymi źródłami energii

Największy potencjał kolektory słoneczne ujawniają w systemach hybrydowych. Połączenie z fotowoltaiką pozwala zagospodarować każdą formę promieniowania: prąd zasila urządzenia elektryczne, a ciepło bezpośrednio trafia do zasobnika. W przypadku pomp ciepła energia słoneczna może podnieść temperaturę glikolu w dolnym źródle lub podgrzać wodę na wyjściu, zwiększając współczynnik COP i redukując wysokość rachunków. W regionach o sezonowych wahaniach nasłonecznienia kolektory są także sprzęgane z kotłami biomasowymi, które przejmują funkcję głównego źródła w zimowych szczytach zapotrzebowania. Tak zaprojektowany układ pozwala maksymalnie ograniczyć zużycie paliw kopalnych, ułatwiając realizację celów klimatycznych wyznaczanych przez Unię Europejską.

Perspektywy dla rynku kolektorów

Międzynarodowa Agencja Energii przewiduje, że do 2030 roku globalna moc zainstalowana w kolektorach słonecznych przekroczy 1 TWth, co w praktyce oznacza ponad podwojenie obecnego potencjału. Wzrost napędzają rosnące ceny gazu, rozwój niskotemperaturowych systemów grzewczych oraz zapotrzebowanie na dekarbonizację procesów przemysłowych. Coraz lżejsze materiały konstrukcyjne, selektywne powłoki z tlenków metali i inteligentne systemy sterowania sprawiają, że współczesne solary są bardziej niezawodne i efektywne niż kiedykolwiek wcześniej. Dla inwestorów oznacza to atrakcyjną ścieżkę do obniżenia kosztów eksploatacyjnych budynku przy jednoczesnym spełnieniu zaostrzających się norm emisyjnych.