Kiedy mówimy o ogrzewaniu pomieszczeń, energia wiatru nie jest pierwszym, co przychodzi nam do głowy. Oczywiście, energia elektryczna z turbin wiatrowych może być wykorzystana do zasilania pomp ciepła i kotłów elektrycznych. Nie o tym jednak będziemy mówić. Ostatnie badania wyraźnie wskazują na realną możliwość wykorzystania energii wiatru w ogrzewnictwie.

Odnawialne źródła energii są zróżnicowane. Biomasę, geotermię i energię słoneczną wykorzystuje się do celów ciepłowniczych, ogrzewniczych i produkcji energii elektrycznej. Energetyka wodna ma przewagę w postaci wielkoskalowych magazynów energii. W dalszym ciągu jednak panuje przeświadczenie, że energia wiatrowa służy tylko do produkcji energii elektrycznej. Niemniej jednak może być to schyłek takiego myślenia.

Energia wiatru jako źródło ciepła?

W środowisku akademickim badania nad bezpośrednim wykorzystaniem energii wiatru do dostarczania ciepła do budynków prowadzi się od dłuższego czasu. Takie przekształcenie zmniejsza straty energii, dzięki czemu zwiększa się efektywność całego procesu. Jeśli wietrzne regiony miałyby taką możliwość, ogrzewane budynki mogłyby wykorzystać odnawialne źródła energii i jednocześnie zredukować zużycie paliw kopalnych, szczególnie w górskich i nadmorskich obszarach. Takie rozwiązanie byłoby korzystne dla statków wycieczkowych, jachtów i im podobnych.

Do tej pory powstały liczne modele i koncepcje, aby odpowiedzieć na potrzeby rynku w zakresie ekologicznego ciepła - zarówno do ogrzewania, jak i do przygotowania ciepłej wody użytkowej. Fluktuacje w produkcji energii elektrycznej z energetyki wiatrowej są istotne, ale możliwe jest przechowywanie nadwyżek energii w zbiorniku wody w instalacji czy w zasobniku c.w.u., a następnie ich wykorzystanie. Przede wszystkim dotyczy to małych i średnich turbin wiatrowych.

• Zobacz również: Termomodernizacja z fotowoltaiką

Przykładowe koncepcje termicznej konwersji energii wiatru

Zacznijmy od rozwiązanie opartego o dobrze znane pompy ciepła. Co ciekawe, ten projekt ma już 10 lat i dotąd nie zyskał on popularności. Szkoda, bo wnioski były bardzo obiecujące, szczególnie odnośnie przygotowywania ciepłej wody użytkowej. W 2013 r. ekipa badawcza z National Taipei University of Technology przedstawiła metodę wykorzystania energii wiatru do bezpośredniego napędzania systemów pomp ciepła. Ich celem było ograniczenie strat powstających podczas przetwarzania energii wiatru na energię kinetyczną. Wyniki badań wykazały, że wydajność wzrosła o ponad 10% w porównaniu z tradycyjnymi metodami.

Z kolei 2016 r. chińscy naukowcy z Harbin Institute of Technology opracowali technologię, która wykorzystuje trwałe magnesy wiroprądowe do przekształcania wiatru w energię cieplną. Przedstawili oni metodę obliczeniową, pozwalającą na określenie możliwości cieplnych tego rozwiązania. Co więcej, stworzony konwerter potrafi przetwarzać każdy rodzaj energii wejściowej (takie jak energia elektryczna, wiatrowa, hydrauliczna i inne rodzaje energii mechanicznej) w energię cieplną. Wyniki obliczeń i eksperymentu potwierdzają skuteczność proponowanego konwertera.

W 2018 r. dwuosobowy zespół z Ontario Tech University w Kanadzie postanowił podejść do przekształcania energii wiatru w inny sposób. Badali oni wykorzystanie indukcji elektromagnetycznej i energetycznego systemu magazynowania energii cieplnej (WTES) do bezpośredniej konwersji energii wiatru na ciepło. Do napędzania stałego magnesu wiroprądowego użyto dużej turbiny o poziomej osi. Autorzy określili efektywność energetyczną osiągając sprawność wynoszącą 7,0%.

Naukowcy z North West Agriculture and Forestry University w Yangling przedstawili w 2021 r. rozwiązanie wykorzystujące energię wiatrową do mieszania cieczy (przy użyciu maszyny Joule'a). Dzięki tej metodzie, poprzez tarcie, użyta ciecz zwiększała swoją temperaturę. Efektywność grzewcza systemu była poddawana testom poprzez zmiany liczby warstw wirnika mieszającego bądź przy użyciu różnych płynów roboczych. Wirnik natomiast obracał się z prędkością obrotową równą 300 obr/min.

Energia wiatru na potrzeby ogrzewanie - najnowsza koncepcja

Istnieje oczywiście wiele metod, ale skupmy się na jednej z najnowszych. W 2022 roku naukowcy z fińskiego Uniwersytetu LUT zaproponowali technologię opierającą się na wykorzystaniu pompy tłokowej. Więc technologia ta jest oparta na systemie hydraulicznym. Celem prac było połączenie turbiny wiatrowej (HAWT) bezpośrednio z pompą o zmiennej wydajności celem wytworzenia energii cieplnej. W skrócie: pompa przy sprężaniu czynnika zwiększała jego temperaturę.

Wnioski były na tyle obiecujące, że planuje się podłączenie wyjścia oleju hydraulicznego do wodnego wymiennika ciepła. Oznacza to przejście do kolejnego etapu, w którym technologia będzie testowana w przykładowych budynkach. 

“Ilość generowanego ciepła była więcej niż wystarczająca do podgrzania oleju hydraulicznego do znacznie wyższych temperatur; jednak ze względów bezpieczeństwa zespół badawczy ograniczył ilość przekazywanego ciepła. Tak więc generowana moc cieplna została ograniczona do 100 W przy znamionowej prędkości wiatru około 9 m/s” - podają naukowcy.

Stanowisko laboratoryjne nie było bowiem dostosowane do mocy, którą naukowcy otrzymali. Badacze dodali, że celem badań nie było osiągnięcie maksymalnej mocy, a sprawdzenie czy ta technologia ma sens. Mamy nadzieję, że dalsze badania umożliwią opracowanie technologii, która będzie w stanie konkurować z pompami ciepła. Byłoby to osiągnięcie w kierunku bezpieczeństwa energetycznego, które zakłada dywersyfikację źródeł energii do celów ogrzewania.

Opracowane na podstawie:
- Investigation of a novel mechanical to thermal energy converter based on the inverse problem of electric machines. Chen L., Pei Y., i in., Energies, 2016
- Development of a wind directly forced heat pump and its efficiency analysis, Jwo C.S., Chien Z., i in., Int. J, Photoenergy, 2013
- Analysis and efficiency assessment of direct conversion of wind energy into heat using electromagnetic induction and thermal energy storage. Karasu H., Dincer I., ASME. J. Energy Resour. Technol, 2018
- Experimental study on the heating effect of a wind-energy stirring heater, Liu X., Sun X., Li J. i in., J. Therm. Sci., 2021