Sborník mezinárodní konference PROGRESS 2012 Otakar GALAS 1, Lenka MICHNOVÁ 2 OBNOVITELNÉ ZDROJE A BUDOUCNOST RENEWABLE RESOURCES AND FUTURE Abstrakt V tématu se zabýváme rozvojem ve využívání tepelných čerpadel, kotlů na biomasu apod. Přesto panuje značná disharmonie při řešení vytápění při zejména návrzích otopných systémů a zdrojů. Rovněž je třeba zabývat se obecnou platformou předimenzování systémů. Radikální vývojové směry ve světě i v České Republice se rekrutují v nových oblastech OZE, které korespondují s vývojovým trendem Evropy snížení emisí, snížení energetické náročnosti a zvýšení efektivity ve výstavbě při zajištění nízkoenergetického standardu. Klíčová slova OZE, tepelné čerpadlo, biomasa Abstract In the we deal with development in the use of heat pumps, biomass kettles, etc. Still there is much disharmony in addressing the particular proposals in heating systems and heating sources. It is also necessary to consider the general platform over sizing systems. Radical development trends in the world and also in the Czech Republic, are recruiting in new areas of renewable energy sources, that correspond with the development trend of Europe reduce emissions, reduce energy consumption and increase efficiency in construction and ensuring low-energy standard. Keywords RES, heat pump, biomass 1 ÚVOD Dnešní doba si vyžaduje díky zdražování energií jakékoliv úspory. Nezávislost na vzdálených zdrojích energie a využívání obnovitelných zdrojů, jako je slunce, voda, vítr či biomasa je předpokladem pro energetickou soběstačnost jak rodinných domů, tak budov pro občanskou vybavenost. Zájem o pořizování vlastního zdroje roste rok od roku čím dál tím víc a to především z finančních důvodů, kdy díky podporám využívání energie z obnovitelných zdrojů (dále jen OZE) a kogenerace je rychlejší návratnost investice. Dalším argumentem pro přechod na OZE je potřeba snížení antropogenních emisí skleníkových plynů, které způsobují globální oteplování a především změny klimatu. Obnovitelné zdroje by mohly v budoucnu tak nahradit veškeré fosilní zdroje. 1 Ing. Otakar Galas, Katedra prostředí staveb a TZB, Fakulta stavební, VŠB-Technická univerzita Ostrava, Ludvíka Podéště 1875/17, 708 33 Ostrava-Poruba, tel.: (+420) 597 321 909, e-mail: otakar.galas@vsb.cz 2 Ing. Lenka Michnová, Katedra prostředí staveb a TZB, Fakulta stavební, VŠB-Technická univerzita Ostrava, Ludvíka Podéště 1875/17, 708 33 Ostrava-Poruba, tel.: (+420) 597 321 975, e-mail: lenka.michnova@vsb.cz. 1
2 SOUČASNOST VE VYUŽÍVÁNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE V současnosti se energie z obnovitelných zdrojů nevyužívá především k produkci tepla, ale také k výrobě elektřiny (často společně v kogeneračních jednotkách). Obnovitelné zdroje zaměřené na přeměně energie na energii tepelnou v zásadě můžeme rozdělit na tyto: Zdrojem energie je sluneční záření - využití pomocí solárních kolektorů Zdrojem energie je vzduch - využití pomocí tepelných čerpadel Zdrojem energie je voda - využití pomocí tepelných čerpadel Zdrojem energie je geotermální energie - Tepelná čerpadla s vrtem či půdním kolektorem Zdrojem tepla je biomasa a biopalivo - využití pomocí kotlů na biomasu (biopalivo) 2.1 Tepelná čerpadla Tepelná čerpadla jsou zařízení, která dokážou odebírat tzv. nízkopotenciální teplo z prostředí jako je půda, voda, vzduch, odpadní teplo apod., a převádět ho na vyšší teplotní hladinu a předávat ho cíleně pro potřeby vytápění nebo ohřev teplé vody. Tepelná čerpadla můžeme obecně rozdělit na tepelná čerpadla: vzduch / vzduch vzduch / voda země / voda voda / voda Statistické hodnocení tepelných čerpadel v ČR Česká republika provádí od roku 2002 pravidelné statistické šetření, na jehož základě lze zpřesnit odhad o dodávce a instalaci tepelných čerpadel jak v domácnostech, tak v různých typech občanské vybavenosti. Nejzajímavějšími je rok 2009 a rok 2010, kdy díky finančním podporám,,zelená úsporám", programu,,panel" a z prostředků strukturálních fondů vzrostla významně poptávka po tepelných čerpadlech. Tab. 1: Dodávky tepelných čerpadel na trh podle druhu Typ TČ Počet [ks] v r. 2006 Tepelný výkon [kw] v r. 2006 Počet [ks] V r. 2009 Tepelný výkon [kw] v r. 2009 Počet [ks] v r. 2010 Tepelný výkon [kw] v r. 2010 Vzduch/Vzduch 122 470 254 1 764 118 621 Vzduch/Voda 964 17 968 2 386 32 967 4 212 52 282 Země/voda 1 362 18 593 1 959 26 747 2 150 27 078 Voda/voda 84 3 015 87 1 642 74 1 898 Jiné 0 0 159 1 373 10 17 Celkem 2 532 40 046 4 845 64 493 6 564 81 897 2
Graf 1: Hrubý vývoj počtu tepelných čerpadel v ČR S ohledem na topný faktor, který průměrně činí za toto období COP = 2,63 lze konstatovat, že celkový topný příkon využití (při použití srovnatelného množství elektromotorů) elektřiny bylo odebráno ze sítě 31,14 MWh. Graf 2: Počet TČ instalovaných v ČR Z uvedených grafů a čísel vyplývá, že čím dál více se lidé přiklánějí ke zdrojům energie, které jsou šetrné k životnímu prostředí v posledních letech. Ačkoli dotace,,zelená úsporám" se nijak významně neprojevila na prodeji tepelných čerpadel, je neoddiskutovatelné, že růst cen konvečních paliv a nízkoenergetická výstavba posiluje zájem o tyto vytápěcí systémy. Přestože tepelná čerpadla jsou dnes již standardním systémem a přestože v zásadě nekonkurují systémům s konvečními palivy, přesto obecný zájem se několik let po sobě orientoval tímto směrem. V současnosti lze však říci, že konjuktura ve využívání tohoto topného zdroje, již dosáhla vrcholu. Nelze tedy očekávat nějaký výraznější růst v dalších instalacích, ale je reálné orientovat se na nedalekou budoucnost v prosté výměně těchto zdrojů za zdroje z vyšší kvalitou, jak morální, tak funkční. 2.2 Solární kolektory Potenciál solární energie je dle současných potřeb nevyčerpatelný. Na území ČR dopadá stokrát více energie, než je současná potřeba primárních energetických zdrojů. Sluneční záření lze přeměňovat přímo na teplo (mimo jiného využití - fotovoltaika). Přeměna na teplo je jednodušší, neboť teplo je předáváno teplonosné látce protékající kolektorem. Solární systémy s kolektory lze 3
integrovat na většinu nových ale i stávajících budov. Důležitá a někdy opomíjená je orientace budov a zastínění. V ČR dopadá na povrch za rok průměrně 1 100 kwh/m 2 energie. Pomocí kolektorů můžeme získat 300-800 kwh/m2 za rok. Zisk se však v jednotlivých měsících značně liší - v zimních měsících je slunečního záření nedostatek a naopak v letních měsících často vznikají přebytky, na které není využití. Efektivním se jeví využívání solárních kolektorů, které mají spotřebu el. Energie v oblasti do 5%. Neustálý pokrok, který v této oblasti je velmi radikální, prokazuje vzrůstající tendenci při využívání latentního tepla ze světelného toku a využívá tepelnou energii aplikovatelnou i zimních měsících. Rozdělení solárních kolektorů můžete vidět na následujícím obrázku. Obr.1: Rozdělení solárních kolektorů Statistické hodnocení solárních kolektorů v ČR Solární kolektory se v minulosti objevovaly v různém rozsahu v řadě článků zabývající se touto tématikou, kdy se jednalo o odhad energetického potenciálu obnovitelných zdrojů energie. Solární kolektory se v ČR instalují především do systémů pro ohřev teplé vody (TV) od konce 70. let minulého století. Na základě statistického šetření lze upřesnit celkovou plochu činných kolektorů na konci roku 2006-2010 viz. Graf 3. Graf 3: Plocha činných kolektorů v ČR 4
Celkem bylo v letech 1977-2010 v ČR instalováno cca 370 tis. m 2 kolektorů s kovovým absorbérem. Z toho 92 tis. m 2 jen v roce 2010. V důsledku přebytků v letních měsících se začaly značně využívat bazénové absorbéry. V tabulce 2. najdete množství vyrobené energie za poslední tři roky. Tab. 2: Vyrobená a využitá tepelná energie Rok Tepelný výkon kolektorů [MW] Využitá tepelná energie [TJ] 2008 115 202 2009 152 266 2010 216 366 Racionální směr je pro celoroční ohřev teplé vody. Solární kolektory zajišťující celoroční ohřev vody plus přitápění tvořilo zhruba polovinu všech kolektorů. Graf 4. znázorňuje plochu účinných kolektorů osazených v roce 2010. Graf 4: Množství slunečních kolektorů osazených v roce 2010 Z uvedených čísel vyplývá jednoznačně rostoucí trend využívání solární energie v ČR v posledních letech. Je nepochybné, že růst cen tradičních paliv startuje nový masivní zájem o solární systémy. Určitým plusem je, že solární systémy jsou již běžně nabízeným energetickým zdrojem, které mohou využívat jak rekonstruované stavby, tak stavby nové. Tato oblast jako všechny oblasti OZE se konjukturálně vyvíjejí. Rozsáhlé týmy výrobců těchto zařízení ve snaze předstihnout konkurenci, se snaží dosáhnout absolutoria v této oblasti. V dnešní době je pořád dominantní využívání solárních kolektorů pro ohřev TV a lze očekávat, že v nedaleké budoucnosti budou vyvinuty kolektory, které zabezpečí v levných provozních hodnotách rovněž výrobu tepla. Dnes však nejsou konkurence schopné oproti jiným zdrojům OZE. 2.3. Kotle na biopalivo Kotle na biomasu pro použití v domácnostech a v bytových a administrativních stavbách hrají na českém trhu významnou úlohu a to především díky různorodých paliv na bázi biomasy. V souvislosti s energetikou jde nejčastěji o dřevo a dřevní odpad, slámu a jiné zemědělské produkty včetně exkrementů užitkových zvířat. Základní technologie zpracování se dělí na suché procesy (termochemická přeměna) jako je spalování, zplyňování a pyrolýza a procesy mokré (biochemická přeměna), které zahrnují anaerobní vyhnívání, lihové kvašení a výrobu biovodíku. 5
Následující tabulky a grafy znázorňují podrobnější přehled o prodejích kotlů na biomasu v ČR a porovnání s ostatními prodeji kotlů o výkonu do 50 kw. Tab. 3: Vývoj prodeje kotlů na biomasu na českém trhu Druh kotle 2006 2007 2008 2009 2010 Zplyňovací kotle na dřevo a brikety z biomasy 6375 6677 7499 4198 4351 Automatické kotle na pelety a sypká ekopaliva 652 809 1132 2536 3580 Krbová kamna a krbové vložky 14953 14121 20103 20089 21181 Celkem 21980 21607 28734 26823 29112 Graf 5:Vývoj prodeje kotlů na biomasu na českém trhu S uvedené tabulky a grafu se jeví, že nejefektivnější vytápění je prostřednictvím krbu a otevřených ohnišť apod. Tato informace je poněkud zavádějící, protože se jedná o zdroje tepla s jednoduchou dostupností a relativně nízkou cenou. Samozřejmě tato topeniště neposkytují standardní komfort a možnost případné automatiky. Tato názorová struktura se obecně traduje mezi lidmi a spotřebitelé ovlivněni cenou zapomínají na nutnost zabezpečení tepla v domě, v případě jejich nemoci, nepřítomnosti apod. Proto se touto oblastí nezabýváme. Tab. 4: Vývoj prodeje kotlů v ČR Druh kotle 2006 2007 2008 2009 2010 Kotle na uhlí 42524 32506 33502 33587 31531 Kotle na biomasu 21980 21607 28734 26823 29112 Kotle na plyn 41908 39083 32488 29204 31748 Elektrokotle 11896 12939 13973 13554 11218 Celkem 118308 106135 108697 103168 103609 6
Graf 6:Vývoj prodejů kotlů v ČR Poslední efektivní a dle našeho názoru nejefektivnější oblastí je oblast spalování dřevní štěpky, dřevního odpadu, nebo dřeva vůbec. Při použití kvalitních spotřebičů a kvalitního dřeva lze konstatovat, že tato oblast topení se i do budoucna jeví nejen jako velmi vhodná, ale rovněž jako velmi racionální. Za předpokladu používání kvalitního řeziva jako topného materiálu míněno vysušeného řeziva (do 12% vlhkosti), lze konstatovat, že např. při srovnání s klasickým uhlím lze dosáhnout stejné hmotnosti požitého materiálu. Cenová hladina do budoucna se však dostává do oblasti, která je diametrálně odlišná a to ve prospěch samozřejmě řeziva. Dalším velmi významným atributem je skutečnost, že na území ČR se díky lesnímu zákonu těží dlouhodobě přibližně 80% ročního nárůstu dřevní hmoty, což tuto skutečnost opět podporuje. V této oblasti navíc není zahrnuta balastní dřevní hmota a uměle vysazované dřeviny ( např. jap. topol). Do této oblasti můžeme ještě přiřadit průmyslová biologická paliva jako energetické obilí, slámu a suchý biologický odpad. Zde samozřejmě stojí za úvahu větší využití bioplynu, kde se daleko rovnoměrněji využívá potenciálu, který je v zásadě pro zemědělskou výrobu odpadní, ale z celospolečenského hlediska mimořádně přínosný. Spojením rostlinného a živočišného odpadu jsme schopni pokrýt efektivně rozsáhlou oblast standardu potřeb energií. Výrazným zjednodušením lze takto aplikovat jednoduché ostrovní jednotky, které při použití bioplynu jsou schopny dosáhnout samozásobení jak v oblasti tepla, tak v oblasti chladu a současně při pokrytí potřeb elektrické energie nyní ostrovní výrobní celky, či celé oddělené lokality. 3 EKONOMICKÝ VÝVOJ DO BUDOUCNOSTI V prvé řadě je nutné se zabývat ekonomickými ukazateli jednotlivých komodit, které spadají do oblasti energií. Z grafu je zřejmý reálný pokles komoditní elektřiny. K závěru 1.Q.2012 se pohybuje v hodnotě okolo 1250 Kč/MWh. Je nutné však připomenout skutečnost, že společenský tlak a vládní příslib Německa po katastrofě v japonské Fukušimě rozhodl v oblasti jádra dosud konzervativní stanovisko změnit. Současně dle politického sdělení bude v průběhu roku 2012 a následujících let převádět jadernou výrobu el. energie na výrobu v plynových elektrárnách. Při provázanosti ekonomik EU a rozhodující export ČR do Německa je nutné zvážit i reálný ekonomický dopad a to zejména na energetická média. Z toho však jednoznačně vyplývá několik souvisejících atributů. 7
Obr.2: Průběh komoditní elektřiny v roce 2011 S přechodem na jiný druh paliva bude narůstat cena elektřiny. Z toho vyplývají další aspekty: Nutné evropské investice do přenosové sítě Evropské investice do plynovodů Zvýšení ceny plynu v zemích EU Přestože lze již dneska předpokládat, že el. energie z obnovitelných zdrojů bude v r. 2020 přibližně na 20% úrovni celkové spotřeby v Evropě, je nutné velmi pečlivě zvažovat, kde se orientovat v oblasti racionálních nákladů při využívání zdrojů pro vytápění a chlazení v příštím období. Z titulu stagnace demografického pokrytí ČR je rovněž zapotřebí uznat snižující se potřeby energetického potenciálu ve všech jeho formách. Současně je zapotřebí uvědomění dalšího faktu, a to v oblasti nerovnoměrného růstu potřeb této nevyvážené společnosti. To se však promítá do úvah o rozložení energetických potřeb a vytváření soběstačných energetických ostrovů. Lze předpokládat, že v budoucnu budou lidé chtít stranit se center společenského dění a uchýlit se do oblastí s klidovým režimem. Z toho vyplývá i potřeba přesunu značné části energetického potenciálu Protože populace chce slyšet na provedení, které je dostupné a provozně levné s cílem snižování zejména provozních nákladů, je třeba podle toho upravit i nabídku. A to v podmínkách především: 1. Nízké ceny energetického média 2. Nízké ceny provozních nákladů 3. Maximální jednoduchost obsluhy 4. Maximální komfort 5. Dostupnost Abychom s hrnuli atributy, ze kterých jsme vycházeli v uvedeném ekonomickém konceptu, nabízí se právě reálná možnost, která spočívá v již zmíněných ostrovních jednotkách. V energeticky nenáročných objektech, se pak budou splňovat standardní podmínky pro jejich využívání bez velkých extrémů (např. extrémní zateplování). Z toho vyplývají rovněž uvažované nároky, se kterými je nutno počítat již nyní a zvyšující se poptávku po zvyšování potřeby luxusu. 8
4 ZÁVĚR Jestliže použijeme zdroje tepla, které jsou orientovány na primární medium elektřinu, je nutné jít na hodnotovou strukturu u tepelných čerpadel s průměrným COP, které je okolo 2,8. Samozřejmě při vyšším topném faktoru je vhodné se dívat na životnost zařízení. V zásadě lze říct, že při zvyšování topného faktoru se snižuje životnost kompresorových součástí při zachování stávajícího potenciálu. Z uvedeného je proto nutné se orientovat v plnění používaných inertních plynů u tepelných čerpadel. Samozřejmě je důležité znát hodnoty, udávané zkušebními ústavy, na které se výrobky odvolávají. V dnešní době je důležité umět oddělit komerčně úspěšné výrobky, které však nemají v konečném důsledku uváděnou charakteristiku kontrolovanou předpisy v EU, lépe ČSN. Většina převzatých podkladů výrobků především z dálného východu má výkony velmi proměnlivé, ale jejich výkon nelze posoudit objektivně před montáží, ale až po použití minimálně po jedné sezoně. Z toho rovněž vyplývají rozporuplné zkušenosti z jejich užívání. Za předpokladu reálného zvyšování COP u tepelných čerpadel na hodnotu 3,2 do r. 2020, lze konstatovat, že vývoj a udržitelná montovatelnost je i za horizontem tohoto roku. Za předpokladu, že cena elektřiny se skládá z 1/3 výrobní náklady, z 1/3 přenos a distribuce, 1/3 dotační politiky a podpora výkupu NEZ, se tato energie oproti standardnímu nákupu o 2/3 platné ceny v daném okamžiku. Navíc prodaný přebytek je zhodnocen dvakrát. Současně je nutné zabývat se zbytkovým teplem, které zatím zůstává bez užitku. Jedna část tepla se automaticky využívá při fermentačním procesu, ale následný tepelný potenciál lze využít i dále. Samozřejmě je nasnadě reálné využití tepla při rozvodu v krátké distribuční síti. Jednou z nejdůležitějších oblastí, která se zejména posledních několika letech dostává do popředí, je potřeba chlazení. Obecně je tento proces spojován s další energetickou újmou, resp. Zvyšováním energetických nároků a zvyšováním celkové hodnoty za užívanou energii. Obecně se pozapomnělo na používání méně náročných technologií. Že tepelná čerpadla využívají tepelného potenciálu z venkovního prostředí např. ze země, to je dnes běžné. Zpětné ukládání tepla do země tak obvyklé není. Je proto velmi potřebné přeorientovat současnost na věci, které jsou po ruce. LITERATURA [1] Studie celosvětové sítě poradenských společností KPMG power Sector Development in Europe - Lender s Perspectives 2011. [2] Společné výzkumné centrum (Joint Research center) Evropské komise [3] http://www.tzb-info.cz/ [4] Ministerstvo průmyslu a obchodu http://www.mpo.cz POUŽITÝ SOFTWARE: [5] MICROSOFT EXCEL 2007 [6] MICROSOFT WORD 2007 9