Nevyužitý potenciál

Mé okolí mě neustále překvapuje. V oblasti malé i velké energetiky dříve šlo především o zajištění potřeb tepla, chladu, teplé vody a elektrické energie. Čím dál častěji je požadován i nízký a ideálně nulový dopad na životní prostředí, a to vše za neustálého tlaku na ekonomickou výhodnost. Dříve byla hlavním zdrojem velké energetiky fosilní paliva uhlí a zemní plyn s přispěním jádra a vodní energie. Malá energetika rovněž využívala uhlí a zemní plyn a dále používala elektrickou energii a biomasu. Pokud se podíváme na statistiku z roku 2023, pak elektřinu vyrábíme z 39 % v jaderných elektrárnách, z 50 % ve spalovacích elektrárnách a z 11 % v elektrárnách s využitím OZE (voda, slunce, vítr). Překvapuje mě nejen, jak se o malé i velké energetice hovoří v médiích, v politických kruzích nebo mezi lidmi, ale nejvíce mě překvapuje, jak se o ní hovoří mezi odborníky. Ve svém oboru technických zařízení budov silně vnímám snahu zajistit potřeby klienta a nízký dopad na životní prostředí. To je samo o sobě v pořádku, ale zároveň se do oboru vnášejí určitá tabu, sklouzává se do vyjetých kolejí a konzervují se názory, které nejsou obecně platné a vytyčenému cíli nejen nepřispívají, ale často nás vedou přímo opačným směrem. Tunelové vidění je obrovská překážka v maximálním využití potenciálu, který máme k dispozici, a také bariérou k rychlé realizaci tam, kde to lze a kde lze v krátkém čase získat přiměřený efekt. Hlavní myšlenkové proudy, se kterými se setkávám, jsou využívat maximálně elektrickou energii vyrobenou nebo v budoucnu vyrobenou z OZE a minimálně (nejlépe vůbec) využívat fosilní paliva. Tento přístup navyšuje požadavky na elektrické energie, což viděno optikou podílu zdrojů na výrobě neznamená automaticky nižší zatížení životního prostředí. To se většinou ospravedlňuje budoucím navýšením podílu výroby elektřiny z OZE. Druhý směr – omezování fosilních paliv – vede k tomu, že se fosilní paliva nevyužijí ani tam, kde by naopak pomohla k snížení emisní zátěže. Jak zjistit, kdy je který energonositel či jaké technické řešení vhodnější? Pečlivým stanovením požadovaných kritérií technických, ekonomických a enviromentálních. Pro malou energetiku od rodinných přes bytové domy až po komerční, veřejné a průmyslové objekty či areály jsou v dnešní výstavbě typickými zdroji tepla plynové kotelny a tepelná čerpadla. V pozici zdroje chladu vidíme nejvíce vzduchem či vodou chlazené blokové jednotky. Pokud nevycházejí kritéria požadovaná legislativně v průkazu energetické náročnosti budovy (PENB), doplňuje se řešení o vlastní výrobu elektřiny – návrhem fotovoltaické elektrárny. Toto jsou nejčastější projektová řešení, jež plní požadovaná kritéria, zajišťují potřeby investora a pomáhají snižovat enviromentální zatížení. Využívají však naplno potenciál navrhované technologie? Položím provokativní až populistickou otázku. Měli byste v pozici investora zájem snížit investiční nebo provozní náklady při stejném nebo lepším technickém řešení bez zhoršení vlivu na životní prostředí? Na takto přímou otázku většina investorů odpoví samozřejmě ano. Bohužel tato otázka není na začátku záměru či projektu takto jednoduchá, a tak se až do realizace přenese nejčastější uniformní řešení bez relevantního zvážení možných alternativ. Jaké otázky je dobré si položit?

Jaká je dostupnost energonositelů v místě stavby? Proč nevyužít silnou plynovou přípojku v místě pro rekonstrukci objektu nebo revitalizaci brownfieldu? Zemní plyn, bioplyn a v budoucnu vodík může sloužit jako palivo pro výrobu tepla, chladu i elektřiny. To lze velmi dobře využít v místech, kde je dostupnost elektřiny malá nebo komplikovaná. Požaduji v objektu chlazení? Protože dnešní reverzibilní kompresorové stroje (tepelná čerpadla) umožňují výrobu tepla i chladu a s úspěchem lze využít synergie požadavků na vytápění i chlazení využitím jednoho zdroje a úsporou investičních nákladů. Chci si vyrábět vlastní elektřinu? Pokud zvažujete instalaci FvE, brzy budete postaveni před rozhodnutí, jak porovnat distribuční a odběrovou křivku v místě a nakolik elektřinu dodávat do sítě, mít pro vlastní potřebu a jakou část roční potřeby nakupovat. Potřebujete-li vyrovnat zimní nedostatečnou výrobu elektřiny z FvE, pomůže vám KGJ případně mikroKGJ optimalizovat celoroční provoz vaší elektrárny. Srovnání ekonomických a ekologických ukazatelů běžných zdrojů tepla

zdroj tepla	zn.	sezónní účinnost	SCOP	teplotní spád	faktor primární neobnovitelné energie	účinnost ku prim. neobn. energii	ekvivalent emisí CO2 na výroby	nákup energie	cena tepla
				°C/°C			t/MWh	Kč/MWh	Kč/MWh
centrální soustava zásobování teplem	CZT	0,99		130/80	0,9	1,10	0,276	2864	2893
plynový kondenzační kotel	PKK	0,88		75/55	1,0	0,88	0,227	2500	2841
plynový kondenzační kotel	PK	0,80		90/70	1,0	0,80	0,250	2500	3125
elektrokotel	EK	0,99		90/70	2,6	0,38	0,394	4200	4242
elektrické TČ vzduch/voda	HP		3,70	55/45	2,6	1,42	0,105	4200	1135
elektrické TČ vzduch/voda	HP		4,65	35/30	2,6	1,79	0,084	4200	903
elektrické TČ země/voda	HP		4,30	55/45	2,6	1,65	0,091	4200	977
elektrické TČ země/voda	HP		5,30	35/30	2,6	2,04	0,074	4200	792
plynové TČ vzduch	GHP		1,35	55/45	1,0	1,35	0,148	2500	1852
plynové TČ vzduch	GHP		1,45	35/30	1,0	1,45	0,138	2500	1724
mikroKGJ	mKGJ	0,97		90/70	1,0	0,97	0,206	2500	2577

Tab.1 Srovnání základních ukazatelů běžných zdrojů tepla

Graf 1 Porovnání ceny energonositele na vstupu do zdroje a ceny vyrobeného tepla

>Graf 2 Účinnost běžných zdrojů tepla upraveno o faktor primární neobnovitelné energie a ekvivalent produkce emisí CO₂ vztaženo na jednotku vyrobeného tepla

Opomíjené technologie

Cílem tohoto článku není otočit kormidlem. Naopak se snažím ukázat na neefektivní zjednodušování a paušalizování v energetických koncepcích. Proto bych rád rozšířil spektrum běžně využívaných zdrojů tepla, chladu a elektřiny o dva specialisty. Nejedná se o univerzální řešení, které se hodí všude, ale které pokud je správně navržené, zvýší účinnost využité energie na vstupu do objektu, sníží provozní náklady a redukuje uhlíkovou stopu objektu. Jsou to plynové tepelné čerpadlo (PTČ) a mikrokogenerační jednotka (mikroKGJ).

Plynové tepelné čerpadlo

Plynové tepelné čerpadlo (někdy značeno GHP – Gas Heat Pump) je zařízení, které slouží k vytápění a chlazení budov, využívá přitom plyn jako hlavní zdroj energie. Na rozdíl od běžných tepelných čerpadel, která mají kompresor poháněný elektromotorem, plynové tepelné čerpadlo využívá spalování plynu pro pohon kompresoru, což mu umožňuje vyrábět energii s nižšími náklady. Tento systém je ideální řešení pro oblasti, kde je plyn cenově výhodnější nebo kde jsou omezené kapacity elektrických přípojek. Mimo představené řešení existuje ještě absorpční plynové tepelné čerpadlo, které funguje na principu absorpčního cyklu a je poháněno tepelnou energií, této technologii se ale v článku věnovat nebudeme.

Jak plynové tepelné čerpadlo funguje?

Základní princip fungování plynového tepelného čerpadla je podobný jako u elektrických čerpadel, ovšem s tím rozdílem, že motor kompresoru je poháněn plynovým spalovacím motorem. Obecně tepelné čerpadlo čerpá teplo z okolního prostředí (vzduchu, vody nebo země) a následovně ho přenáší do systému vytápění a chlazení, a to buď přímo do vzduchu uvnitř objektu nebo do topné/chladicí vody. V letních měsících může fungovat obráceně – tedy přenášet teplo z interiéru ven, čímž zajišťuje chlazení.

Plynové tepelné čerpadlo využívá princip komprese a expanze chladiva, které prochází uzavřeným okruhem. V případě vytápění chladivo absorbuje teplo z venkovního prostředí přes výparník (i při velmi nízkých teplotách) a pomocí komprese toto chladivo „přečerpá“ na požadovanou teplotu, kterou pak přenese kondenzátorem do interiéru nebo systému vytápění. V režimu chlazení naopak odebírá teplo z interiéru a přenáší ho ven. Tlakové poměry v okruhu řídí redukční ventil mezi kondenzátorem a výparníkem.

Výhody plynového tepelného čerpadla

1. Energetická efektivita

   Plynové tepelné čerpadlo je velmi účinné a dokáže poskytnout více energie ve formě tepla nebo chladu, než kolik spotřebuje plynu. Oproti běžně udávané hodnotě topného faktoru COP pro elektrická tepelná čerpadla pracujeme s faktorem využití plynu GUE, který udává kolikrát více energie TČ vyrobí v poměru k energii spotřebované. Jako u ostatních plynových spotřebičů se tato hodnota udává buď pro výhřevnost, nebo pro spalné teplo zemního plynu.

2. Nižší provozní náklady

   Ve srovnání s běžnými elektrickými tepelnými čerpadly jsou provozní náklady na GHP nižší. Také investiční náklady jsou okolo 25 % nižší (platí pro výkony 60–90 kW). Oproti elektrickým čerpadlům, která mohou být závislá na výkyvech cen elektřiny, je plyn v mnoha oblastech stabilnější a cenově výhodnější. Největší efekt přináší výroba chladu z plynu, protože v případě elektrických kompresorových jednotek je potřeba platit paušál za potřebný jistič celoročně, avšak využití je jen během chladicí sezony. Pokud vyřešíte výrobu tepla a chladu pouze z plynu, odpadá potřeba platit za velký elektrický jistič.

3. Ekologické řešení

   Ačkoli spalování plynu produkuje emise, plynové tepelné čerpadlo má v porovnání s tradičními plynovými kotli, elektrickými kotli, přímotopy a dalšími zdroji nižší uhlíkovou stopu. Tento typ čerpadla využívá primárně obnovitelnou energii, nejčastěji ze vzduchu, a plyn slouží jako pomocná energie pro pohon kompresoru.

4. Možnost kombinace s dalšími systémy

   Plynové tepelné čerpadlo může být integrováno do hybridních systémů zdrojů tepla a chladu i větších energetických hospodářství. Tím lze zvýšit jak efektivitu, tak resilienci těchto systémů. Velice vhodná je kombinace GHP s plynovým kondenzačním kotlem nebo KGJ

Nevýhody

1. Závislost na plynové infrastruktuře

   Fungování GHP je samozřejmě závislé na dostupnosti plynu, což může být v některých oblastech omezením.

2. Emise CO₂

   Ačkoli je plynové tepelné čerpadlo ekologičtější než tradiční plynové kotle, stále se při jeho provozu produkuje určité množství CO₂ v místě provozu. Zatímco elektrické zdroje tepla a chladu produkují emise CO₂ v místě výroby elektřiny.

3. Teplota výstupu

   Teplota topné vody na výstupu z TČ je v režimu vytápění maximálně 55 °C a v režimu chlazení je možnost využít odpadní teplo motoru s výstupem až 70 °C. Proto nelze GHP využít pro napojení do otopných soustav s vysokým teplotním spádem. Pozn.: V režimu vytápění je odpadní teplo z motoru přímo využíváno k ohřevu topné vody a není možno toto teplo využít jako v režimu chlazení.

Příklady použití

Plynové tepelné čerpadlo představuje zajímavou alternativu k běžným systémům vytápění a chlazení zejména pro ty, kteří mají dobrý přístup k plynové infrastruktuře a hledají energeticky efektivní a ekologičtější řešení. Navzdory vyšším počátečním nákladům přináší tento systém v dlouhodobém horizontu významné úspory na provozních nákladech a menší dopad na životní prostředí. Plynové tepelné čerpadlo umí připravovat chladicí vodu teplotám blízkým 0 °C a lze jej využít i v chladírenských aplikacích, především v potravinářství.

Budova Direct Media

V rámci revitalizace brněnského brownfieldu v ulici Špitálka vznikla polyfunkční budova. V přízemí jsou výrobní prostory tiskárny, v prvním patře parkovací stání a výše dílny, kanceláře a technické zázemí. Investor se rozhodl tepelná čerpadla přiznat a jsou jasně viditelná jak z parkoviště před budovou, tak z vlaku. Je to zajímavý detail prezentace budovy.

Jsou využita dvě plynová tepelná čerpadla YANMAR GHP 710 v provedení monoblok. Topný výkon 160 kW, chladicí výkon 140 kW. Kompresory tepelného čerpadla jsou poháněny extrémně odolným spalovacím motorem YANMAR, který má periodu výměny oleje 20 000 provozních hodin (osobní auto by za tu dobu najelo 1 400 000 kilometrů). Tepelná čerpadla potřebují pro vytápění i chlazení příkon pouze 3 kW elektřiny. Tepelná čerpadla jsou doplněna bivalentním plynovým kotlem.

Obr.1 Budova Direct Media – čelní fasáda s plynovými tepelnými čerpadly na střeše

Moskevská 63

Administrativní budova je situována v areálu bývalého národního podniku Nářadí Praha (později s názvem Narex), který byl postaven počátkem 80. let 20. století. Budova poskytuje více než 4000 m2 zcela nových a modernímu pojetí práce vyhovujících kancelářských ploch k pronájmu. Součástí nájemních prostor jsou sklady nebo reprezentativní společná lobby se zázemím a možností občerstvení.

Zdrojem tepla a chladu je kaskáda dvou plynových tepelných čerpadel Yanmar ENCP560 vzduch/voda v provedení split s bivalentním dotopem dvěma kondenzačními plynovými kotli. Předpokládaná roční potřeba tepla je 1400 GJ a spotřeba plynu 27 400 Nm3 (pro 80 % tepla z TČ a 20 % tepla z kotlů). Tepelná čerpadla jsou umístěna na střeše objektu a vlastní strojovna je v suterénu v prostoru bývalé plynové kotelny. Obrovskou předností technického řešení je využití původní plynové přípojky, a tedy plynu jako energonositele pro vytápění i chlazení. Není nutné při rekonstrukci budovy posilovat silnoproudé připojení a navyšovat jistič.

Obr. 4 Budova Narex po rekonstrukcí

Obr. 5 Střecha budovy Narex s plynovými tepelnými čerpadly

Mikrokogenerační jednotka

Mikrokogenerační jednotka (mikro-KGJ) je zařízení, které kombinuje výrobu tepla a elektrické energie v malém měřítku, a to zpravidla pro rodinné domy, malé podniky či bytové domy. Díky energetické účinnosti je mikrokogenerace stále oblíbenější zejména v rámci snah o snižování energetických nákladů a emisí skleníkových plynů. Tento systém nejenže šetří energii, ale také přispívá k vyšší nezávislosti na centrálních zdrojích energie, protože není závislý na dostupnosti OZE. Mimo představené řešení existuje ještě technologie palivových článků, které umožňuje rovněž výrobu tepla a elektřiny ze zemního plynu, této technologii se ale v článku věnovat nebudeme.

Jak mikrokogenerační jednotka funguje?

Princip fungování mikrokogenerační jednotky spočívá v tom, že v rámci jednoho procesu dochází současně k výrobě tepla i elektřiny. Tradičně jsou tyto dvě formy energie produkovány odděleně – teplo prostřednictvím kotlů a elektřina v elektrárnách. Tento tradiční model je však často neefektivní, protože během výroby elektřiny vzniká velké množství odpadního tepla, které není využito. Mikrokogenerace tento problém řeší tím, že dokáže toto teplo efektivně využít přímo v dané budově.

V praxi mikrokogenerační jednotka obsahuje malý motor nebo turbínu, který spaluje palivo, nejčastěji zemní plyn, bioplyn nebo LPG. Tento motor pohání generátor, jenž vyrábí elektřinu. Zároveň se při tomto procesu uvolňuje teplo, které je zachytáváno a využíváno pro vytápění budovy nebo ohřev teplé vody.

Výhody mikrokogenerační jednotky

1. Vyšší účinnost: Díky kombinaci výroby tepla a elektřiny může mikrokogenerace dosahovat účinnosti až 90 %, což je výrazně více než u oddělené výroby. Tradiční elektrárny mají účinnost okolo 40 %, protože velká část energie se ztrácí v podobě nevyužitého tepla.
2. Úspory nákladů: Protože mikrokogenerační jednotka vyrábí jak teplo, tak elektřinu, může uživatel výrazně snížit své náklady na energie. Elektřina, kterou si spotřebitel vyrábí sám, nemusí být kupována ze sítě, a přebytečná elektřina může být dokonce prodávána zpět do sítě. Zvlášť výhodná je kombinace s FvE, která vyrábí elektřinu v létě, kdy není potřeba a v zimě, kdy je účinnost FvE malá, vyrábí KGJ teplo i elektřinu.
3. Snížení emisí: Vyšší energetická účinnost vede také ke snížení emisí skleníkových plynů a dalších znečišťujících látek. Pokud je mikrokogenerační jednotka poháněna obnovitelným zdrojem paliva, jako je bioplyn, může být její ekologická stopa ještě menší.
4. Nezávislost na externích dodavatelích: Mikrokogenerační jednotky zvyšují energetickou soběstačnost uživatelů, což může být výhodné zejména v oblastech s nestabilními dodávkami energie. Uživatelé mohou částečně nebo úplně pokrýt svou spotřebu elektřiny z vlastního zdroje.

Nevýhody mikrokogenerace

1. Vstupní náklady: Pořizovací náklady na mikrokogenerační jednotku jsou vyšší než u běžného kotle nebo solárních panelů. Nicméně díky úsporám na provozních nákladech se většinou jedná o investici s návratností 6–7 let.
2. Palivo: Mikrokogenerační jednotky jsou nejčastěji poháněny fosilními palivy, jako je zemní plyn. Ačkoli je možné využít i obnovitelné zdroje, stále většina jednotek spoléhá na fosilní paliva, což omezuje jejich ekologické přínosy.

Kde se mikrokogenerace uplatňuje?

Mikrokogenerační jednotky nacházejí uplatnění především v rodinných domech, bytových domech, menších firmách, hotelích, veřejných budovách nebo sportovních a rekreačních centrech. Ideální jsou tam, kde je stabilní a dlouhodobá poptávka po teple i elektřině. Díky nim mohou majitelé výrazně snížit své náklady na energie a zároveň přispět ke snížení zátěže životního prostředí.

Příklady použití

Mikrokogenerační jednotka je moderní technologie, která efektivně spojuje výhody velkých kogeneračních jednotek a možnost lokální instalace bez dlouhých energovodů. I když její pořizovací náklady mohou být vyšší, dlouhodobě se vyplácí díky úsporám a vyšší energetické účinnosti. Vzhledem k rostoucímu tlaku na snižování emisí a energetickou soběstačnost může být mikrokogenerace důležitou součástí budoucího energetického mixu jak v domácnostech, tak v komerčních či průmyslových objektech.

Botel Admirál Praha

V roce 2024 proběhla netypická instalace mikrokogenerační jednotky do plynové kotelny botelu. Jednotka Neotower 30 má elektrický výkon 30 kW a topný výkon 63 kW. Hotely perfektně splňují podmínky ekonomické využitelnosti pro mikroKGJ, protože mají celoroční potřebu tepla na přípravu teplé vody a zároveň požadavek na elektřinu. Za zmínku stojí, že k běžným povinnostem, vyplývajícím z předpisů pro pozemní stavby, bylo nutné se popasovat i s předpisy, které se vztahují na lodní dopravu. Ač botel nemá vlastní motor a je trvale zakotven, tak musí kompletně splňovat předpisy pro loď.

Obr. 6 Botel Admirál

Obr. 7 Stěhování mikroKGJ 30 kW do botelu Admirál

Hájovna – ostrovní systém

Pro instalaci do hájovny v západočeských lesích byla použita jednotka Neotower 4.0 s elektrickým výkonem 4 kW a topným výkonem 8,8 kW. Ve spojení s fotovoltaickou elektrárnou, bateriovým úložištěm a LPG zásobníkem vznikl unikátní ostrovní systém, který je plně funkční nejen v době velkého slunečního osvitu, ale který si poradí i s obdobím temna. Původně se s KGJ pro řešení ostrovních systémů nepočítalo a start jednotky spoléhal na plné napojení na elektrickou přípojku. Na základě přání mnoha klientů byl vyvinut systém startování z bateriového úložiště. Stále ale platí rozdíl mezi nouzovým dieselgenerátorem a ostrovní mikroKGJ. Jedná se především o dobu startu jednotky, a tedy dobu výpadku elektrické energie. Proto je vždy nutné pečlivě zvážit, jakou funkci má dané řešení plnit.

Obr. 8 MikroKGJ Neotower 4 kW, 1,1 x 0,6 x 1,1 m, 410 kg

Kdy má smysl uvažovat o technologii plynového tepelného čerpadla nebo mikrokogenerační jednotky?

Pro rekonstrukce objektů a areálů, kde je dostatečně kapacitní plynová přípojka. Podstatné je, že není nutné investovat do navýšení kapacity elektrické přípojky a zároveň je možné systém vytápění a chlazení přizpůsobit tak, aby bylo dosaženo vysoké účinnosti a vlastní provoz byl ekonomicky výhodnější než jiné alternativy. Dále pro novostavby objektů s nemožností dostatečně kapacitní elektrické přípojky pro vytápění nebo chlazení. Pro modernizaci zdrojů tepla a chladu, kdy především výroba chladu plynovým tepelným čerpadlem výrazně snižuje provozní náklady na chlazení. V neposlední řadě u objektů se souběžnou potřebou tepla a elektrické energie, jako jsou například hotely. Je však třeba mít na paměti, že se nejedná o vhodné řešení pro všechny budovy, ale pokud se rozhodnete ho využít, pak je potřeba související systémy přizpůsobit pro maximální využití potenciálu těchto technologií.

Závěr

Plnění enviromentálních kritérií, především snižování uhlíkové stopy, není nezbytně vázáno na absolutní odklon od fosilních paliv. Stačí k nim přijmout racionální postoj a v omezeném okruhu aplikací zvážit, zda optimální energonositel je plyn nebo elektřina. Především pro objekty s plynovou přípojkou a nedostatečnou kapacitou silové elektřiny budou plynová tepelná čerpadla vhodným zdrojem chladu i tepla. Pro objekty s vlastní FvE je dobrá kombinace s mikrokogenerační jednotkou. Ta umožňuje výrobu vlastní elektřiny i v době, kdy slunce svítí málo nebo vůbec, a zvyšuje efektivitu využití zemního plynu. Pro obě technologie platí možnost podílu vodíku v palivu nebo využití bioplynu. Tato zařízení umožňují využití v kombinaci s běžnými OZE a utvářet skutečně funkční a resilientní energetickou strukturu.

Zdroje

(1) Roční zpráva o provozu elektrizační soustavy České republiky 2023. ERU oddělení statistiky a sledování kvality. 08/2024

(2) Aktualizace státní energetické koncepce. 8.2.2024 cit. 11.9.2024.

(3) Emisní faktor CO₂ z výroby elektřiny za léta 2010-2023. 4.9.2024 cit. 11.9.2024.

(4) Plynové tepelné čerpadlo pro vytápění a chlazení komerční budovy. cit. 11.9.2024.

(5) Vytápění a chlazení administrativní budovy plynovým tepelným čerpadlem. cit 11.9.2024.

(6) Elektřina levně, bez poplatků za distribuci i když slunce nesvítí. cit. 11.9.2024.

(7) Compact gas engine heat pump. Yanmar 2024. Technický list.

(8) Technický list neoTower. RMB/ENERGIE 2024. Technický list.