Obnovitelné energie a zemní plyn je pro bytovou výstavbu výhodné kombinovat

Úvod
Věčným problémem všech odborných publikací, které mají posunout kupředu myšlení maximálního počtu čtenářů, je, aby jim nerozuměl jen omezený okruh odborníků, ale aby je chápali i začínající zájemci o obor. Stále mi to potvrzují staří i noví čtenáři Alternativní energie. Proto je popsaný problém určený spíše pro ty na té "začínající straně".

Sluneční energii považujeme za obnovitelný ale nestabilní zdroj tepla či elektrické energie, což není třeba zdůrazňovat. Při oblačném počasí nebo v noci musí být k dispozici stabilní zdroj energie, ve většině případů neobnovitelný. Protože se solární soustava nejčastěji navrhuje k již fungující přípravě TUV nebo otopné soustavě, vzniká celá řada bivalentních soustav: solár + elektro, plyn, LTO, PB, bohužel i uhlí atd.

U biomasy je to trochu komplikovanější. Biomasu můžeme někdy považovat (záleží na volbě kritéria) za nestabilní zdroj, jindy za stabilní zdroj. Za nestabilní zdroj můžeme považovat např. její pěstování v době vegetace nebo kusové spalování v kamnech nebo v krbu - vyžaduje naši přítomnost a stálé přikládání paliva. Stabilně nám slouží, je-li sklizena v dostatečném množství a její zásoby vydrží minimálně jeden rok, opět do další sklizně, nebo je-li spalována např. ve zplynovacím kotli - naložíme ho najednou a mnoho hodin se o kotel nemusíme starat.

Využití elektrické energie z vody a větru ani bioplynu v tomto příspěvku neřeším. Podle ceny stabilního paliva nebo energie, které sluneční energie nebo biomasa nahrazuje, vychází kratší či delší doba návratnosti bivalentní soustavy.

Opačně můžeme také tvrdit, že pro zajištění úspor paliv a energie stabilního zdroje hledáme zdroj lacinější a tím je právě zdroj nestabilní. Jak je všeobecně známé, tímto zdrojem je nejčastěji všudypřítomná sluneční energie, která nevyžaduje žádný transport.

Nemůžeme využívat dva zdroje stabilní energie. Jeden z nich by byl vždy lacinější a ten druhý by tím pádem nebyl trvale využíván. Předpokládá se, že každý uživatel si vybral nebo vybere ten svůj nejlacinější zdroj stabilní energie a protože už jiný lepší dostupný pro něho v současné době neexistuje, musí se porozhlédnout po obnovitelných zdrojích energie (předpokládám, že ještě předtím využil všechny možnosti úspor stávajícího zdroje). A právě kombinace stabilní zdroj s dražší energií a nestabilní zdroj s lacinější energií se v našich klimatických podmínkách ukazuje jako optimální.

Někdy samozřejmě můžeme s realizací obnovitelného zdroje řešit současně i rekonstrukci vytápění a přípravy TUV s přechodem na jiný zdroj stabilního paliva nebo energie. U novostaveb řešíme toto optimum okamžitě.

Uvedené bivalentní spojení obnovitelného zdroje energie a konvenčního zdroje můžeme posuzovat z několika hledisek - soustředíme se na tři nejdůležitější:

1. Vazba ekonomická
2. Vazba ekologická
3. Vazba technická

1. Vazba ekonomická
V této souvislosti řešíme výběr obnovitelného zdroje, pořizovací náklad technologie, provozní náklady a dobu návratnosti, event. nutnou stavební připravenost apod. Předpokládám, že tento známý věčný problém denodenně řeší jakýkoliv investor buď sám, za pomoci projektanta nebo dodavatelské firmy a nebudeme ho proto dále rozebírat.

2. Vazba ekologická
Tato vazba nás bohužel tolik nezajímá, škody na životním prostředí neplatíme z vlastních peněz. Nejhůře je na tom bivalentní vazba se spalováním uhlí. Je stejná, ať vytápíme uhlím v domě, nebo odebíráme elektrickou energii z uhelných elektráren. Uvolňovaný uhlík, který byl do této chvíle akumulován v podzemí ve formě uhlí, velmi výrazně zvyšuje ve formě CO₂ působení skleníkového efektu se všemi současnými i budoucími škodami na ŽP.

Vazba např. s elektrokotlem s elektřinou z atomové energie, přestože se tak ráda chválí, že působení skleníkového efektu nezvyšuje, není také tolik výhodná. Těžba uranu, likvidace následků po těžbě, výstavba atomových elektráren, likvidace odpadu hloubením podzemního úložiště a později i vlastní elektrárny vyžaduje takové množství elektřiny, nafty i benzinu z neobnovitelných (fosilních zdrojů), že by bylo smysluplné pokusit se tyto údaje získat, zpracovat a posoudit (např. zhruba 4,8 milionu tun škodlivých látek zůstává pod zemí po chemické těžbě uranu ve Stráži pod Ralskem a okolí, jejich odstraňování potrvá až do roku 2030 a vyjde nás na 45 miliard korun).

Protože sluneční energie i biomasa žádné zhoršování skleníkového efektu nezpůsobují, měl by mít i druhý zdroj bivalentní soustavy stejný efekt. Z neobnovitelných zdrojů se tomuto požadavku nejvíce přibližuje (ideální fosilní zdroj není žádný) spalování zemního plynu. Jeho škodliviny jsou následující:

SO2 0 N2O *) 0,003 CH4 0,022 CO2 188 CO2 **) 189,392 CO2 ***) 196,562 Prach 0 Tab. 1 - Emisní faktory při konečném užití plynu v g/kWh paliva

SO2 0,073 N2O *) 0,083 CH4 0,611 CO2 5226 CO2 **) 5265 CO2 ***) 5464 Prach 0 Tab. 2 - Přepočet na roční spotřebu běžného RD - cca 100 GJ (= 27,8 MWh) v kg

*) N₂O oxid dusný
**) ekvivalent CO₂ při spalování (současně s N₂O + CH₄)
***) ekvivalent CO₂ při spalování (současně s N₂O + CH₄ + těžbou a dopravou)

---

Poznámka:
Emise oxidů dusíku (dusnatý a dusičitý), obvykle označované jako NO_x, vznikají při spalování všech fosilních paliv, pokud se pro spalování používá vzduch a teploty v zóně plamene se pohybují nad 1000 °C. Emise NO_x z uhlí a topných olejů se skládají z 80 % z palivového dusíku. Zemní plyn na rozdíl od tuhých a kapalných paliv neobsahuje žádný chemicky vázaný dusík a emise oxidu dusnatého vznikají pouze přímou oxidací vzdušného kyslíku. V přepočtu pro tabulku 2 se jedná o něco přes 5 kg za rok.

Emise metanu z plynárenských zařízení v rámci dodávkového řetězce (těžba, doprava) se podílí na celkových globálních emisích metanu, které jsou odhadovány na 625 mil. tun ročně, asi 8 %. Protože se předpokládá, že veškerý metan je odpovědný za asi 15 % skleníkového efektu, přispívají v současné době emise z činnosti veškerého plynárenského průmyslu v celosvětovém měřítku ke skleníkovému efektu cca 1 %.

Pramen: doc. Dr. Ing. Karel Potužák, Ing. Václav Hrádek, CSc., Zemní plyn a životní prostředí, Český plynárenský a naftový svaz, Praha 1999

---

Spotřebiče na zemní plyn mají ve srovnání se spotřebiči na tuhá a kapalná paliva nejvyšší účinnost. Plynové kotle patří nejčastěji mezi nositele titulu "ekologicky šetrný výrobek".
Této ekologicky vhodné situace využili již před lety výrobci plynových kotlů a svůj sortiment rozšířili o vlastní nebo nevlastní sluneční kolektory ploché i vakuové trubicové a dokonce rozšířili vestavěnou automatickou regulaci kotle o část regulace pro okamžitou nebo i pozdější montáž solární soustavy. Je logické, že se stejným nápadem mohou přijít i výrobci elektrokotlů, kotlů na LTO, PB, uhlí atd.

Družicový noční snímek Evropy
Ročně se v místech těžby ropy a plynu spálí více jak 100 miliard m³ zemního plynu.
Toto množství by postačovalo na roční spotřebu Francie a Německa. Na družicovém nočním snímku pořízeném
agenturou MODIS jsou zřetelně patrné bílé body umělého osvětlení a červené body míst spalování plynu.
(zdroj National Geographic Washington, D.C., prosinec 2004)

3. Vazba technická
Zde se zaměříme samostatně na sluneční energii a samostatně na biomasu.

Sluneční energie
Solární soustava musí mít akumulaci TUV (solární ohřívač), která slouží k vyrovnávání nerovnoměrného příjmu energie ze slunečního záření a nerovnoměrného odběru TUV. Je jasné, že v ohřívači bude během dne i roku teplota TUV kolísat. V některých dnech bude ohřívačem dokonce studená voda jen protékat, v jiných (letních) dnech bude teplota mnohdy vyšší než požadovaná (50 - 55 °C). Z důvodu nestability sluneční energie musí jít tato TUV na dohřev do stabilního zdroje. Buď jsou solární ohřívač a "stabilní" ohřívač zapojeny sériově, nebo v případě použití společného (bivalentního) ohřívače je solární ohřev na prvním místě dole a "stabilní" dohřev na druhém místě nahoře ohřívače.

V případě použití plynu se může jednat o klasickou akumulační nebo průtočnou přípravu (karma) TUV. Při dvou ohřívačích dohříváme TUV plynem samostatnou topnou vložkou v druhém ohřívači. U společného ohřívače dohříváme TUV plynem samostatnou topnou vložkou v jeho horní části.

V praxi se může vyskytnout i případ, že majitel plynového kotle i se solární regulací bude chtít namontovat solární soustavu později a solární firma, místo aby využila regulaci v kotli, protože nebude chtít nést případné následky za možné problémy provozu kotle, dodá regulaci vlastní. Regulace se nebudou ovlivňovat, každá firma bude ručit pouze za svoji montáž. Dvojí náklady za regulaci však zůstanou.
Ideální stav samozřejmě nastane, když se sluneční kolektory namontují současně s plynovým kotlem. Jediná záruční doba prověří jak kotel, tak i kolektory současně. Servis na kotel provede i prohlídku solární soustavy a opačně. Jediný dodavatel společný je vhodnější než dva dodavatelé cizí.
Bylo by zajímavé prověřit, zda pro pozdější montáž kolektorů bude platit i záruka na vestavěnou regulaci v kotli, když bude již delší dobu v provozu.

Obr. 1 - Sankeyův diagram odběru TUV ze sériově zapojených ohřívačů
Podíl studené vody protékající ohřívači se řídí teplotou dohřívacího ohřívače.

Určitým problémem sériového zapojení solárního i dohřívacího ohřívače je, že dohřívá-li dohřívací ohřívač předehřátou TUV na vyšší teplotu (nutí nás k tomu ochrana před bakterií Legionella), její odebírané množství je malé. Ve výtokové baterii se totiž mísí s větším množstvím studené vody. Tím průtok TUV soustavou ohřívačů klesá, TUV v solárním ohřívači se ohřívá na vyšší teplotu a účinnost a výkon kolektorů rovněž klesá. Tuto závislost jsem již popsal v časopise Topenářství, zpravodaj pro výrobní družstva v roce 1989. Znovu byla publikována v časopise Topenářství instalace v čísle 6/2000 a 1/2001 pod názvem: Bivalentní příprava teplé vody s využitím fototermální přeměny sluneční energie - vztahy mezi zásobníky. Průtok takovou soustavou, vyjádřený Sankeyovým diagramem, viz obr. 1, hovoří za vše. Dohřívací ohřívač "škrtí" průtok soustavou ohřívačů. Řešením je větší objem solárního ohřívače. V oblačných dnech pak ještě využíváme sluneční energii ze slunných dní.

Stejný problém vzniká i spojením obou ohřívačů do jediného kombinovaného ohřívače. Výrobních variant je velké množství, provozních stavů také, i na základní popis by místo v tomto příspěvku nestačilo.

Poněkud neobvyklý je dohřev plynem průtočným způsobem např. známou karmou. U ní je známo, že ohřívá vodu na takovou výstupní teplotu, která je závislá na zvoleném průtoku (největší průtok o maximálně 25 °C). Karma nemá možnost regulovat výkon v závislosti na vstupní teplotě předehřáté TUV, a proto se teploty "sčítají", což je nežádoucí. Opět se dostáváme do problémů dle obr. 1. Reálné řešení však existuje, ale je nutné spojit se s příslušnými odborníky.

Biomasa
Přestože malé kotle na biomasu (zplynovací i s řízenou dodávkou pelet nebo štěpky) mají možnost plynule řídit výkon, ideální je, když pracují v optimálním výkonu. Nerovnoměrnost výroby i odběru tepla je výhodně řešitelná akumulační nádrží. A právě akumulační nádrž se dá využít i pro akumulaci tepla ze solární soustavy. Jak je patrné z následujícího obr. 2, máme tu opět kombinovanou soustavu a kombinovaný (bivalentní) ohřívač rovněž s velkým množstvím variant i možných provozních stavů.

Obr. 2 - Jedna z principiálních variant řešení - akumulátor tepla
pro vytápění pro dřevokotel a solární soustavu a plynový kotel
Během dne, když jsou obyvatelé v práci nebo ve škole, nebo v noci lze využívat
nižší teplotu nestabilního provozu 2, při návratu obyvatel vyšší teplotu stabilního provozu 1.

Závěr
Využití zemního plynu ve vazbě na obnovitelné zdroje energie se ukazuje jako ekonomicky (přes pořizovací náklady), ekologicky i technicky výhodné řešení. Plyn je v plynofikovaných městech i obcích k dispozici vždy, není ho nutné v domě skladovat, po zapálení je kotel i ohřívač TUV rychle připraven plnit své poslání. Doba prodlení tj. ohřevu kotle i trubního okruhu je krátká. Provoz kotle i "plynové kotelny" je čistý, spaliny z plynu podstatně méně škodlivé než z uhlí. V případě poruchy dodávky (dům využívá dvě energie) je elektrická energie tou poslední záchranou.

Zpráva CIA z roku 2000 tvrdí, že ještě v roce 2015 bude v zemi 80 % původních zásob ropy a 95 % plynu - nás ale zajímá cena těžby a distribuce.

Nevýhodou se v posledních letech stává neustálý růst ceny plynu. Nemusí to však být důvod k zanevření. Když nemůžeme jinak, považujme to za stimul pro další snižování energetické náročnosti našeho bytu i domu. Vždy je možné cokoliv dále energeticky vylepšovat. Využívání OZE bude s centrálním využíváním fosilních paliv a jaderné energie v souběhu (ku škodě nás všech), který může trvat desítky let. Návrat k lokálnímu spalování uhlí je sice možný, ale z hlediska ochrany zdraví obyvatel i životního prostředí nežádoucí.

Recenze:
Předpokladem úspěchu při používání obnovitelných zdrojů energie a zkrácení doby návratnosti investičních a provozních nákladů je co nejvíce snížit spotřebu tepelné energie vytápěného objektu. Především zvýšením tepelného odporu obvodového pláště budovy včetně kvalitní okenní plochy, automatickou regulací vnitřního klimatu vytápěného prostoru při zachování tepelného komfortu. Od automatické regulace požadujeme především možnost využívání části objektu jak v časovém, tak teplotním režimu.
Při ekonomických výpočtech doby návratnosti investičních a provozních nákladů je vhodné pro zařízení uváděná v článku stanovit optimum mezi náklady stavebními (materiál obvodového pláště, druh a tloušťka tepelné izolace, tvar objektu apod.) a náklady na strojní část zařízení (velikost plochy slunečních kolektorů, velikost zásobníků, velikost přídavného zdroje tepla, typ regulace apod.).
V současné době pro standardní rodinný dům s kvalitním obvodovým pláštěm a plným automatickým provozem vychází tepelný zdroj s jmenovitým výkonem 6 až 8 kW.

Poznámky k tabulce č. 1 a 2 - emisní faktory:
Podle nařízení vlády č. 352/2002 Sb. se udávají emisní limity v mg/m³ spáleného paliva při obsahu kyslíku 3 % pro normální stavové podmínky a suchý plyn.

prof. Ing. Karel Laboutka, CSc.