Ekologické a ekonomické aspekty energetického a hmotného využití termální vody ve městě Benešov nad Ploučnicí

1. Úvod

Při předpokládaném využití geotermické energie, často relativně vysoké náklady za vrty a nejistá předpověď o délce využitelnosti zdroje zabrání hospodárnému řešení.
Pro české malé město na říčce Ploučnici, ležící cca 15 km od německých hranic s jeho cca 4 150 obyvateli existuje v tomto smyslu příznivá situace. Zde je již několik let využíván stávající geotermální pramen v bezprostřední blízkosti města. Termální voda má teplotu cca 26 °C a maximální kapacitu cca 20 l/s. Využívána je pro podporu zásobování pitnou vodou a navíc k plnění městského plaveckého bazénu.
Úprava termální vody na pitnou vodu, tj. odstranění železa a chlóru, se provádí přímo u pramene. Následně se dopravuje do městského zásobníku pitné vody, který se nachází ve vzdálenosti cca 150 m od termálního pramene. Systém zásobování pitnou vodou se skládá mimo termálního pramene také z obvyklých pramenů podzemní pitné vody. Mícháním obou zdrojů termální a pramenité vody je docíleno, že teplota vody v rozvodech se pohybuje v obvyklých hodnotách.
Plavecký bazén je propojen s termálním pramenem pomocí potrubí (průměr 100 mm)o délce cca 1000 m, při tom na základě geodetického výškového rozdílu není třeba použít čerpadlo. Z plaveckého bazénu vede potrubí do řeky Ploučnice, tak je přebytečná termální voda bez problémů odváděna.
Až do 90-tých let se zakládalo zásobování teplem pro město Benešov, stejně jako zásobování energií celé republiky převážně na spalování hnědého uhlí s relativně vysokým obsahem síry 1,8-2,5 %. Proto byla povolená mezní hodnota emisí SO₂ často značně překročena. Tato situace a celkový stav průmyslu vedly k tomu, že ČSSR v 80-tých letech dosáhla vedle USA a DDR nejvyšších specifických hodnot ve spotřebě primární energie a v hodnotě emisí SO₂ a CO₂ ve světě. Od začátku 90-tých let nastal rozsáhlý, postupný přechod topenišť na zemní plyn nebo topný olej. Na objednávku a s podporou Deutsche Bundesstiftung Umwelt a pomocí městské správy Benešov a českých odborných kolegů z firmy RETO, s. r. o. Děčín /1/. byla vypracována pod číslem 09062 koncepce energetického zásobování s dalekosáhlým energetickým a hmotným využitím stávajícího termálního pramene, jehož praktické využití může být dalším příspěvkem ke snížení použití hnědého uhlí a k odlehčení dopadu na životní prostředí.

2. Výchozí situace

Po analýze energetické situace města, struktury zástavby a její hustoty, se ukázalo, že bez náročných stavebních úprav a úprav vnitřního technického vybavení budov, nebude možno do nového energetického konceptu smysluplně zahrnout většinu bytového fondu a malý počet průmyslových podniků. Další úvahy se proto v souladu s názorem městské správy omezily na panelové sídliště o 440 bytech a cca 1200 obyvatelích. Sídliště je v současné době zásobeno teplem a teplou pitnou vodou prostřednictvím čtyřtrubkové sítě z jedné kotelny vybavené 2 plynovými kotli s tepelným výkonem jednoho kotle 1,5 MW. Kotelna je v provozu od února 1997. Jelikož byly k dispozici detailní měřené hodnoty spotřeby zemního plynu za jeden rok, bylo možné zjistit relativně hodnověrné údaje o minulé spotřebě energie pro vytápění a ohřev pitné vody. Na základě klimatických dat několika dalších let byla pak stanovena pravděpodobná budoucí spotřeba energie spotřebitelů uvažovaných v koncepčním návrhu. Využití termální vody bylo v tomto případě obzvlášť příznivé, jelikož existovalo již potrubí (d =50 m, průměr 100 mm) spojující kotelnu a plavecký bazén s pramenem termální vody.
Ze záznamů spotřeby kotlů v kotelně ve výši cca 858 000 m³ zemního plynu byla zjištěna specifická potřeba primární energie pro vytápění a centrální zásobování teplou vodou včetně všech ztrát pro 440 bytů v panelovém sídlišti 283 kWh/m².

Obrázek 1: Část sídliště, Kotelna

Navíc bylo možné zjistit z individuelního vyúčtování nájemníků průměrnou spotřebu teplé vody 39 l/d ob (litr/den a obyvatel). Tato hodnota odpovídá spotřebě v jiných městech a v Německu při podobném sanitárním vybavení bytů. Pozoruhodné je, že před zavedením individuálního vyúčtování bylo spotřebováváno víc než 100 l/osobu a den. Měřené hodnoty spotřeby plynu mimo topné sezóny se týkaly výhradně výroby teplé vody a ukázaly značné ztráty u kotlů, zásobníků, rozdělovačů, teplovodní sítě a cirkulačního potrubí. Tím je dán pro celý systém stupeň roční účinnosti cca 57 %.
Z celkové spotřeby plynu během roku (1997/1998) se po odečtení podílu na výrobu teplé vody, udávaných ztrát kotlů a odhadnutých ztrát v síti cca 8 % jeví specifická spotřeba tepla panelového sídliště 191 kWh/m² a rok. Tato hodnota odpovídá průměrným hodnotám bytů zásobovaných dálkově teplem v nových spolkových zemích. V novostavbách, které byly postaveny v podobné době a za podobných předpokladů a nebyly vybaveny individuálním měřením pro vyúčtování tepla.

3. Doporučená opatření v oblasti sítě a odběratelů

Výpočet tepelných ztrát budov, dosud tepelně izolovaných pouze na štítových stěnách ukázal, že dalšími stavebními úpravami, zejména tepelnou izolací fasád, střech, stropů, sklepů a zabudováním nových oken, lze docílit snížení spotřeby tepla na cca 80 % stávajícího stavu. Tato opatření by ovšem za stávajících podmínek vyžadovala pro panelové sídliště investiční náklady ve výši cca 11 700 DM na jeden byt a nemohly by být vykompenzovány úsporami na nákladech za teplo ve výši cca 150 DM/rok. Z ekonomických důvodů by měly být provedeny tyto práce teprve po dožití stávajících konstrukcí. Ke snížení spotřeby tepla pro vytápění bylo v konceptu navrženo, instalovat do každého bytu rozdělovač topných nákladů k měření spotřeby tepla pro vytápění, provést hydraulické vyregulování odběrných míst a tepelných zařízení a přizpůsobit stav tepelné sítě těmto změněným podmínkám.
Individuální zjišťování spotřeby a vyúčtování množství tepla vede podle zkušeností ke snížení spotřeby tepla na vytápění na 80 % a méně. To lze vidět na výše uvedeném příkladu snížení spotřeby teplé vody na cca 39 % po zavedení těchto opatření. K lepšímu využití zařízení pro výrobu tepla včetně termické energie termální vody v sítí rozvodu tepla bylo dále navrženo, připojit některé blízké budovy, 18 rod. domků s přípojnou hodnotou = 22 kW/rd na 1 rodinný domek a některé domy v centru města (radnici, zámek apod. o přípojné hodnotě = 1,13 MW). Jelikož bylo zjištěno, že rozšíření rozvodu teplé užitkové vody pro tyto odběratele by bylo nehospodárné, je nutno vytvořit pro ně individuální zásobování teplou užitkovou vodou. Zde se nabízí podle stavebních předpokladů použití solární technologie v kombinaci s místním výměníkem tepla pro ohřev teplé vody.
K zásobování teplem a teplou vodou pro sídliště a teplem k vytápění pro nové odběratele je proto nutno zvýšit tepelný výkon kotelny na Σ = 3,6 MW.

4. Doporučená opatření pro zařízení k ohřevu teplé vody (TUV)a k výrobě tepla pro vytápění

Vedle využití obnovitelných zdrojů energie je zapotřebí u každé koncepce pro zásobování tepelnou energií vzít v úvahu možnost využití kombinované výroby elektřiny a tepla (KVET), která oproti jejich oddělené výrobě umožňuje vysoký stupeň využití primární energie.
S ohledem na celkovou hospodářskou bilanci zařízení ke kombinované výrobě elektřiny a tepla lze u nich - v závislosti na měrné výrobě elektřiny na jednotku dodaného tepla a jejich ročního využití - dosáhnout faktoru spotřeby primární energie f_PE pro dodávku tepla < 1 a dokonce i hodnot f_PE ≤ 0 [2; 3]. Nulová spotřeba primární energie znamená, že z hlediska bilance se teplo vyrábí prakticky bez dodatečné spotřeby paliva.
Při srovnatelných nákladech lze použitím zařízení ke kombinované teplárenské výrobě elektřiny a tepla často dosáhnout značně vyšších efektů při úspoře fosilních paliv a omezení emisí CO₂ než u zařízení využívajících obnovitelné zdroje energie [4; 5]. Avšak současné podmínky v ČR zejména dotace k el. energii, malá podpora šíření ekologických technologií a nedostatek finančních prostředků brání ekonomicky, pro město Benešov nad Ploučnicí, instalaci zdroje s kombinovanou výrobou tepla a elektřiny. Zkoumání případu vedlo k závěru, že lze využít termální vodu s relativně nízkou teplotou 26 °C, která není přímo použitelná k vytápění, pokud se zvýší její teplota vhodným zdrojem tepelné energie jakým je plynové absorbční tepelné čerpadlo (ATČ). Toto řešení je hospodárné a technicky možné.

Obrázek 2: Schematické zapojení procesu jednostupňového absorpčního tepelného čerpadla (ATČ) v logaritmickém p-T diagramu.(získané teplo z termálního pramene při teplotě termální vody T0 a výstupní hodnotě z čerpadla tepla TVý , při využitelném teple TAbs a TK )

Termická energie odebraná z termální vody včetně tepla dodaného spalováním plynu v ohříváku se z absorberu a kondenzátoru přivádí do tepelné sítě malého obsahu.

Přitom se termální voda vychladí v ATČ z 26 °C na 15 °C, v provozu s částečným zatížením na 12 °C. Takto vychlazená voda se bude přivádět do rozvodu pitné vody ve městě. Protože již v současné době se termální voda míchá do vody pitné, nebyla z hlediska hygienických požadavků potřebná žádná další opatření. Případnému ovlivnění kvality pitné vody chladivem (Lithiumbromid) v čerpadle tepla je nutné zabránit příslušnými technickými opatřeními. V následujícím obrázku č. 3 je toto zabezpečení popsáno. Je realizováno ochranným zapojením, tvořeným bezpečnostním spínačem a vypínačem.

Obrázek 3: Technologické schéma návrhu zařízení s absorbčním tepelným čerpadlem a dodávkou ochlazené termální vody do rozvodů pitné vody města Benešov nad Ploučnicí.

Při výběru vhodného ATČ byla srovnávána jednostupňová i vícestupňová zařízení. Optimalizační výpočty ukázaly, že pro tento případ použití vykazuje jednostupňové ATČ s termickým výkonem 1,25 MW a investičními náklady cca 550 000 DM ekologicky i ekonomicky nejlepší výsledky. Při topném faktoru ζ_atč = 1,7, jaký mají obvykle jednostupňové ATČ, vychází pro zdroj tepla z termální vody výparný výkon ₀ = 0,515 MW a pro pohon čerpadla výkon _Vý = 0,735 MW.

Protože teplota vratné vody je nepřímo určena venkovní teplotou (provoz s proměnnou teplotou vody přiváděné do tepelné sítě) může ATČ při zhruba konstantním zvýšení teploty o 40 K v rozsahu venkovní teploty od -8 °C do 0 7deg;C dávat jen snížený tepelný výkon.
Při venkovních teplotách nižších než -8 °C, při kterých je teplota vratné vody ze sítě nad 55 °C a tím je vyšší než vstupní teplota dosažitelná tepelným čerpadlem, nelze již ATČ pro vytápění použít. Následující obrázek ukazuje rozsah použití ATČ.

Obrázek 4: Porovnání teploty výstupu a zpátečky dodávané čerpadlem tepla do tepelné sítě v závislosti na venkovní teplotě.

Proto je nutno, po napojení dalších odběratelů instalovat další plynový kotel o výkonu 600 kW.

5. Ekologické a ekonomické důsledky použití ATČ pro vytápění uvažované oblasti

Po instalaci rozdělovačů topných nákladů v bytech panelového sídliště lze očekávat zmenšení množství tepla, které nemusí dodat kotelna, o 1081 MWh/r.
Po vyhodnocení typické křivky ročního trvání potřeby tepla pro vytápění na sídlišti a u dalších odběratelů vychází, že přes zmíněné omezení provozu ATČ při nízkých teplotách ovzduší, lze termální vodě odebrat ročně Q_{a, Therm} = 2607 MWh/r. Vlivem těchto dvou faktorů (rozdělovače topných nákladů, využití tepla termální vody) se při průměrné účinnosti plynových kotlů ζ_k =0,8 ušetří cca 4 610 MWh/rok zemního plynu.
Při měrné emisi CO₂; ze zemního plynu e_CO2 = 0,2 kg CO₂/kWh vychází celkové snížení emise CO₂ u zařízení pro výrobu tepla o 922 tun/rok.
Výpočet hospodárnosti při částečné finanční spoluúčasti některých českých kooperačních partnerů, podle odhadnutých nákladů pro doporučenou variantu, ukázal tento výsledek :

Anuita AN resp. roční přebytek vztažený na rozšíření zařízení a připojení dalších odběratelů:

Jak lze uvedenými rovnicemi prokázat, bude tento konkrétní pozitivní výsledek při stoupajících investičních nákladech, úrocích a cenách za palivo, a při klesajících tržbách za prodej tepla, nižší nebo dokonce negativní. Před konkrétním plánováním těchto opatření je proto nutné opakovat výpočty hospodárnosti s aktualizovanými měrnými náklady a výnosy a případně započíst možnosti státní podpory.

6. Další možnosti využití termální vody

Jednoduchou změnou zapojení v kotelně je možné použít pro centrální přípravu teplé užitkové vody pro sídliště upravenou termální vodu místo v současné době používané vody ze studní (obr. 3). Zvýšením vstupní teploty z 12 °C na cca 26 °C (v ATČ) se sníží při stávající roční spotřebě sídliště 16 700 m³/rok, spotřeba primární energie o 341 MWh/rok. Tím klesají náklady za palivo o 15 700 DM/rok a emise CO₂ o dalších 68 tun/rok. Termální voda, která opouští ATČ má typickou teplotu pitné vody 12 - 15 °C a v případě potřeby může být po úpravě rovnou dodána do sítě. S ohledem na náklady za úpravu a dnešní cenu vody cca 1,15 DM/m³ může tento postup přinést značný roční výnos. Optimální využití stávajících zásobních nádrží na pitnou vodu a případná výstavba nových by umožnila vyrovnat časový rozdíl mezi potřebou a přípravou vody, protože v topných periodách je často k dispozici dvojnásobně více vody z ATČ, než jaká je potřeba pitné vody. Tento krok by finanční efekt ještě zvýšil.

7. Souhrn

Jako v mnoha jiných městech a obcích České republiky bylo možné docílit v městečku Benešov od počátku 90-tých let pomocí změny nositelů energie (změnou použití primárních zdrojů) značné zlepšení životního prostředí. Největší část města s nízkou hustotou tepelného zařízení a relativně starým domovním fondem bude muset být zásobována v blízké budoucnosti smysluplně moderním decentralizovaným plynovým nebo olejovým vytápěním. Tepelné sítě krátkého dosahu nabízejí naproti tomu vynikající předpoklady k tomu, aby bylo možno pomocí zařízení pro kombinovanou výrobu (KVET), umístěného v centrálním místě a při využití obnovitelných zdrojů nebo energie odpovídající, přispět k úspoře fosilních paliv a ke snížení nákladů. Obecně platí, že s klesající výstupní i vratnou teplotou u těchto systémů lze docílit vyšší výnosy.
V popsaném panelovém sídlišti žije cca 29 % obyvatelstva Benešova. Tepelná síť krátkého dosahu, kterou je třeba rozšířit, může při využití energie termálního pramene pomocí absorpčního čerpadla docílit značného ekologického a ekonomického zlepšení. Vypracovaná koncepce zásobování energií v tomto sídlišti vychází - s vyjímkou zabudování měřičů tepla (rozdělovačů topných nákladů)- ze současného stavu. Bude-li za několik let potřebná sanace (zateplení)budov a bytů, může se při nižších parametrech nových otopných soustav zvýšit pozitivní efekt, tj. podíl tepla dodaného tepelným čerpadlem. Současně je ve změněných rámcových podmínkách možné později hospodárně doplnit kotelnu zařízením pro kombinovanou výrobu.

Městskému úřadu byla předložena následující doporučení:

• ověřit ochotu třech nových skupin odběratelů k připojení k centrálnímu zásobování teplem.
• nabídnout a nechat odsouhlasit přijatelnou cenu tepla.
• vypočíst předpokládaný efekt na základě navržených variant, při výpočtu použít vedle ceny tepla i prodejní cenu ochlazené termální vody, protože prodej vody má značný vliv na ekonomický výsledek (Usilovat o dlouhodobé smlouvy).
• určit prováděcí variantu.
• provést přípravné práce pro doporučenou variantu. Vyžádat si nabídky příslušných montážních a dodavatelských firem.
• zažádat o podporu /dotace/, jelikož realizace navrhovaných opatření přispívá k úsporám zásob fosilních paliv a ke snížení emisí CO₂ .

Literatura

[1]	Klingner, S. ;Rasim, W. ;Sager, J. : Zhotovení konceptu o zásobování energií pro město Benešov s použitím obnovitelných zdrojů energií jako podklad pro vybudování místního zásobování energií. Závěrečná zpráva o konceptu o zásobování energií, podporovaný pod AZ: 09062 nadací Deutsche Bundes-stiftung Umwelt 22.12.1998.
[2]	DIN 4701-10, Energetische Bewertung heiz-und raumlufttechnischer Anlagen - Teil 10: Heizung, Trinkwassererwärmung, Lüftung;6. Manuskript, Januar 2000
[3]	AGFW-Studie: Pluralistische Wärmeversorgung -Strategien und Technologien einer pluralistischen Fern-und Nahwärmeversorgung in einem liberalisierten Energiemarkt unter besonderer Berücksichtigung der Kraft-Wärme-Kopplung und erneuerbarer Energien. (Schlußbericht)Arbeitsgemeinschaft Fernwärmeversorgung - AGFW -e. V. bei der Vereinigung Deutscher Elektrizitätswerke.
[4]	Zschernig, J. : Fernwärmeversorgung und Energiesparverordnung EUROHEAT & POWER -Fernwärme international (1999) 3, S. 22-28
[5]	Zschernig, J. : Fernwärme und Solarenergie - Ergänzung oder Einschränkung? EUROHEAT & POWER - Fernwärme international (1997) 1- 2, S. 23-33

Autoři:
Ing. Kratzmann: Děčín
Dr. Ing. Wolfgang Rasim; Dipl. Ing. Jörg Sager: Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Professur Energiewirtschaft
Ivan Vepřek: Firma RETO, s. r. o. , Děčín