Bankovní institut vysoká škola Praha Bankovnictví a pojišťovnictví
Aplikace a možnosti obnovitelných zdrojů energie v bytových domech Diplomová práce
Autor:
Bc. Simona Klierová Finance, Oceňování majetku
Vedoucí práce:
doc. Ing. Jan Pašek, Ph.D.
Praha
Duben 2012
Prohlášení
Prohlašuji, že jsem diplomovou práci na téma „Aplikace a možnosti obnovitelných zdrojů energie v bytových domech“ zpracovala samostatně a v seznamu jsem uvedla veškerou použitou literaturu.
Svým podpisem stvrzuji, že odevzdaná elektronická podoba práce je identická s její tištěnou verzí, a jsem seznámena se skutečností, že se práce bude archivovat v knihovně BIVŠ a dále bude zpřístupněna třetím osobám prostřednictvím interní databáze elektronických vysokoškolských prací.
V Praze 30.4.2012
Bc. Simona Klierová
Poděkování
Úvodem bych ráda poděkovala mému vedoucímu práce panu doc. Ing. Janu Paškovi, Ph.D. za poskytnutí cenných rad a návodů při psaní diplomové práce. A také bych ráda poděkovala své rodině a příteli za neustálou podporu a pomoc.
Anotace
Napsala jsem diplomovou práci na téma „Aplikace a možnosti obnovitelných zdrojů energie v bytových domech.“ V této práci se věnuji problematice obnovitelných zdrojů energie a na tomto základě bylo mým cílem určit několik zásad nebo doporučení aplikovatelných při oceňování nemovitosti, s instalovaným zařízením, které využívá k získání tepla nebo elektřiny obnovitelné zdroje. Dalším cílem bylo i technickoekonomické porovnání tradičních a moderních zdrojů tepla a také odhad budoucího vývoje energií.
Klíčová slova: obnovitelné zdroje energie, doporučení, oceňování, porovnání obnovitelných zdrojů, budoucí vývoj
Annotation
I wrote a thesis on "Application and possibilities of renewable energy in residential buildings." This work is devoted to the issue of renewable energy sources and on this basis it was my aim to identify some principles and recommendations applicable to the valuation of real property installed equipment that uses obtaining heat or renewable electricity. Another objective was the techno-economic comparison of traditional and modern heat sources and an estimate of future energy development. Key words: renewable energy sources, recommendation, evaluation, comparison of renewable resources, future development
Obsah: Úvod ................................................................................................................................. 6 1. Energie ....................................................................................................................... 8 1.1. Energie a její druhy ..................................................................................... 8 1.2. Rozdělení zdrojů energie ............................................................................ 9 1.3. Rozdělení obnovitelných zdrojů energie .................................................. 10 2. Energie z biomasy .................................................................................................... 11 2.1. Co je to vlastně biomasa? ......................................................................... 11 2.2. Využití biomasy ........................................................................................ 12 3. Geotermální energie ................................................................................................. 15 3.1. Princip tepelného čerpadla ........................................................................ 17 3.2. Typy tepelných čerpadel a jejich tepelné zdroje ....................................... 19 3.2.1. Uspořádání vzduch – vzduch ........................................................... 19 3.2.2. Uspořádání vzduch – voda ............................................................... 21 3.2.3. Uspořádání voda – voda................................................................... 22 3.2.4. Uspořádání země – voda .................................................................. 26 4. Vodní energie ........................................................................................................... 29 4.1. Princip vodní elektrárny............................................................................ 29 4.2. Malé vodní elektrárny ............................................................................... 30 4.3. Přečerpávací vodní elektrárny................................................................... 30 4.4. Energie moří a oceánů .............................................................................. 30 5. Energie větru ............................................................................................................ 33 5.1. Přírodní podmínky v České republice....................................................... 33 5.2. Větrné elektrárny a životní prostředí ........................................................ 33 5.3. Rozdělení větrných elektráren .................................................................. 34 6. Sluneční energie ....................................................................................................... 36 6.1. Systémy pro využití solární energie.......................................................... 37 6.1.1. Pasivní systémy pro ohřev vody ...................................................... 38 6.1.2. Aktivní systémy pro ohřev teplé vody ............................................. 38 6.2. Využití solární energie pro vytápění ......................................................... 41 6.2.1. Pasivní solární systémy pro vytápění............................................... 42 6.2.2. Aktivní solární systémy pro vytápění .............................................. 45 6.3. Využití solární energie pro výrobu elektřiny ............................................ 47 6.3.1. Využití solárního tepla k výrobě elektřiny....................................... 47 6.4. Využití solární energie pro bytové domy.................................................. 52 6.5. Energetická náročnost budov .................................................................... 55 6.5.1. Dělení budov dle energetické náročnosti ......................................... 55 6.5.2. Tepelné zisky a ztráty ...................................................................... 56 6.6. Rozvržení budov z hlediska energetiky .................................................... 59 7. Návrh využití obnovitelného zdroje......................................................................... 61 7.1. Provedení stavby ....................................................................................... 62 7.2. Střešní konstrukce ..................................................................................... 63 7.3. Skleněné výplně ........................................................................................ 63 7.4. Vytápění a větrání ..................................................................................... 64 7.5. Technická část zařízení budov .................................................................. 64 7.6. Zařízení elektrospotřebiči ......................................................................... 64 8. Syntéza obnovitelných zdrojů energie a doporučení pro oceňování ....................... 66 Závěr .............................................................................................................................. 75
5
Úvod Účelem mé diplomové práce je seznámit čtenáře s problematikou obnovitelných zdrojů energie a jejich možnosti použití nejen pro rodinné domy, ale i v panelových budovách, jelikož podle dostupných informací z roku 2001 je v české republice více jak 195 270 bytových domů s trvale obydlenými 2 160 730 byty, ve kterých žije v průměru cca 5 401 825 obyvatel. Hlavním cílem této práce je stanovení doporučení vhodných pro oceňování nemovitosti, která využívá obnovitelné zdroje energie. Dalším cílem je technicko-ekonomické porovnání tradičního způsobu získávání energie s moderními zdroji energií. A také odhad budoucího vývoje v oblasti energetiky. Toto téma jsem si vybrala, protože se ceny energií neustále zvyšují a v budoucnosti se nemovitosti budou blížit čím dál více k energetické soběstačnosti. Dalším důvodem je také to, že mě toto téma zajímá z hlediska pořízení vlastního bydlení a možnosti využití obnovitelných zdrojů ve vlastním domě. Informační prameny pro tuto diplomovou práci tvořily převážně internetové stránky (tzb-info.cz, nazeleno.cz, ekowatt.cz), dále to byly odborné publikace a články, ale také televizní obrazovka a archiv pořadů české televize. Primární, zvolenou metodou zpracování diplomové práce, byla použita analýza obnovitelných zdrojů energie. Technologie obnovitelných zdrojů jsou zde analyzovány z všeobecného i reálného hlediska a následnou syntézou jsou identifikována určitá doporučení, která by bylo možno využít při oceňování nemovitosti, jež obnovitelné zdroje využívá. Dále je uvedeno porovnání pořizovacích cen zařízení, pracujících s obnovitelnými zdroji, a cen paliv a dále srovnání průměrných cen energií pro byt a rodinný dům z různých zdrojů tepla. A na závěr je uvedeno určení předpokládaného vývoje energetiky do budoucna.
V posledních letech si vývoj čím dál více žádá přehodnocení dosavadního přístupu lidstva v oblasti využívání energie. Zásoby fosilních zdrojů se snižují, neustále roste jejich cena a v oblastech jejich těžby panuje nestabilita, která udává směřování energetiky. Státy EU, OECD1 i další vyspělé státy ve světě si uvědomují problémy, 1
OECD – Organizace pro hospodářskou spolupráci a rozvoj (Organisation for Economic Co - operation and Developlment). „Jedná se o mezivládní organizaci 34 ekonomicky nejrozvinutějších států na světě, které přijaly principy demokracie a tržní ekonomiky. OECD koordinuje ekonomickou a sociálněpolitickou spolupráci členských zemí, zprostředkovává nové investice, prosazuje liberalizaci
6
před kterými v této oblasti stojí. Energetická politika těchto států se z tohoto důvodu stále více zaměřuje na pokles závislosti od dovozu hlavních energetických zdrojů, na zvýšení účinnosti výroby energie a také na motivování spotřebitelů k hospodárnějšímu využívání energie. Česko by v tomto směru zajisté nemělo zaostávat.2
V domácnostech spotřeba energie stále roste i přes to, že energetická náročnost domácích spotřebičů v posledních desetiletích výrazně poklesla a elektrospotřebiče jsou čím dál více úspornější. Je to dáno hlavně tím, že v domácnostech spotřebiče přibývají. Ještě před přibližně 60 lety bylo běžné svítit v celé místnosti pouze jednou 40 Wattovou žárovkou, dnes najdeme v takové místnosti osvětlení s celkovým světelným výkonem až desetkrát větším. U chladniček a mrazniček se zvyšuje jejich objem a přibývají další pomocníci pro domácnost. Stejně tak dnes v domácnostech najdeme většinou minimálně dva televizory a u nich další přehrávače, herní konzole a samozřejmě počítače. Elektřina také začala nahrazovat teplo z jiných zdrojů. Například u myčky nádobí, která ohřívá vodu elektřinou. Voda by přitom mohla být při mytí ve dřezu ohřátá například teplem z teplárny nebo z domácího plynového kotle.3
Z uvedeného vyplývá, že lidská civilizace je závislá na zdrojích energie. Na energiích závisí doprava i průmysl, dále to jsou služby, ale také naše životní úroveň. Spotřebovávaná
energie je taktéž závislá na společenském a technickém rozvoji.
Důsledkem toho je znečištění životního prostředí, ztenčující se zásoby fosilních paliv, dále je to poškození ekosystémů a zároveň negativní vliv emisí na lidský organismus. Proto je důležité přemýšlet o alternativních zdrojích energie.4
mezinárodního obchodu. Cílem OECD je napomáhat k dalšímu ekonomickému rozvoji, potlačení nezaměstnanosti, stabilizaci a rozvoji mezinárodních finančních trhů.“ Citováno z http://cs.wikipedia.org/wiki/Organizace_pro_hospod%C3%A1%C5%99skou_spolupr%C3%A1ci_a_roz voj 2 Čerpáno z knihy „Obnovitelné zdroje energie 1 – Technológie pre udržateľnú budúcnosť“, kolektiv autorů, ISBN 978-80-969777-0-3 3 Čerpáno z publikace S energií efektivně – příručka pro energeticky úspornou domácnost, Ing. Karel Srdečný, vydal Magistrát hlavního města Prahy 2007 4 Čerpáno z knihy „Obnovitelné zdroje energie 1 – Technológie pre udržateľnú budúcnosť“, kolektiv autorů, ISBN 978-80-969777-0-3
7
1. Energie 1.1. Energie a její druhy Nejprve si řekneme co znamená pojem energie. Pojem energie vyjadřuje schopnost hmoty konat práci. Nositelem energie není jen látková hmota, ale také fyzikální pole. Známými druhy energie jsou:
Jaderná energie Uvolňuje se díky štěpení jader těžkých prvků nebo při syntéze lehkých prvků. Chemická energie Je energie chemických vazeb atomů a molekul, která se uvolňuje v důsledku přestavby elektronových obalů atomů. Nositelem tohoto druhu energie jsou například fosilní paliva. Mechanická energie Je energie pohybujících se těles a nebo jednotlivých částí. Formou tohoto druhu energie je například kinetická energie vody a větru. Tepelná energie Je energie, která je projevem neuspořádaného pohybu atomů a molekul v látce. V důsledku zákonů termodynamiky samovolně prochází teplo jen z teplejšího tělesa do chladnějšího. Experimentuje se například s využíváním tepelného potenciálu mořské vody mezi hladinou a hlubinami. Elektrická energie Nejčastěji se přenáší elektromagnetickým polem v návaznosti na pohyb vodivých elektronů ve vodičích. Elektrická energie je obzvlášť vhodná na přenos a rozvod energie ke spotřebiteli, tedy jako nosič energie. Nedostatkem této formy energie je, že jí není možné účinně skladovat, je však možné ji transformovat
na
jiné
druhy
energie.
Dá
se
akumulovat
například
v kondensátorech, v elektrochemických reaktorech a v přečerpávacích vodních elektrárnách, nebo použít na výrobu vodíku, který se později zužitkuje v palivovém článku. Všechny druhy energie, které můžeme použít na akumulaci energie jsou použitelné také na její přenos.5 5
Čerpáno z knihy „Obnovitelné zdroje energie 1 – Technológie pre udržateľnú budúcnosť“, kolektiv autorů, ISBN 978-80-969777-0-3
8
1.2. Rozdělení zdrojů energie Jako další bude rozdělení zdrojů energie. Ty můžeme rozdělit na dvě hlavní skupiny a to:
Neobnovitelné zdroje – kdy zásoby těchto zdrojů postupně ubývají. Do této skupy patří fosilní a jaderná paliva. Obnovitelné zdroje – jsou to zdroje, jejichž energetický potenciál se trvale obnovuje přírodními procesy, jsou člověku volně k dispozici a jejich zásoba je z lidského pohledu nevyčerpatelná.
Patří sem:
sluneční energie energie větru vodní energie a energie moří a oceánů geotermální energie energie z biomasy
Obr. 1 - ilustrace obnovitelných zdrojů energie6
6
Obrázek převzat z http://www.aasimsaied.net/renewable-energy
9
1.3. Rozdělení obnovitelných zdrojů energie Obnovitelné zdroje energie lze v zásadě rozdělit do tří základních skupin podle základní energie, na které jsou založeny. Jsou to zdroje založené na:
Rotační a gravitační energii Země a okolních vesmírných těles - přílivová energie Energii zemského jádra - geotermální energie Energii dopadajícího slunečního záření – přímé sluneční záření, energie větru, energie mořských vln, tepelná energie, energie biomasy a energie vodních toků
Největší potenciál využití mají obnovitelné zdroje založené na dopadajícím slunečním záření. Tato energie je využitelná přímo – jako energie přímého či rozptýleného slunečního záření nebo v transformovaných formách – energie vody, větru, biomasy atd.
Z přílivové a geotermální energie, z energie větru, mořských vln, přímého slunečního záření, z biomasy a z energie vodních toků lze získat
elektrickou energii.
Z geotermální energie, z přímého slunečního záření, z tepelné energie prostředí a z biomasy lze získat teplo.7
Následující kapitoly jsou věnovány jednotlivým podobám obnovitelných zdrojů. Například energii z moří a některé další zdroje energie nelze v klimatických podmínkách České republiky a v běžné architektuře nemovitostí použít, jelikož to vyžaduje, aby domy měli určitou geografickou polohu. Proto této části není věnována až taková pozornost. S Obnovitelnými zdroji energie, se kterými se můžeme setkat v České republice, budou více rozvedeny.
7
Čerpáno z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006
10
2. Energie z biomasy Energie získávaná z biomasy patří mezi nejstarší energetické technologie využívané lidstvem. Její využívání se datuje už v době kamenné, kdy oheň sloužil našim předkům k přípravě stravy a také k vyhřívání jeskynních obydlí, a až po nástupu využívání fosilních paliv a elektřiny v moderním světě biomasa ztratila svoje vedoucí postavení. Vzhledem k tomu, že fosilní paliva mají negativní vliv na životní prostředí dostává tímto biomasa další šanci stát se důležitým energetickým zdrojem.
2.1. Co je to vlastně biomasa? Biomasa je biologický materiál vhodný na energetické využití, který se tvoří ve volné přírodě
a nebo je vyprodukovaný činností člověka. Je to vlastně zakonzervovaná
sluneční energie, kterou rostliny díky fotosyntéze přemění na organickou hmotu. Ta, ať už jako palivové nebo odpadní dřevo, byliny, plodiny, rostliny nebo jiné zemědělské a lesní odpadní zbytky, včetně exkrementů hospodářských zvířat, dokáže vhodnou konverzí poskytnout užitečné formy energie - již zmíněnou elektrickou energii, teplo i kapalná paliva pro motorová vozidla.
Biomasa patří mezi významné obnovitelné
zdroje energie a je významný nosičem energie, který může do značné míry nahradit fosilní paliva.8
„Základní výhodou biomasy je její nefosilní původ a obnovitelnost. Z hlediska emisí oxidu uhličitého, který je hlavním plynem, který způsobuje tzv. skleníkový efekt, se biomasa chová neutrálně – při udržitelném přístupu, kdy nejsou zdroje biomasy extrémně vyčerpány se jedná o uzavřený cyklus, kdy je CO2, uniklý do atmosféry při spalování, pohlcen nově dorůstající biomasou, kterou je možno dále energeticky využít.“9
8
Čerpáno z knihy „Obnovitelné zdroje energie 1 – Technológie pre udržateľnú budúcnosť“, kolektiv autorů, ISBN 978-80-969777-0-3 a čerpáno z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006 9 Citováno z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006
11
2.2. Využití biomasy „V současné době je biomasa obnovitelným zdrojem s nejvyšším podílem na spotřebě primárních energetických zdrojů. Mimo decentralizované využívání biomasy ve formě palivového dřeva v lokálních topeništích a několika desítkách tisíc malých zplyňovacích kotlích na dřevo bylo v ČR v posledních cca 15 letech realizováno několik desítek malých obecních a průmyslových výtopen na biomasu (dřevní štěpka, sláma, odpadní dřevo). Biomasa je využívána i pro výrobu elektřiny v teplárnách (příkladem může být teplárna využívající ORC – Organický Rankinův cyklus v Třebíči), či pro spoluspalování s fosilními palivy v některých uhelných elektrárnách vybavených fluidními kotli. Z biomasy a bioplynu bylo v roce 2004 vyrobeno cca 732 GWh elektřiny, což je 1,06% hrubé domácí spotřeby elektřiny (podíl vodních elektráren byl 2,94%, podíl větrné energie 0,014%). V ČR se v roce 2004 vyrobilo cca 125 tisíc tun dřevních briket a cca 13 tisíc tun pelet. Z toho cca 65% briket a 70% pelet bylo určeno pro vývoz.
V ČR patří podle různých analýz mezi země s relativně vysokým potenciálem biomasy. Podle údajů CZ BIOM se dostupný potenciál biomasy a bioplynu pohybuje ve výši cca 134 PJ, což je cca 7,2% současné spotřeby primárních energetických zdrojů. Významný podíl na celkovém potenciálu biomasy mají energetické rostliny a plodiny.“10 V příloze č.1 uvádím tabulku, která ukazuje dostupný potenciál využití biomasy v ČR. Z hlediska energie je i dnes základním a nejčastějším konečným využitím biomasy její spalování. Podle své formy je spalována přímo, nebo jsou spalovány plynné či kapalné produkty jejího zpracování.
Přímo se spalují: Energetické technické plodiny Rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a po údržbě krajiny Komunální organické odpady Odpady z dřevařských provozů Lesní odpad 10
Citováno z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006
12
Mokrými chemickými procesy pomocí metanového kvašení se spalují:
Odpady z živočišné výroby Kaly z čistíren odpadních vod Komunální organické odpady Organické odpady z potravin, z výroby Nejčastěji jsou používána tuhá biopaliva jako jsou: odpady z lesnické, zemědělské, dřevozpracující a papírenské výroby nebo cíleně pěstovaných energetických rostlin. Tuhá paliva se spalují převážně ve stacionárních kotlích nebo výtopnách, ale mohou být využita i jako paliva pro teplárny, které produkují teplo i elektrickou energii zároveň. Palivové dřevo je využíváno v podobě polen nebo jako štěpka, dále se také používá sláma v podobě balíků nebo odpadové dřevo, které má podobu pilin, štěpky, pelet, dřevěných briket a nebo hoblin. Tato tuhá paliva se spalují v kotlích – klasická kamna, cihlové pece, kachlová kamna a nebo malé kotle využívané pro vytápění rodinných domů a jako poslední jsou to velké kotle pro průmysl.
V poslední době mají hlavně u rodinných domů největší oblibu pelety, které se spalují v prakticky bezobslužných kotlích, které mají podavače a upravený hořák viz. obrázek číslo 3.
Obr. 2 - Pelety11
11 12
Obr. 3 – Kotel na pelety se zásobníkem12
Obrázek převzat z http://epellet.com/pelety/ Obrázek převzat z http://www.defro.cz/automaticke-kotle--duo-pellet-nebo-lux-str-6-1-6-2.html
13
Nicméně realizace projektu na využívání biomasy vyžaduje individuální řešení a proto by tomuto procesu měla předcházet podrobná technicko-ekonomická studie, která by měla mít podobu energetického auditu nebo studie proveditelnosti. Z hlediska dlouhodobé investice je potřeba mít zajištěnu dlouhodobou a stálou dodávku odpadního dřeva nebo slámy. I cena dodávané formy biomasy by měla být nejlépe ošetřena dlouhodobou smlouvou. Jedna tuna pelet se prodává za cenu 5500,- Kč až 6.000,- Kč, nebo jedna tuna dřevěných briket se prodává za cenu zhruba 4.700,- Kč až 5.400,- Kč. Kotle se pohybují v rozmezí od 50.000,- Kč do 150.000,- Kč. Ty nejdražší nabízejí již plně automatický systém. Pro neizolovaný rodinný dům se za jednu topnou sezonu spotřebuje kolem pěti až osmi tun pelet (včetně ohřevu teplé vody) a u novostaveb s dobrou tepelnou izolací se spotřebuje od dvou do tří tun pelet. Pelety mají velkou výhřevnost, což je řadí na stejnou úroveň jako hnědé a černé uhlí.
Obr. 4 - Přehled dřevěných pelet a topných obilnin, které lze spalovat v kotli13
Biomasa se využívá i ve formě kapalných biopaliv a to jako bionafta nebo bioetanol. To se ovšem využívá spíše pro spalovací motory automobilů nebo pro výrobu biologicky odbouratelných mazadel či jako aditivum do kapalných paliv. 14 13
Obrázek převzat z http://www.pozitivni-noviny.cz/cz/clanek-2007110037 Čerpáno z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006
14
14
3. Geotermální energie Jako další možný zdroj energie uvádím geotermální energii nebo-li tepelnou energii zemského pláště, podzemních vod a energie prostředí. V České republice se zdroje využívající geotermálního tepla přímo pro výrobu elektřiny nebo pro centrální vytápění využít nedají, jelikož je k tomu potřeba správná geografická poloha, tedy místo, kde se nacházejí horké vodní prameny, jako jsou například v Itálii nebo na Islandu. U nás se dá ale celkem dobře použít tzv. nízkopotencionální teplo prostředí, které za pomoci tepelných čerpadel převádí nízkopotencionální teplo (např. kolem 2°C) na vyšší teplotu (kolem 50°C). Tímto způsobem získané teplo je možné využít pro vytápění budov, pro ohřev teplé nebo bazénové vody, případně pro skleníky či vytápění teras. Díky tepelným čerpadlům lze získávat teplo z povrchových vrstev půdy, z vrtů do půdy, z podzemních i nadzemních vod.
V rámci projektu „Revize vymezení ekologicky
narušených oblastí ČR“, který byl zpracován v roce 1997 Nadací Projekt Sever pro Sekci ochrany krajiny Ministerstva životního prostředí ČR na základě podkladů firmy Geomedia, s.r.o. byla provedena studie území ČR na možnost využití geotermální energie ze spodních vod. Na základě této studie byla ČR rozdělena dle údajů o horninovém složení, hloubkách podzemních vod a dalších informacích do čtyř kategorií:
Obr. 5 – Rozdělení ČR podle vhodnosti využití geotermální energie15
15
Obrázek převzat z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006
15
Jednotlivé kategorie jsou popsány takto16:
Zcela
Plochy zcela nevhodné pro využití geotermální energie (povrchové lomy a velkoplošné
nevhodné
výsypky)
Méně
Území vhodná převážně pro individuální lokální využívání geotermální energie, většinou
vhodné
jen jako suché teplo horninových masívů, tedy vrty do hloubky 100 – 150 m. Území vhodná pro individuální využití geotermální energie, převážně sedimentární formace, ale i vulkanity a místy i metamorfity s možností uplatnění systému suchého tepla a nebo i systému voda – voda. Na Moravě v hlubokých sedimentárních strukturách v hloubkách několika set metrů je možné využít i zvodnění větší vydatnosti a vyšší teploty.
Vhodné
Území vhodná jak pro individuální, tak i pro plošně nebo energeticky náročnější objekty, případně i větší aglomerace. Využití geotermální energie je možné i jako suché teplo hornin, ale hlavním zdrojem geotermální energie jsou zvodně17 vhodně uložené v různých hloubkách pod povrchem s rozličnou vydatností až do několika desítek vteřinových litrů. Do této skupiny jsou zahrnuty i některé údolní nivy povrchových toků.
Velmi
Území velmi vhodná pro využití geotermální energie mělkými vrty o větší vydatnosti
vhodné
v kvartérních údolních sedimentech, tedy ekonomicky velmi výhodné.
Tabulka 1 - Kategorie rozdělení ČR pro využití geotermální energie18
V ČR se tepelná čerpadla stále více objevují pro vytápění a ohřev vody u nových staveb i u starších budov. Zvyšování cen energií je důvodem ke snaze co nejvíce ušetřit na nákladech za vytápění. Dalším důvodem je také snižování emisí, plynů a nečistot, které vznikají spalováním uhlí, dřeva a dalších látek. V ČR jsou tepelná čerpadla poměrně novou technologií - u nás je instalováno přes 20 000 tepelných čerpadel. Například ve Švýcarsku, kde je kladen velký důraz na životní prostředí je vytápěno tepelnými čerpadly 60% nových rodinných domů a nebo ve Švédsku, kde se vytápí až 90% novostaveb.19
16
Čerpáno z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006 17 „Zvodeň je hydraulicky jednotná a souvislá akumulace gravitačních podzemních vod v hornině, t.j. spojité těleso vody (akumulace) v kolektoru, kterým se mohou šířit hydraulické impulsy, resp. může docházet k přenosu (transportu) hmot. Podle tlaku na vrchní hranici zvodně se rozlišuje napjatá zvodeň a volná (nenapjatá) zvodeň.“ – citováno z http://cs.wikipedia.org/wiki/Zvode%C5%88 18 Tabulka převzata z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006 19 Čerpáno z SLOVÁČEK, J. Tepelná čerpadla v ČR na http://www.avtc.cz/?page=6.tepelna-cerpadla-vcr
16
3.1. Princip tepelného čerpadla Základní myšlenka fungování tepelného čerpadla spočívá na Clausiově formulaci druhého zákona termodynamiky, kdy teplo nemůže samovolně přecházet ze studenějšího tělesa na teplejší bez konání práce. Musíme tedy teplu nějakým způsobem pomoci v jeho přestupu pomocí dodávky části energie zvenčí.20 Jedná se vlastně o obrácený princip chodu chladniček nebo klimatizace. V chladničce je teplo odebíráno potravinám uvnitř ledničky a je odevzdáváno do okolního vzduchu, které má (obzvláště v létě) výrazně vyšší teplotu, než je teplota uvnitř chladničky a projeví se to zvýšenou teplotou kondenzátoru, který je umístěn na zadní straně chladničky. Tepelné čerpadlo odebírá teplo z externího zdroje - voda, vzduch nebo země, a to přechází dovnitř objektu nebo vody za pomoci radiátorů nebo podlahového vytápění. Ovšem na rozdíl od ostatních obnovitelných zdrojů je pro provoz tepelného čerpadla potřeba dodat elektrickou energii a to konkrétně pro kompresor. Kompresor stlačuje na vysoký tlak ekologickou teplosměnnou látku, která má vhodnou teplotou varu a za jejíž pomoci se teplo přenáší. Pro tepelná čerpadla jsou využívány především spirálové kompresory, které umožňují dosahovat vysokých tlaků, mají dlouhou životnost a jsou tiché.21
Obr. 6 – Princip tepelného čerpadla22 20
Čerpáno z http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/610-druhy-termodynamicky-zakon Čerpáno z http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/610-druhy-termodynamicky-zakon, čerpáno z http://www.avtc.cz/?page=6.tepelna-cerpadla-v-cr, čerpáno z http://www.mastertherm.cz/principtepelneho-cerpadla 22 Obrázek převzat z http://www.techmania.cz/edutorium/index.php - molekulová fyzika, princip tep.čerpadla 21
17
Tepelné čerpadlo má dva tepelné výměníky. Výparník a kondenzátor. Ve výparníku se teplosměnná látka odpařuje a v kondenzátoru se znovu zkapalňuje. Princip tepelného čerpadla je popsán ve čtyřech dějích: První děj - Vypařování: Z vody, vzduchu nebo ze země je odebíráno teplo pomocí chladiva kolujícího v tepelném čerpadle a tím se odpařuje nebo-li přeměňuje své skupenství na plynné. Druhý děj - Komprese: „Kompresor tepelného čerpadla prudce stlačí o několik stupňů ohřáté plynné chladivo, a díky fyzikálnímu principu komprese, kdy při vyšším tlaku stoupá teplota, jako teplotní výtah "vynese" ono nízkopotenciální teplo na vyšší teplotní hladinu cca. 80°C. Třetí děj - Kondenzace: Takto zahřáté chladivo pomocí druhého výměníku předá teplo vodě v radiátorech, ochladí se a zkondenzuje. Radiátory toto teplo vyzáří do místnosti. Ochlazená voda v topném okruhu pak putuje nazpět k druhému výměníku pro další ohřátí. Čtvrtý děj - Expanze: Průchodem přes expanzní ventil putuje chladivo nazpátek k prvnímu výměníku, kde se opět ohřeje. Tento koloběh se neustále opakuje.“23 Jednou z hlavních výhod tepelného čerpadla je, že zde platíme pouze za elektrickou energii na provoz kompresoru, zbytek energie, který je
odebírán z venkovního
prostředí je ta část, která je zdarma.
23
Čerpáno a citováno z http://www.mastertherm.cz/princip-tepelneho-cerpadla
18
3.2. Typy tepelných čerpadel a jejich tepelné zdroje Důležitým kritériem tepelného čerpadla, je topný faktor (ε= Q/E). Ten se rovná podílu dodaného tepla a potřebného množství spotřebovávané energie tepelného čerpadla.24 „Topný faktor různých tepelných čerpadel je v rozmezí od 2 do 5 a je závislý na vstupní a výstupní teplotě, typu kompresoru a dalších faktorech. Dodavatelé obvykle udávají topný faktor při různých teplotách vstupního a výstupního média. Pozor: při výpočtu topného faktoru se někdy nezapočítává spotřeba oběhových čerpadel (resp. ventilátorů), která jsou nutná pro provoz TČ. Skutečný topný faktor se pak může od údajů v prospektu vážně lišit.“25
„Čím je topný faktor vyšší, tím levněji tepelné čerpadlo topí. Hodnota topného faktoru závisí na teplotě zdroje tepla a teplotě, na kterou ohříváme topné médium. Čím je tento rozdíl vyšší, tím větší teplotní spád musíme překonávat a tím topný faktor klesá.“26
Systémy tepelných čerpadel můžeme rozdělit podle média, ze kterého je nízkopotencionální teplo odebíráno na:
Tepelná čerpadla vzduch – vzduch Tepelná čerpadla vzduch – voda Tepelná čerpadla typu voda – voda Tepelná čerpadla země – voda
3.2.1.
Uspořádání vzduch – vzduch
Tyto systémy jsou schopny pracovat i při venkovní teplotě -12°C, ovšem pokud je venkovní teplota nižší, je zde už požadavek na zapojení dalšího tzv. bivalentního zdroje
24
Čerpáno z http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30228 a čerpáno z http://www.ekowatt.cz/cz/informace/obnovitelne-zdroje-energie/energie-prostredi-geotermalni-energietepelna-cerpadla 25 Citováno z http://www.ekowatt.cz/cz/informace/obnovitelne-zdroje-energie/energie-prostredigeotermalni-energie-tepelna-cerpadla 26 Citováno z http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30228
19
tepla. K tomu se používá například elektrokotel, který je dodáván společně s tepelným čerpadlem nebo to může být i krb. Bivalentní zdroj je určen také jako rezerva při případném výpadku tepelného čerpadla. Když jsou venkovní teploty nižší než -12°C vytváří se na výměníku tepla námraza a to může zapříčinit, že topný faktor výrazně poklesne, čímž se zvyšují provozní náklady. Poslední modely tepelných čerpadel na principu vzduch – vzduch jsou schopny vytápět až do teplot -20°C. „Princip tepelného čerpadla vzduch – vzduch je, že venkovní jednotka je složena z výparníku a ventilátoru. Ventilátor vhání čerstvý vzduch přes výparník a ten mu odebírá teplo. Vnitřní jednotka s kompresorem a kondenzátorem je umístěna v domě. Tady dochází ke zpracování tepla získaného z venkovní jednotky. Vytápění vzduchem je prováděno pomocí vzduchových rozvodů umístěných ve stropě nebo v podlaze. Proto díky velké účinnosti je tepelné čerpadlo schopno získávat teplo ze vzduchu i v mrazech.“27 Výhoda tepelných čerpadel v systému vzduch – vzduch jsou nízké pořizovací náklady, v letních měsících nabízí možnost chlazení, reguluje vlhkost uvnitř místností a také umožňuje zajistit čerstvý a čistý vzduch. Nevýhodu najdeme v tom, že tyto systémy mají topný faktor poměrně nízký a je tu závislost na okolní teplotě vzduchu. Tato tepelná čerpadla jsou vyhovující jako doplňující jednotka pro přímotopy v bytech či domech, další použití je možné v chatách, nebo zimních zahradách a jsou vhodná pro nízkoenergetické domy. 28
Obr.7 - Ukázka vnitřní jednotky a venkovního ventilátoru29
27
Citováno z http://www.tepelne-cerpadlo.com/vzduch-vzduch.html Čerpáno z http://www.ekowatt.cz/cz/informace/obnovitelne-zdroje-energie/energie-prostredigeotermalni-energie-tepelna-cerpadla, z http://www.tepelna-cerpadla.cz/cz/princip-funkce-tepelnehocerpadla a z http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=5659 29 Obrázek převzat z http://obchod.klimarapid.cz/nastenne-klimatizace/midea-vertu-inverter-multisplit-2x-2-6 28
20
3.2.2.
Uspořádání vzduch – voda
Tato tepelná čerpadla také využívají okolní vzduch za pomoci venkovních ventilátorů. „Princip čerpání tepla je stejný jako u systému vzduch/vzduch. Pomocí ventilátoru s výparníkem umístěním vně nemovitosti teplo odčerpají a předají je ke zpracování vnitřní jednotce. Kondenzátor předává teplo topné soustavě a užitkové vodě.“30 Jednotka, která je umístěna venku je spojena s vnitřní jednotkou, která je tepelně izolovaná měděnými trubkami v nichž koluje chladivo. Venkovní ventilátory jsou docela malé a je možno je umístit na zem nebo je namontovat z venku na boční stěnu domu. Nová čerpadla jsou schopna ohřívat vodu až na 80°C bez elektrického ohřívače a také fungují až do -20°C. Výhody tepelného čerpadla vzduch – voda jsou rychlá instalace, vyšší výkon v letních měsících – vhodné pro ohřev vody v bazénu, jsou vhodná pro novostavby a rekonstrukce.31
Obr.8 – Ukázka zapojení tepelného čerpadla vzduch – voda32
Tepelná čerpadla využívají kromě tepla z okolního prostředí (z vody, ze země a ze vzduchu) také odpadní vzduch. Tepelná čerpadla, která využívají teplo z okolního prostředí mají široké využití a jsou i investičně méně náročná. Vzduch je ochlazován ve výměníku, který je umístěn mimo objekt. Jelikož vzduch obsahuje docela málo tepla, je zapotřebí, aby výměníkem procházel velký objem vzduchu, a z tohoto důvodu 30
Citováno z http://www.tepelne-cerpadlo.com/vzduch-voda.html Citováno z http://obchod.klimarapid.cz/tepelna-cerpadla-vzduch-voda/tepelne-cerpadlo-daikinaltherma-ht-160-kw-230-v 32 Obrázek převzat z http://www.tepelna-cerpadla.cz/cz/princip-funkce-tepelneho-cerpadla 31
21
je potřeba velmi výkonný ventilátor. Ventilátor je ovšem dosti hlučný v souvislosti s jeho výkonem, proto bychom měli dbát na správné umístění výměníku, aby hluk nerušil obyvatele samotného domu, tak i okolní sousedy.
Při využití odpadního vzduchu je teplo odebíráno vzduchu, který koluje ve větracím systému objektu. Tento vzduch má poměrně vysokou teplotu v rozmezí od 18 do 24°C. Tepelná čerpadla pak mohou pracovat velmi efektivně. Jediný problém takto získávaného tepla je ten, že množství vzduchu z větracího systému je omezeno a tak tepelná čerpadla pokrývají pouze část tepelné ztráty. Proto je zde také nutné použít další bivalentní zdroj.33
„Tepelné čerpadlo je tedy pohodlný způsob vytápění a ohřevu teplé vody, kde jsou nulové emise plynů a odpadají starosti spojené s topením dřevem, jako jsou skladování dřeva, vynášení popela a nutnost přikládat. V některých případech, kdy nechceme topit dřevem nebo uhlím, jsme mimo dosah plynového vedení nebo máme slabou elektrickou přípojku, je to jediný způsob vytápění.“34
3.2.3.
Uspořádání voda – voda
Z hlediska topného faktoru, je toto uspořádání pro získání tepla nejvýhodnější, ovšem je za potřebí splnění několika podmínek. Tou první je dostatečné množství vody, potom je to její čistota, složení a nejvíce důležitá je její teplota. Jako zdroj vody je nejčastěji vrt nebo studna. V České republice je instalace takového systému dosti náročná. Potřebujeme k tomu nejen již zmiňovaný zdroj vody, ale také je nutno získat povolení na instalaci do vodního toku od Správy toků a povrchových vod a kromě toho se za odebírání vody platí poplatky. Teplo se získává tedy buď z povrchové vody a nebo z vody podpovrchové. „Využívá se vody v toku nebo v rybníku, která je ochlazována tepelným výměníkem, umístěným přímo ve vodě nebo zapuštěným do břehu - vždy tak, aby nehrozilo zamrznutí. Podmínkou je vhodné umístění objektu, nejlépe přímo na břehu. Teoreticky je také možné vodu přivádět potrubím přímo k tepelnému čerpadlu 33
http://www.ekowatt.cz/cz/informace/obnovitelne-zdroje-energie/energie-prostrediČerpáno z geotermalni-energie-tepelna-cerpadla 34 Citováno z http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=30228
22
a ochlazenou vypouštět zpět přes vsakovací studnu. Studna se může použít kopaná velkého průměru, která už je součástí pozemku nebo se vyhloubí vrt. Důležitější než hloubka studny je její vydatnost. S tím je ale spojeno mnoho technických i již zmiňovaných administrativních překážek, které omezují použití v praxi téměř na nulu, Výsledkem je ale velmi úsporný systém vytápění, který má mnohdy vyšší účinnost než systém země voda..“35
Získání tepla z povrchových vod: „Do těchto vodních zdrojů je od tepelného čerpadla vyvedena smyčka z polyetylénových trubek (tzv. primární výměník), ve které je cirkulována ekologická nemrznoucí směs na bázi vody s technickým lihem.
Obr. 9 - Příklad primárního výměníku pro tepelné čerpadlo ve tvaru smyčky uložené do jezírka36
Pomocí této nemrznoucí směsi je vodě odebíráno teplo, přiváděno do tepelného čerpadla, které zvýší jeho energetickou úroveň pro praktické využití (vytápění, ohřev TUV). Nevýhody této aplikace TČ jsou následující:
tento zdroj vody není na většině lokalit dostupný,
složitá legislativa pro povolení o zapuštění primárního výměníku do vodních nádrží a toků,
nebezpečí poškození primárního výměníku (povodně, vandalismus apod.),
velká délka primárního výměníku,
35
Citováno z http://www.ekowatt.cz/cz/informace/obnovitelne-zdroje-energie/energie-prostredigeotermalni-energie-tepelna-cerpadla a z http://www.tepelna-cerpadla-zeme-voda.cz/voda-voda.html 36 Obrázek i popisek převzat z http://www.tzb-info.cz/3658-vrty-do-horninoveho-masivu-zdroj-energiepro-tepelna-cerpadla-iii
23
většinou nestabilní topný faktor TČ, který je závislý na počasí a tedy na kolísavé teplotě zdroje.
Z důvodu těchto nevýhod není systém využívající povrchových vod příliš rozšířený, jedná se spíše o místně specifické případy. Získání tepla z podpovrchových vod: Zdrojem podzemní vody bývají zpravidla kopané nebo vrtané studny, specifickým případem jsou pak např. jeskynní jezera, stará důlní díla a hlubinné vrty. Obvykle je voda přímo čerpána pomocí ponorného čerpadla ze studny do výměníku TČ nebo do předřazeného výměníku v případech silně mineralizovaných vod, aby nebylo nutno složitě čistit výměník TČ. Při utrácení vody, která projde TČ, je nutno postupovat dle rozhodnutí místního vodohospodářského orgánu - zpravidla vypouštění do vodního toku, utrácecí vrt nebo studna.
Obr. 10 - Příklad čerpacího vrtu na vodu pro tepelné čerpadlo, utrácení vody prováděno do vodní nádrže37
Výhodou této aplikace jsou vysoké topné faktory (4 a více) v případech, že zdroj vody má minimálně 10°C i v zimním období.
37
Citováno a titulek převzat z http://www.tzb-info.cz/3658-vrty-do-horninoveho-masivu-zdroj-energiepro-tepelna-cerpadla-iii
24
Nevýhody jsou následující:
požadavek na silný a stabilní přítok podzemní vody, což je v mnohých lokalitách problém,
požadavek na dlouhodobou (cca 30 let) stálost přítoku podzemní vody: vlivem lidských aktivit a přírodních vlivů může dojít k poklesu přítoku podzemní vody v čase,
silná mineralizace podzemních vod vyžadující nákladnou filtraci,
utrácecí vrt nebo studna není schopna pojímat vyčerpanou vodu zpět,
nákladné
vystrojení
vrtu
(speciální
filtry)
pro
zajištění
spolehlivého
dlouhodobého fungování čerpadla vrtu v podmínkách tzv. pískujících vodních obzorů,
u mělkých studní nebo v blízkosti vodních toků může docházet ke kolísání teploty podzemní vody v závislosti na počasí,
pro spolehlivé ověření vydatnosti zdroje podzemních vody je většinou nutno provést dlouhodobou čerpací zkoušku, která je pro některé investory dosti nákladná,
nalezení zdroje podzemní vody se silným přítokem může být nákladnou záležitostí, pokud již není v nejbližším okolí takovýto zdroj znám,
u hlubinných důlních děl a vrtů může být topný faktor výrazně snížen v důsledku potřeby velkého el. příkonu pro ponorné čerpadlo.
Z těchto důvodů je aplikace voda/voda rozšířena jen v oblastech s výbornými hydrogeologickými podmínkami, které jsou dopředu známy a není nutno investovat do hydrogeologického průzkumu, který může být negativní z hlediska využití vody pro TČ.“38
38
Citováno cerpadla-iii
z
http://www.tzb-info.cz/3658-vrty-do-horninoveho-masivu-zdroj-energie-pro-tepelna-
25
3.2.4.
Uspořádání země – voda
„U tohoto systému se využívají dva zdroje nízkopotenciální tepelné energie:
zeminy: jedná se o horniny do hloubky cca 2m
horniny: jedná se o hloubkové vrty do hornin
Při využití zemin jako zdroje je primární výměník ve tvaru horizontální smyčky z polyetylénových trubek kladen do mělkých výkopů na pozemku.
Obr. 11 - Příklad primárního výměníku pro tepelné čerpadlo ve tvaru smyčky uložené do výkopu v zeminách
Výhodou této aplikace jsou relativně nízké investiční náklady. Nevýhody jsou:
ovlivnění povrchové vegetace vychlazováním zemin a topný faktor, který je ovlivněn střídáním ročních období - proto je nutné projektovat dostatečně dlouhý primární výměník (řádově stovky metrů), což klade vysoké nároky na rozlohu pozemku,
pro větší topné výkony TČ je limitující právě rozloha pozemku,
pozemek je zpravidla znehodnocen tím, že pod jeho velkou částí jsou uloženy trubky primárního výměníku - nelze na něm dále stavět, vysazovat stromy 26
v kamenitých zeminách nebo silně zvodnělých štěrcích jsou výkopové práce velmi nákladné, ve skalním podloží se tato aplikace neprovádí.
Je zřejmé, že hlavním omezujícím faktorem této aplikace je rozloha pozemku a jeho znehodnocení z hlediska možnosti osázení vegetací a z hlediska budoucích stavebních záměrů. Využití hornin jako zdrojů tepla - viz obr. č. 12 - je velmi rozšířené po celém světě, zvláště pak v USA, Švédsku, Švýcarsku a Německu. Vrty jsou prováděny do hloubek většinou do 150m, s aplikací finančně náročnějších technologií vrtání až 300m (Skandinávie, západní Evropa).
Obr. 12 - Schéma napojení hloubkových vrtů pro tepelné čerpadlo v objektu
Důvodem jsou následující výhody:
téměř stabilní topný faktor TČ bez ohledu na klima nebo střídání ročních období (nelze použít pouze v oblastech s permafrostem až stovky metrů hluboko - např. Sibiř, Kanada), 27
výskyt podzemní vody není podmínkou fungování této aplikace,
primární výměník z polyetylénových trubek je zapouštěn do hloubkových vrtů, jejichž nároky na velikost pozemku jsou velmi nízké,
v porovnání s výše uvedenými aplikacemi nejuniverzálnější použití - nejsou vázány na žádné specifické geologické/hydrogeologické podmínky.
Nevýhodami jsou :
relativně nejvyšší investiční náklady z důvodu realizace vrtů,
některé pozemky jsou nedostupné z hlediska dojezdu vrtné techniky,
vrty pro TČ nelze realizovat tam, kde josu pozemky legislativně chráněny (např. lázně, vodní zdroje pro hromadné zásobování obyvatel vodou, podzemní přiváděče vody, důlní díla).
TČ se systémem země/voda s použitím hloubkových vrtů jsou zvláště výhodná pro větší stavební objekty (školy, nemocnice, domovy důchodců, penzióny, hotely, apod.). U těchto typů objektů všechny výše uvedené systémy většinou vykazují četná omezení, a to z hlediska:
přírodních podmínek (např. nízká teplota vzduchu v zimním období, požadavek na vysoký a stálý přítok podzemní vody nelze na většině pozemků splnit),
technických požadavků (stálý topný faktor, instalace TČ nesmí narušovat vzhled budovy nebo pozemku),
39
velikosti pozemku, která je k dispozici.“39
Citováno cerpadla-iii
z
http://www.tzb-info.cz/3658-vrty-do-horninoveho-masivu-zdroj-energie-pro-tepelna-
28
4. Vodní energie Vodní energie představuje kinetickou energii vody. Je to zdroj obnovitelné energie, jenž je využíván po staletí pro nejrůznější činnost lidí. Novodobé vodní turbíny jsou používány téměř pouze pro výrobu elektřiny. Tento zdroj energie má největší smysl hlavně tam, kde je oblast prudkých toků majících velký spád. V České republice nejsou úplně vhodné přírodní podmínky pro vybudování velkých vodních energetických děl. Naše řeky totiž nemají požadovaný spád ani nemají ani potřebné množství vody. „Z tohoto důvodu je podíl výroby elektrické energie ve vodních elektrárnách na celkové výrobě v ČR poměrně nízký, v roce 2010 činil pouhá 4 %.“40 Výhodou vodních elektráren je fakt, že neznečišťují ovzduší a nedevastují krajinu těžbou, také není kontaminována podzemní a povrchová voda. Obecně se však říká, že v ČR byla již využita většina vhodných míst k přehrazení vodních toků.
4.1. Princip vodní elektrárny „Ve vodní elektrárně voda roztáčí turbínu; ta je na společné hřídeli s elektrickým generátorem (dohromady tvoří tzv. turbogenerátor). Mechanická energie proudící vody se tak mění na energii elektrickou, která se transformuje a odvádí do míst spotřeby. Výběr turbíny závisí na účelu a podmínkách celého vodního díla. Nejčastěji se osazují turbíny reakčního typu (Francisova nebo Kaplanova turbína), a to v nepřeberné paletě modifikací. Pro vysoké spády (někdy až 500 m) se používá akční Peltonova turbína. V přečerpávacích vodních elektrárnách se používá turbín s reverzním chodem a s přestavitelnými lopatkami. V malých vodních elektrárnách se převážně zabydlela malá horizontální turbína Bánkiho spolu s upravenou jednoduchou turbínou Francisovou. Schéma Francoisovi, Kaplanovi a Peltonovi turbíny je v příloze s obrázky. Vedle průtokových vodních elektráren patří mezi nejznámější typy vodních elektráren elektrárny akumulační. Jsou součástí vodních děl - nádrží. Tato vodní díla kromě akumulace vody pro výrobu elektrické energie stabilizují průtoky říčním korytem, chrání před povodněmi. Břehy nádrží mohou sloužit jako rekreační oblasti. Mnohdy jsou nádrže také zdrojem pitné vody pro vodárny, technologické vody pro průmysl 40
Citováno z http://www.alternativni-zdroje.cz/vodni-geotermalni-energie.htm
29
a závlahové vody pro zemědělství. Umístění vlastní elektrárny může být různé podle tvaru terénu, výškových a spádových možností a podle množství vody.
4.2. Malé vodní elektrárny K využití potenciálu vodních toků v ČR slouží i kategorie tzv. malých vodních elektráren (zdroje elektrické energie s instalovaným výkonem do 10 MW). Většina malých vodních elektráren slouží jako sezónní zdroje. Průtoky toků, na kterých jsou zřizovány, jsou kolísavé a silně závislé na počasí a na ročním období. Příklad schématu malé vodní elektrárny je uveden v příloze obrázků – obrázek č. 4.
4.3. Přečerpávací vodní elektrárny Elektrizační soustava státu musí v každém okamžiku vyrobit přesně tolik elektrické energie, kolik jí je potřeba. Spotřeba elektrické energie přitom jak během dne, tak i v delších obdobích kolísá. Elektrickou energii sice nelze v čistém stavu skladovat, situaci však účinně pomáhají řešit přečerpávací vodní elektrárny. Přečerpávací vodní elektrárna je v principu soustava dvou výškově rozdílně položených vodních nádrží spojených tlakovým potrubím, na němž je v jeho dolní části umístěna turbína s elektrickým generátorem. Ta vyrábí elektřinu pro elektrizační soustavu v době energetické potřeby; v době útlumu se voda z dolní nádrže přečerpává "levnou elektřinou" do nádrže horní, kde její potenciální energie čeká na své optimální využití v "pravou chvíli". Velkou předností přečerpávacích vodních elektráren je schopnost přifázování do elektrifikační sítě s plným výkonem v několika minutách. Tato schopnost je ostatně vlastní všem vodním elektrárnám.“41 Schéma přečerpávací elektrárny uvádím v příloze obrázky – obrázek č.5.
4.4. Energie moří a oceánů Tento druh získávání energie také vyžaduje velice specifickou geografickou polohu. Jedná se o oblasti, kde bývá dostatečně silný příliv. Takto získávaná energie slouží jenom k výrobě elektřiny. „Nejdůležitějším pohybem vodních částic na povrchu oceánů a moří je vlnění způsobené větrem, slapovým působením Měsíce a Slunce, vtokem
41
Citováno z http://www.alternativni-zdroje.cz/vodni-geotermalni-energie.htm
30
velkých řek, posunem zemských desek v důsledku podmořských zemětřesení apod. Odhaduje se, že energie, kterou vyvinou vlny ve všech světových oceánech, dosahuje hodnoty 342 miliard MJ. V této souvislosti bylo vypočteno, že každá vlna vzdutého moře při pobřeží Velké Británie má nepřetržitě po celý rok na jeden metr své délky výkon 50 až 80 kWh. Zatím se energie oceánů využívá velice málo. První kroky k praktickému využití však už byly učiněny. Jedním z mnoha řešení je návrh trojdílných pontonů plovoucích na hladině a zakotvených na dně. Pohyb vln by se přenášel na vodní motor.“42
Obr. 13 a 14 - Ukázka bóje vyrábějící energii43
„K hlavním experimentátorům se systémy získávajícími energii z moře patří Velká Británie. Na pobřeží Skotska už pracuje přílivová, resp. příbojová elektrárna, na jihozápadě Británie, u pobřeží historického hrabství Cornwall, právě nyní startuje projekt Wave Hub, který bude dodávat do elektrické sítě až 20 MW energie vyrobené mořskými vlnami. Wave Hub je unikátní tím, že má demonstrovat a ověřit možnosti rozsáhlejšího pole zařízení na výrobu energie v oceánech. Celkem půjde o čtyři zařízení připojená k jednomu “rozbočovači” (hubu) umístěného na mořském dně, k němuž jsou přivedeny kabely jednotlivých menších generátorů. Výhodou je, že k podmořskému energetickému rozbočovači bude možné připojit různé typy generátorů. Vyrobený proud
42 43
je
pak
odváděn
jedním
podmořským
kabelem
Citováno z http://www.alternativni-zdroje.cz/energie-prilivu-priboje.htm Obrázek převzat z http://www.techmagazin.cz/334
31
na
pevninu.
Do projektu je zapojena jak místní, tak britská vláda, i Evropská unie. Zařízení, dimenzované na výkon až 50 MW by do provozu mělo být uvedeno příští rok.“44
Obr. 15 - Ukázka možného experimentu pro získání el. Energie – Wave Hub45
Energie moří a oceánů má dle mého názoru velký potenciál, ale mělo by se tak dít s ohledem na podmořský život a jeho životní prostředí. Pro Českou republiku ovšem získávání energie tímto způsobem nemá prakticky žádný význam, neboť se nachází uprostřed Evropy.
44 45
Citováno z http://www.techmagazin.cz/334 Obrázek převzat z http://www.techmagazin.cz/334
32
5. Energie větru Dalším velmi častým získáváním elektrické energie je větrná energie. „Větrná energie je jedna z forem sluneční energie. Vzniká díky nerovnoměrnostem zemského povrchu a tlakovým rozdílům způsobeným jeho nerovnoměrným zahřátím.
5.1. Přírodní podmínky v České republice Česká
republika
které se projevuje
je
vnitrozemský
významným
stát
s typicky
kontinentálním
sezónním
kolísáním
rychlostí
klimatem,
a směru
větru
(turbulence). Příčinou je zejména globální vzdušné proudění typické pro severní a střední Evropu. Nejdůležitějším parametrem ovlivňujícím využití větrné energie je jeho rychlost, která se udává v m/s, a je závislá na mnoha faktorech. Čím je povrch hladší, tím je rychlost větru vyšší. Členitost terénu a překážky v cestě proudění (stavby, kopce…) vítr zpomalují. Také druh povrchu (tráva, les, vodní hladina, sníh apod.) mají určitý vliv. Dále nadmořská výška – s jejím nárůstem se rychlost větru zvyšuje.
5.2. Větrné elektrárny a životní prostředí Větrné elektrárny se staly symbolem ekologické výroby elektřiny. Někdy jim však byl vyčítán hluk, stroboskopický efekt (odraz Slunce), rušení zvěře nebo rušení televizního signálu. Současné elektrárny jsou však mnohem modernější než byly např. před deseti lety, a pokud jsou i vhodně umístěny, k těmto problémům již nedochází. Hluk současných strojů je poměrně nízký. Největším problémem je v dnešní době estetické narušení přírodního rázu krajiny. Trend stavět stále větší stroje vede k tomu, že jejich počet se snižuje, ale současně jsou více vidět. Proto mají větrné elektrárny stále své odpůrce. Stožáry se však mohou využívat i druhotně, a to jako např. vysílače pro telekomunikační sítě.“46 Získávání elektřiny za pomoci větrné energie má jednoduchý princip. Vítr za pomoci lopatek vrtule rozpohybuje rotor a ten zase rozpohybuje generátor na vytvoření elektřiny. Větrné elektrárny však mohou pracovat pouze při určité síle větru. V případě, že je vítr až moc silný, nebo se tvoří námraza na lopatkách, je zapotřebí větrnou 46
Citováno z http://www.energetickyporadce.cz/obnovitelne-zdroje/energie-vetru.html
33
elektrárnu vypnout, jelikož by se mohla poškodit a v případě námrazy by mohly odletovat kusy ledu. Novodobé elektrárny, ale již mají vyhřívané listy.
Obr. 16 – řez strojovnou větrné elektrárny47
5.3. Rozdělení větrných elektráren Větrné elektrárny se rozdělují na:
Systémy nezávislé na rozvodné síti (grid-off) a na
Systémy dodávající energii do rozvodné sítě (grid-on)
„V případě systému grid-off se jedná o autonomní systémy, jež slouží objektům, které nemají možnost připojit se k rozvodné síti. Zde se obvykle používají mikroelektrárny s výkonem 0,1-5 kW. Autonomní systémy bývají často doplněny fotovoltaickými panely pro letní období, kdy je méně větru, ale více sluníčka. Schéma grid-off systému uvádím v příloze obrázků pod číslem obr.7. Systém grig-on jsou nejvíce rozšířené v oblastech, kde je velký větrný potenciál. Tento systém slouží pouze pro komerční výrobu elektrické energie. Velké větrné elektrárny mají asynchronní generátor, který dodává střídavý proud většinou o napětí 660 V, a proto nemohou pracovat jako autonomní zdroje energie. Elektrárny velkých výkonů (300-3.000 kW) jsou určeny k dodávce energie do veřejné rozvodné sítě, mají průměr
47
Obrázek převzat z http://www.energetickyporadce.cz/obnovitelne-zdroje/energie-vetru.html
34
rotoru 40-80 m a věž o výšce více než 80 m. Schéma zapojení do el. sítě je uveden pod obr. č.8 v příloze obrázků. Přednosti větrných elektráren jsou:
výroba „čisté“ energie bez škodlivých emisí a odpadů - není třeba fosilní paliva
ekonomický přínos pro obce, nebo i zájem turistů – např. v Dánsku se pořádají výlety lodí na mořskou větrnou farmu Middelgrunden.
Nevýhodami jsou:
technicky náročné, finančně nákladné stavby, lokalita a nerovnoměrnost dodávky a návratnost – nedá se přesně určit (závisí na síle větru)
možnost poškození náhlým silným větrem – při rychlosti kolem 20 m/s je obvykle nutno elektrárnu zastavit (zabrzdit vrtuli), aby nedošlo k havárii
estetické narušení krajiny“ 48
Obrázky s instalacemi větrných elektráren jsou uvedeny v příloze s obrázky pod čísly 9 až 12.
48
Citováno z http://www.energetickyporadce.cz/obnovitelne-zdroje/energie-vetru.html
35
6. Sluneční energie Kromě získávání tepla z nízkopotencionálního tepla prostředí a z biomasy je záměrem věnovat se nejvíce získávání tepla pro ohřev vody a přitápění ze sluneční energie, což je v dnešní době nejvíce rozšířený a z ekonomického hlediska zřejmě nejvýhodnější aplikace solární energie. Sluneční energie se dá také využít pro výrobu elektrické energie za pomoci fotovoltaických článků.
Solární energie je energie dopadající na Zemi ve formě slunečního záření. Termonukleárními reakcemi na Slunci je na Zemi energie dopravována ve formě elektromagnetického záření. Pro potřeby získávání energie je důležitá viditelná část dopadajícího záření a také infračervené záření.
Ultrafialové záření je ve většině
pohlcováno ozónem ve stratosféře. V atmosféře je také zachycováno tzv. dlouhovlnné infračervené záření.
Z uvedeného vyplívá, že není možné využít celý potenciál
dopadajícího záření.
Solární energie je dostupná na celé zeměkouli, ovšem rozdíl spočívá v jednotlivých lokalitách. Objem získané z energie ze slunečního záření záleží na těchto faktorech:
Zeměpisná šířka – největší množství energie dopadá kolem rovníku, nejméně kolem obou pólů Roční doba – sluneční záření se v průběhu roku mění, v zimě je slunce na obloze nízko a často se vyskytuje oblačnost, což omezuje výkon solárních zařízení. Místní klima a oblačnost – záleží na průchodu záření atmosférou, část záření je odražena zpět do vesmíru a část pohlcena. Tento faktor ovlivňuje oblačnost, znečištění ovzduší a nebo mlha. Na Zemi dopadá za jasné oblohy asi 75% záření, to je zhruba 1 kW/m2. Při zatažené obloze je to pouze 15%, tj. méně než 200 W/m2. Sklon a orientace plochy, na niž sluneční záření dopadá – nejvíce sluneční energie získáme, pokud je plocha kolmá k dopadajícím paprskům. V praxi se ale solární kolektory a fotovoltaické články osazují ve sklonu 45° pro celoroční dobrý zisk, v zimních měsících se kvůli zisku zvyšuje sklon na 60° a v létě pro větší zisk sklon okolo 30°.
36
6.1. Systémy pro využití solární energie Jak jsem již výše uvedla budu se zabývat systémy, za jejichž pomoci se sluneční energie přeměňuje na teplo, jsou to solární termální systémy. U těchto systémů je problémem to, jak zabránit ztrátám tepla a jak naakumulované teplo odvést a uložit pro pozdější využití. Řešení těchto problémů se často odráží na pořizovací ceně. Každý solární systém se složen z těchto hlavních částí:
Kolektor – přeměňuje sluneční záření na teplo Zásobník – zde je teplo uloženo pro pozdější využití Transportní systém – převádí teplo z kolektoru do zásobníku, případně do rozvodů Regulační zařízení – zajišťuje převod tepla z kolektoru do zásobníku a ne opačně Záložní zdroj tepla – pokrývá spotřebu v době, kdy slunce nesvítí Všechny tyto části nemusí být součástí úplně každého systému, ale systém může mít jen některé z nich. Nejjednodušší způsob ohřevu vody je, že stačí natřít plastový sud matnou černou barvou a umístit jej do izolovaného boxu a průhledným víkem, což ze zásobníku udělá rovnou i kolektor a žádné další potrubí a regulační systém není potřeba. Zde jsou ale velké tepelné ztráty.
Solární systémy přeměňující sluneční energii na teplo můžeme rozdělit:
Dle toho k čemu získanou energii využijeme: -
ohřev teplé vody
-
systémy pro vytápění
-
systém pro ohřívání vody v bazénu nebo
-
systémy pro chlazení a klimatizaci
Dle způsobu zajištění přenosu tepla: -
systémy aktivní 37
-
systémy pasivní
Dle média, které slouží k přenosu tepla: -
kapalinové – přenos tepla přes vodu nebo nemrznoucí směs
-
vzduchové
6.1.1.
Pasivní systémy pro ohřev vody
Jak již bylo uvedeno, nejjednodušší systém pro ohřívání vody je nádoba natřená na černo a umístěna tam, kde svítí slunce. To má však jisté nevýhody – již zmíněné velké tepelné ztráty, což znamená malou účinnost a teplá voda nám moc dlouho nevydrží a brzy vychladne, další nevýhodou je to, že voda nemá potřebný tlak a v zimních měsících hrozí zamrznutí systému. Když použijeme vylepšení, kdy uzavřeme nádobu do izolovaného boxu s průsvitným víkem, případně spodní stranu navíc opatříme fólií odrážející světlo, čímž zesílíme koncentraci dopadajícího záření (při otevřeném víku) a na noc budeme víko zavírat, získáme zlepšení vlastností, jako je to, že voda přes noc nebo při oblačnosti tolik nevychladne. Abychom docílili výrazného snížení tepelných ztrát v době, kdy nesvítí slunce, stačí oddělit kolektor od zásobníku. Pokud máme umístěn kolektor pod zásobníkem, nepotřebujeme ani žádné čerpadlo nebo regulátor, jelikož když svítí slunce, tak voda samotížně obíhá z kolektoru do zásobníku. Poté když slunce přestane svítit a máme dobře zaizolovaný zásobník, voda vychládá velmi pomalu. Foto samotížné solární soustavy je uvedeno v příloze obrázků pod číslem 13. Výhodou samotížné solární soustavy je jednoduchost a možná nezávislost na elektřině, nebo minimální údržba. Mezi nevýhody tohoto systému patří nemožnost regulace teplot, při celoročním provozu musíme udělat nutná opatření proti zamrznutí a také menší variabilita.
6.1.2.
Aktivní systémy pro ohřev teplé vody
Jedná se vlastně o úpravu pasivního systému. Abychom z něj udělali systém aktivní, použijeme pro oběh kapaliny čerpadlo, které bude zapínat a vypínat regulátor. To umožňuje umístění kolektoru na střechu domu a zásobník naopak umístit do koupelny nebo do sklepní části domu, kde nebude vadit jeho velká váha a velikost. Potrubí 38
vedoucí z kolektoru do zásobníku může mít menší průměr a na jeho délce také tolik nezáleží. Aktivní systém se lépe přizpůsobuje nárokům jednotlivého uživatele, což se také projevuje na pořizovací ceně systému. Schéma aktivního solárního systému pro ohřev vody znázorňuje obrázek č.14 v příloze obrázků. U systému s aktivními prvky záleží především na kolektorech. Dnes je na trhu již široká nabídka kolektorů. Setkáme se s kolektory různých typů. Jejich nejčastější rozdělení je dle toho, jakým způsobem na ně dopadá sluneční záření na kolektor.
Kolektory se dělí na:
Kolektory ploché Koncentrující kolektory – za pomoci zrcadla nebo čočky je sluneční záření koncentrováno na absorbér Plastové kolektory – se používají spíš na ohřev bazénové vody, vodu ohříváme na celkem nižší teplotu Kovové kolektory – se používají i na vyšší teploty Jako absorbér se používá u plochých kolektorů plech, na který jsou přichyceny trubky, ve kterých koluje teplonosná kapalina. Na trhu jsou i jiná provedení. Ať už má absorbér jakýkoliv tvar, vždy plní svou základní funkci – pohltit sluneční záření a přeměnit ho na teplo. Rozdíl mezi absorbéry spočívá ve schopnosti zabránit tepelným ztrátám., tj. v účinnosti kolektoru. Za jistého zjednodušení se užitečný výkon kolektoru vypočítá dle následující rovnice: W = α ⋅τ ⋅ E − U ⋅ (t m − t a )
kde je: W – užitečný výkon (W) α – koeficient absorbce (jaký podíl záření je pohlcen absorbérem) τ – koeficient propustnosti zasklení (jaký podíl projde na absorbér) E – intenzita slunečního záření (W/m2) U – součinitel prostupu tepla z absorbéru do okolí tm - ta – je rozdíl mezi střední teplotou absorbéru a venkovní teplotou.
39
Účinnost kolektoru, tj. část užitečného tepelného výkonu, jenž lze z kolektoru získat a část slunečního záření, které na kolektor dopadá je potom dán vztahem:
η = α ⋅τ − U ⋅ (t m − t a ) / E
Účinnost se skládá ze dvou členů. Tím prvním je optická účinnost, která je závislá pouze na pohltivosti a propustnosti absorbéru. Druhým členem jsou tepelné ztráty, což záleží na izolaci kolem absorbéru a rozdílu teploty mezi absorbérem a okolním prostředím. Zde se dostáváme k vakuovým kolektorům. Jedná se vlastně o úpravu kapalinových kolektorů. Chceme-li mít větší teploty vody a tedy i větší účinnost kolektoru, je zapotřebí absorbér separovat. Zadní stranu zaizolujeme poměrně jednoduchým způsobem. Postačí, když na zadní stranu přidáme několik centimetrů minerální vaty. Ovšem u přední strany absorbéru je to o něco složitější. Na přední stranu dopadá sluneční záření a tak bychom potřebovali, aby izolace byla průsvitná. Ale to je finančně náročné.
Teplo se do okolí přenáší z absorbéru třemi možnými způsoby:
Konvekcí – prouděním ohřátého vzduchu Radiací – tepelné sálání Kondukcí – vedení tepla vzduchem Nejvýznamnější jsou ztráty z konvekcí, o něco méně významné jsou ztráty z radiací a nejmenší ztráty jsou kondukcí. Ztrátu z konvekcí snížíme tak, že absorbér zakryjeme jedním a nebo případně více skly. Použití více skel ale snižuje objem záření, které na absorbér dopadá, a proto se používá pouze jedno sklo. Ideálního snížení tepelných ztrát kondukcí a konvekcí docílíme, když z prostoru kolem absorbéru odstraníme vzduch. Radiační ztrátu omezíme za pomoci tzv. selektivního povrchu. „Selektivní povrch je v oblasti viditelného a blízkého infračerveného záření černý a pohlcuje více než 90% slunečního záření, ale v dlouhovlnné infračervené oblasti spektra se chová jako kovově lesklý, nevyzařující povrch (vyzařuje méně něž 20% tepla ve srovnání s černou barvou). Tyto povrchy jsou obvykle tvořeny velmi tenkou vrstvičkou se směsí kovu a oxidu kovu (Cermet), který má vysokou pohltivost pro dopadající sluneční záření, tj.
40
záření ve viditelné a blízké infračervené oblasti slunečního spektra a vysokou odrazivost, a tedy malou schopnost vyzařování v oblasti dlouhovlnného infračerveného záření“ 49 Typy kapalinových a vakuových kolektorů jsou uvedeny v příloze obrázků pod číslem 15, 16 a 17.
6.2. Využití solární energie pro vytápění Podle typu domu, je k vytápění potřeba okolo 40 až 70% z celkové spotřeby energie v domě. K vytápění nám postačuje teplo o relativně nízké teplotě, ovšem hlavním problémem je, že poptávka po teple je v nepoměru k dostupnosti slunečního záření. V letních měsících, když je dostatek sluneční energie, je naše potřeba na vytápění nulová. Naopak v zimě, je potřeba tepla vysoká, ale slunce nesvítí tolik, jak bychom potřebovali a obloha je i častěji zatažená. Z tohoto vychází, že by byla potřeba dosti velká plocha solárních panelů, aby se pokryla potřeba tepla a navíc by pořízení takto velkého zařízení bylo finančně náročné a v průběhu roku by bylo po většinu času bez velkého využití. I při pořízení takového zařízení, by byla doba návratnosti delší než doba jeho životnosti. V praxi se proto více využívají pasivní solární vytápěcí systémy. Jednak jsou levnější a ke své funkci využívají přímo jednotlivé části domu. První kroky ke snížení potřeby tepla by se měli učinit už při stavbě domu. Měly by se zateplit stěny, stropy, podlahy a použít kvalitní okna. Proto při porovnání běžného staršího domu s domem nízkoenergetickým vyjde, že na vytápění nízkoenergetického domu nepotřebujeme velkou plochu pro získání energie, nýbrž už velký zisk tepla umožňují okna umístěná na jižní stranu. Graf číslo 1, který uvádím v příloze, srovnává spotřebu tepla v běžném domě a v nízkoenergetickém domě. Budoucí směr vede k pasivním domům, jenž využívají nejnižší možné tepelné ztráty a rekuperaci tepla z větracího vzduchu a z tohoto důvodu by měl být zisk tepla z oken dostačující.
49
Citováno a čerpáno z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8
41
6.2.1.
Pasivní solární systémy pro vytápění
Prvním systém je systém s přímým ziskem, tedy okno. „Jižní okno v místnosti s dobrou tepelnou kapacitou je vlastně tím nejjednodušším solárním vytápěcím systémem. Sluneční záření dopadající na okno se z menší části odrazí nebo pohltí ve skle a z větší části projde dovnitř a po dopadu na stěny a zařízení místnosti se změní v teplo. Toto teplo se díky konvekci (pohybu vzduchu) a radiaci (tepelnému sálání) v místnosti rovnoměrně rozloží a a akumuluje do stěn a zařízení místnosti. Je zřejmé, že čím více energie se do místnosti dostane, tím vyšší teplota tam bude. Tento velmi jednoduchý systém vlastně funguje skoro v každém domě a snižuje roční spotřebu energie o nějakých 10 až 15%. Účinnost, tj. kolik procent energie z dopadajícího záření dokážeme získat, závisí především na vlastnostech zasklení, tj. na součiniteli prostupu tepla U. Je to v zásadě stejné jako u kolektorů; schopnost zasklení využívat tepelné zisky ze slunečního záření souvisí s tím, kolik záření dokáže zasklení propustit dovnitř, a velikost tepelných ztrát závisí zase na tom, jak izolační vlastnosti zasklení má. Žádoucí je, aby propustnost g byla co nejvyšší a prostup tepla U co nejmenší. Bohužel platí, že zasklení s vysokou hodnotou propustnosti pro sluneční záření mívají relativně velké ztráty, a naopak dobře izolující zasklení má menší hodnotu propustnosti.“50
Pro názorný příklad uvádím tabulku, kde jsou uvedeny hodnoty pro v současnosti používané typy zasklení.
U
g (%)
Jednoduché zasklení
5,0
90
Dvojsklo
2,9
76
Dvojsklo + selektivní vrstva
1,4
60
Dvojsklo + selektivní vrstva + Argon
1,1
60
Trojsklo + selektivní vrstva + Argon
0,82 48
Dvojsklo + fólie Heat Mirror + Krypton
0,58 45aaa
Tabulka 2 – Energetické vlastnosti zasklení 51
50
Citováno z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8 Tabulka převzata z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8 51
42
V tabulce je vidět, ze propustnost velmi klesá s dobře izolujícím zasklením. Slunce svítí do místnosti jen po omezenou dobu, ale teplo naopak uniká nepřetržitě, proto abychom toto omezili, můžeme okno zakrýt okenicemi, venkovními žaluziemi nebo roletou v době, kdy slunce nesvítí, v noci nebo když v místnosti nejsme. Pro maximální zisk tepla se používají velká francouzská okna, to ale reprezentuje relativně velkou tepelnou ztrátu. Tato okna mohou také poskytnout až příliš velké oslňující osvětlení při nízkém zimním slunci. Dalším problémem je, že po krátkou dobu se teplo jen obtížně ukládá do stěn a podlahy, k přesto, že mají velkou tepelnou kapacitu a místnost má skon se velmi přehřívat. Přehřívání je problém zvláště v době letních měsíců, kdy nepotřebujeme topit. To vyřešíme tím, že zvolíme vhodnou protisluneční ochranu, například markýzy, již zmiňované venkovní žaluzie a další. „Udává se, že by plocha oken neměla přesáhnout 20% podlahové plochy, abychom se vyhnuli těmto problémům.“52
Další možností pasivního vytápění je tzv. Trombeho stěna. Tuto možnost využití solární energie zkoumal ke konci 50.let 20.století francouzský inženýr Felix Trombe. Po něm bylo toto zařízení pojmenováno. Charakteristická Trombeho stěna je o tloušťce 20-40 cm z těžkého, dobře tepelně vodivého materiálu jako jsou plné cihly a nebo beton. Z externí strany je povrch stěny natřen černou barvou. Stěna je pak z venku ještě zakryta jednoduchým, nebo případně dvojitým zasklením. Funkci Trombeho stěny znázorňuje tento obrázek.
Obr. 16 – Princip fungování Trombeho stěny53
52
Čerpáno a citováno z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8 53 Obrázek převzat z http://www.trombehostena.cz/
43
Princip fungování Trombeho stěny je poměrně jednoduchý, sluneční záření, které dopadá na černý povrch, zahřívá tuto stěnu a teplo je tak vedeno přes materiál stěny dovnitř do domu. Stěna tak působí zároveň jako kolektor i výměník tepla. Nejvyšší teploty dosáhneme v poledne, ovšem díky velké schopnosti stěny absorbovat teplo, je prostup
tepla
dovnitř zpožděn o 5 až 10 hodin. Trombeho stěna tak vhodně
doplňuje svým zpožděním zisk tepla z oken, která poskytují okamžitý tepelný zisk. Trombeho stěna může být také větraná, čímž dosáhneme snížení tepelné ztráty a zlepšení její účinnosti. Otvory, které jsou mezi stěnou a jejím zasklením, pouštíme do místnosti teplo.54 Přehřívání je vyřešeno tak, že v letních měsících se uzavřou záklopky u stropního otvoru a otevře se prostor, kterým je teplý vzduch vyháněn ven. Místo něj se tak dovnitř dostane vzduch otvorem v severní stěně a dům je tak jednoduše klimatizován.55 Základní nevýhodou Trombeho stěny je však to, že má podobně jako okno velké tepelné ztráty ve směru ven. To lze vyřešit za pomoci průsvitnou izolací, ale to se dostáváme k aktivním systémům.
Výše uváděná transparentní izolace je materiálem s tepelněizolační schopností, co umožňuje, při použití na Trombeho stěnu, vyloučení tepelné ztráty a dostaneme tak stěnu, která získá z venku více tepla než směrem ven ztrácí. Pro provedení průsvitné izolace se používá:
tzv. voštinová neboli kapilární struktura (honeycomb) nebo křemičitý aerogel - speciální homogenní materiál Ukázka voštinové izolace je v příloze pod obrázkem číslo 18 a ukázka aerogelu je pod obrázkem číslo 19, ukázka Trombeho stěny v praxi pod obrázkem č.20.
Třetí možností pasivního systému je zimní zahrada. Ta bývá nejčastěji přistavěná k jižní části domu. Slunce zde zahřívá podlahu a také jižní stěnu a do jisté míry se zde hromadí. Ohřívá zde i vzduch a teplota je zde vyšší. Takto ohřátý vzduch se dá odvádět do domu, resp. místností, které se zimní zahradou sousedí. Ještě lepšího rozvodu teplého vzduchu můžeme dosáhnout použitím vzduchotechniky, to ale také již 54 55
Čerpáno z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8 Čerpáno z http://www.trombehostena.cz/
44
přecházíme do aktivních systémů. Nevýhoda použití zimní zahrady je její přehřívání v letních měsících a tak je důležité její odvětrávání a stínění.
V našem klimatu se nejvíce vyplatí, více než dokonale zaizolovaný dům, mít správně nadimenzována jižní okna. U všech pasivních systémů, které využívají slunce k vytápění, se musíme smířit s tím, že v domě nepůjde udržovat konstantní teplotu, jelikož jsou zde výkyvy, v době kdy slunce svítí a nebo naopak nesvítí. Když slunce svítí zvyšuje se teplota, aby se mohla uložit do stěn, naopak když slunce nesvítí, musí se prostředí ochladit, aby mohlo být teplo ze stěn uvolněno. Také je od majitelů domu požadováno každodenní stahování a vytahování rolet a žaluzií a jisté porozumění tomu, jak takový dům funguje.
6.2.2.
Aktivní solární systémy pro vytápění
Nespornou výhodou aktivního systému je jeho flexibilita a má menší závislost na chování uživatele. Jsou univerzálnější, jedná se o stavebnice a dají se využít i ve městech.
Mezi aktivní vytápěcí solární systémy patří vytápěcí systémy se vzduchovými kolektory. „Pro vytápění domu lze s výhodou využít jako teplonosné médium vzduch. V tomto případě se solární vytápěcí systém skládá ze vzduchových kolektorů (umístěných buď na střeše nebo na fasádě domu), ventilátoru, potrubí, regulace a zásobníku (nejčastěji se na akumulaci tepla používá štěrk nebo valouny). Teplovzdušné vytápění není u nás tak běžné jako v USA, nicméně v moderních nízkoenergetických domech se začíná výrazněji uplatňovat ve spojení s rekuperací tepla z větracího vzduchu. Vzduchové kolektory bývají obvykle jednodušší než kapalinové kolektory. Je to dáno jednak tím, že nemusí být dokonale těsné, a také tím, že pracují zpravidla při nižší teplotě než kolektory na ohřev vody. Zpravidla se jako absorbér používá plech, který je zvlněný nebo opatřený žebry pro zlepšení přestupu tepla z povrchu plechu do vzduchu.“56 Jako akumulátor tepla se u vzduchových kolektorů používá kamenivo, buď je to štěrk nebo oblázky. Výhodou je nižní pořizovací cena,
56
Citováno z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8
45
malé nároky a není potřeba žádný tepelný výměník. Na druhé straně je nevýhodou, že kamenivo má menší tepelnou kapacitu ve srovnání s vodou.
Problémem u vzduchových kolektorů je to, že pro přenos tepla se musí použít větší průměr vedení oproti vodě jako teplonosnému médiu. Jak bylo již předtím nastíněno ohřátý vzduch se integruje do vzduchotechniky domu. K tomu se používají naprosto běžné prvky vzduchotechnických zařízení.57
Jako další mezi vytápěcí solární aktivní systémy patří vytápěcí systémy s kapalinovými kolektory. V České republice se s nimi můžeme setkat nejčastěji. Hlavním důvodem je to, že se solární energie využívá ve většině případů pro ohřev vody a vytápění slouží spíše jako doplněk. Druhým důvodem je, že se u nás prodávají systémy, které používají ,jako médium pro přenos tepla, vodu. Vytápěcí systémy s kapalinovými kolektory jsou značně podobné systémům pro ohřev vody a po většinou jsou vždy i využívány pro ohřev vody. Rozdíl mezi nimi je: Ve velikosti – pro ohřev vody nám stačí pro RD 6m2, pro vytápění zabírají kolektory až čtyřikrát větší plochu Ve sklonu kolektorů – v zimě je potřeba mít větší sklon – asi 60°, místo běžných 45° V akumulaci tepla – od ohřevu se liší tím, že nemusíme použít zásobník a lze vodu vpouštět přímo do topných těles v domě V použité regulaci – regulátor teplo rozděluje na teplo pro vytápění a teplo pro ohřev vody. Ohřev vody má přednost. „Regulátor sepne oběhové čerpadlo v okamžiku, kdy je naměřená teplota v kolektorech větší než teplota v zásobníku teplé vody. V okamžiku, kdy je teplota v kolektorech příliš nízká na ohřev vody, regulační systém přepne na ohřev topného systému, tj. při teplotě kolektorů vyšší, než je teplota zpátečky, začne solární systém předehřívat topnou vodu vracející se do kotle. Tento způsob regulace zlepší využití kolektorů, které mohou v době, kdy je nízká teplota vody v topném systému, pracovat i při malé intenzitě slunečního svitu.“58
57
Čerpáno z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8 Čerpáno a citováno z – „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8 58
46
6.3. Využití solární energie pro výrobu elektřiny Získání tepla ze slunce není takový problém, jako získat ze slunečního záření elektřinu. K tomuto cíli můžeme dojít dvěma způsoby:
Nejprve vyrobit teplo, které převedeme na mechanickou energii a poté získat elektrickou energii, nebo transformovat sluneční energii na elektřinu přímo. První způsob získání elektrické energie je sice jednoduchý, avšak v praxi má několik úskalí. Prvním z těchto úskalí je, že teplo nelze přeměnit na elektřinu se 100% efektivitou. „To by ještě nemuselo vadit, jenže pokud máme k dispozici teplo o nízké teplotě (například nějakých 60 °C), pak je účinnost dost nízká. Předpokladem je tedy použití nějakého systému, který umožní dosahovat teplot alespoň přes 150 °C, tj. např. koncentrátorů solárního záření.
Také přeměna tepla na elektřinu není zrovna
jednoduchá záležitost; znamená to použít tepelný stroj, např. parní turbínu. Parní turbína je dobrým řešením pro velké sluneční elektrárny, jako je např. Solar Two. Pro menší jednotky se hodí spíše v poslední době oblíbený Stirlingův motor.
6.3.1.
Využití solárního tepla k výrobě elektřiny
Na rozdíl od ohřevu vody nebo vytápění, kde se spokojíme s teplotou asi 40 až 60 °C, je k výrobě elektrické energie zapotřebí teplo o podstatně vyšší teplotě. Souvisí to s druhou větou termodynamickou, která říká, že účinnost, s jakou můžeme teplo měnit v mechanickou práci, závisí na rozdílu teplot, který máme k dispozici. Běžné tepelné elektrárny mají na vstupu do turbíny páru o teplotě přes 400 °C.
Dosáhnout
srovnatelných teplot pomocí solárních kolektorů (včetně vakuových) je prakticky nemožné, je třeba použít koncentrátory s vysokou hodnotou koncentrace. Pro získání tepla na výrobu elektřiny se nejčastěji používají dva typy koncentrátorů:
Heliostaty s věžovým absorbérem Parabolické koncentrátory
47
Heliostaty s věžovým absorbérem
Zde je sluneční záření soustřeďováno pomocí velkého počtu zrcadel natáčených za sluncem (heliostaty) na centrální absorbér umístěný na věži. Dosahuje se tak velmi vysoké koncentrace a minimálních ztrát tepla. Jako příklad lze uvést elektrárnu Solar Tres ve Španělsku. Tato elektrárna má 2 493 heliostatů (96 m2) s vysoce odrazivými skleněnými zrcadly a s poměrně velkým systémem na ukládání tepla, který dokáže uložit v roztavené směsi solí 600 MWh tepla, což stačí na 16 hodin provozu.
Parabolické koncentrátory
Mohou být 2D koncentrátory ve formě parabolického válce s absorbérem ve tvaru dlouhé trubice umístěné v ohniskové přímce. Jako příklad lze uvést elektrárnu Andasol 1 v Gaudix ve Španělsku. Parabolické koncentrátory jsou zde umístěny v řadách ve směru sever-jih a jsou natáčeny za sluncem ve směru východ-západ. V trubkách absorbérů cirkuluje minerální olej, který je zahříván na teplotu 400 °C, ve výměníku pak předává své teplo vodě a generuje tak páru pro turbíny elektrárny (je to jako v běžné tepelné elektrárně). Část vyrobeného tepla je možné uložit do tepelného akumulátoru, který má kapacitu na 7,5 hodiny chodu elektrárny. Díky tomu lze optimalizovat dodávku energie do sítě a elektrárna také dosahuje poměrně vysokého ročního stupně využití (roční koeficient využití instalovaného výkonu je 41%). Instalovaný výkon je 50 MWe, roční výroba přibližně 180 GWh. Podstatně vyšší koncentrace lze dosáhnout pomocí 3D koncentrátorů ve formě rotačního paraboloidu s absorbérem ve tvaru kruhové plošky v ohnisku paraboly. Koncentrátory je nutno natáčet za sluncem: 2D koncentrátor podle jedné osy, 3D koncentrátor podle dvou os. Přesnost natáčení za sluncem souvisí s koncentračním poměrem, s rostoucí koncentrací se zmenšuje úhel, z něhož lze zachytit záření, a tím přesnější musí být natáčení. Tyto koncentrátory se používají například jako zdroj tepla pro generátory se Stirlingovým motorem.“59
59
Ukázka principu Stirlingova motoru,
Citováno z „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8
48
heliostat s věžovým absorbérem a schéma parabolického koncentrátoru jsou uvedeny v příloze pod obrázkem č. 21, 22 a 23.
Fotovoltaický jev
„Fotovoltaický jev, který vlastně umožňuje konstrukci fotovoltaického článku, objevil A.Becquerel už v roce 1839. Jde v zásadě o to, že na rozhraní dvou materiálů, na něž dopadá světlo, vzniká elektrické napětí a uzavřením obvodu lze získat elektrický proud. Určitého praktického využití dosáhly selenové fotočlánky (používají se např. stále ještě v expozimetrech fotoaparátů), nicméně pro praktickou výrobu elektrické energie byly použitelné až křemíkové fotovoltaické články vyrobené v Bellových laboratořích v USA v roce 1954. Fotovoltaický jev můžeme vyzkoušet na obyčejné LED-diodě; pokud ji osvětlíme, objeví se na jejích svorkách napětí. V jistém smyslu je to tedy vlastně opačný děj, než ten, k němuž LED-diodu zpravidla používáme, tj. přeměna elektrické energie na světlo.
Princip fotovoltaických článků
Nejpoužívanějším materiálem pro fotovoltaické články je křemík. Křemík je pevná krystalická látka se strukturou podobnou struktuře diamantu. Na rozdíl od diamantu však absorbuje část slunečního záření a má vlastnosti polovodiče., tj. zahřátím nebo osvětlením dochází k prudkému zvýšení jeho vodivosti. Při absorpci fotonu ze záření dojde k přenosu jeho energie na elektron ve valenční sféře některého atomu křemíku. Elektron se uvolní a v mřížce zůstane jeden přebytečný kladný náboj (nazývá se díra). Do této „díry“ mohou přejít elektrony z jiného atomu křemíku a tak se díra může ve vrstvě ohybovat; chová se vlastně jako volný kladný náboj. Absorpcí fotonů se tedy ve struktuře polovodiče generují nosiče náboje (dvojice elektron – díra). Pokud ovšem chceme donutit uvolněné elektrony a díry, aby prošly nějakým vnějším elektrickým obvodem a konaly užitečnou práci (třeba roztočily motor), musím je od sebe nejdřív oddělit (jinak po chvíli elektrony zvonu zapadnou do děr a získanou energii vydají ve formě tepla). Fotovoltaický článek proto není vyroben z čistého křemíku, ale je složen ze dvou vrstev – jedna obsahuje příměs prvku s menším počtem valenčních elektronů (například bor, který má tři elektrony) a druhá vrstva obsahuje příměs prvku a větším počtem valenčních elektronů (například fosfor, který má pět elektronů). Vrstva 49
s nedostatkem elektronů se nazývá polovodič typu p a vrstva s nadbytkem polovodič typu n. Jejich spojení se nazývá p-n přechod a je základem pro usměrňovací diody, tranzistory a vlastně většinu elektronických součástek. Na rozhraní obou vrstev totiž dojde k přechodu části elektronů z vrstvy, kde je jich více, do vrstvy, kde je jich méně. V důsledku toho se objeví na p-n přechodu elektrické pole, které přesun dalších elektronů pochopitelně zastaví (dojde k ustavení dynamické rovnováhy). Toto elektrické pole přítomné na p-n přechodu dokáže oddělit elektrony a díry vzniklé absorbpcí fotonu – elektrony „pošle“ do n-polovodiče a díry do p-polovodiče. Díky tomu vznikne na sběrných kontaktech elektrické napětí
a do připojené zátěže
(spotřebiče) začne téci elektrický proud. Fotovoltaický článek může tedy sloužit jako zdroj elektrického proudu díky tomu, že elektrony uvolněné absorpcí fotonů ze slunečního záření musí napřed projít skrz vnější obvod (zátěž, spotřebič), a teprve potom se mohou spojit s dírami (rekombinovat). Složení fotovoltaického článku je znázorněno níže na obrázku č. 17.
Obr. 17 – Složení fotovoltaického článku60
Fotovoltaické články jsou obecně poměrně tenké. Kromě výše zmíněných dvou vrstev křemíku je zde zpravidla antireflexní vrstva, která snižuje odraz slunečních paprsků. Z obou stran je pak dvojice kontaktů sbírajících a odvádějících elektrický proud; na přední straně ve formě mřížky (aby nebránila průchodu záření) a na zadní straně ve formě souvislého povlaku. Tato vrstva slouží i jako odrazná vrstva, která zachytí a odrazí část záření, která nebyla nevyužita při prvním průchodu skrz článek. Jednotlivé 60
Obrázek převzat z http://www.profitsolar.cz/o-solarni-energii.php
50
články se v sério-paralelním zapojení skládají do panelu a celá sestava je hermeticky uzavřena. Křemíkový p-n přechod musí být chráněn před vlhkostí a znečištěním a je také nutno zajistit potřebnou mechanickou odolnost.
Často se od fotovoltaických panelů požadují i další vlastnosti, které určují jejich vzhled – například pro montáže na fasádu se vyrábějí panely s různými barevnými odstíny nebo panely částečně průhledné (mezi jednotlivými články jsou nechány mezery). Některé panely mají například tvar střešních tašek, jiné jsou zase velmi tenké a ohebné, mohou tvořit součást oblečení a napájet přenosné přístroje nebo nabíjet baterie. Fotovoltaický článek se chová přibližně jako zdroj konstantního proudu (nemusíme se tedy bát jej zkratovat). Velikost proudu závisí na intenzitě slunečního záření dopadajícího na článek a pochopitelně také na ploše článku, tj. vlastně na tom, kolik fotonů na povrch článku dopadne a je zachyceno.
Napětí při chodu na prázdno činí přibližně 0,60 V, napětí při max. výkonu je přibližně 0,5 V. Účinnost závisí na materiálu a způsobu provedení. Sério-paralelní zapojení jednotlivých článků umožňuje dosáhnout potřebného napětí a proudu. Zpravidla se zapojuje do série zhruba 36 článků pro dosažení výstupního napětí kolem 17 V, které je vhodné pro nabíjení 12 V akumulátorů (někdy se používá i dvojnásobek, tj. 72 článků pro 24 V akumulátor). Běžně se při plném slunečním svitu dosahuje výkon přes 100W/m2.
V praxi se setkáme s různými druhy fotovoltaických článků. Lze je rozdělit podle použitých materiálů a technologií například následovně:
Články z monokrystalického křemíku – krystaly jsou větší než 10 cm, vyrábí se pomalým tažením z roztaveného křemíku, a to ve formě tyčí o průměru až 300 mm, které se potom rozřežou na tenké plátky
Články z polykrystalického křemíku – (krystaly 1-100 mm). Přítomnost většího množství menších krystalů, resp. většího počtu rozhraní mezi nimi, vede k nižší účinnosti, nicméně výroba je podstatně levnější a rychlejší
51
Články z amorfního křemíku – křemík nemá krystalickou, ale sklovitou strukturu, obsahuje jisté procento vodíku a vyrábí se napařováním na vhodný substrát
Články CIS – jd o tenkovrstvé články ze selenidu mědi a india. Vyznačují se vysokou absorpcí záření, a mohou být proto velmi tenké
Články z teluridu kademnatého – jde o další slibný typ polykrystalického tenkovrstvého článku
Články z galiumarsenidu – jde o monokrystalické tenkovrstvé články, které se dají vyrobit s mírně odlišnými vlastnostmi a jak optimálně přizpůsobit potřebám, mejí vysokou absorpci záření, jsou málo citlivé na vyšší teploty a velmi odolné vůči poškození radioaktivním nebo kosmickým zářením
Vícepřechodové struktury – fotovoltaický článek s jedním p-n přechodem může optimálně využít jen část energie dopadajícího záření
Organické fotovoltaické články – zatímco u vícepřechodových solárních článků panuje snaha maximalizovat účinnost bez ohledu na cenu a další vlastnosti, vývoj organických fotovoltaických článků klade důraz spíše na nízkou cenu, pružnost a ohebnost článků. Vytvořil se celý obor „Flexible Electronics“, který využívá výhodných vlastností organických polovodičů i k řadě jiných aplikací než jen získávání energie.“61
6.4. Využití solární energie pro bytové domy Z hlediska ekonomiky je instalace systému pro ohřev teplé vody na bytovém domě hodně zajímavá. Systém se dá použít jak pro novostavby, tak i pro stávající panelové domy a podobné objekty. „Je třeba brát v úvahu několik faktorů, zejména velikost 61
Citováno z „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8
52
a orientaci objektu, typ střechy a způsob a náklady na vytápění a ohřev teplé vody. U bytových domů budou výrazně nižší pořizovací náklady na jednu bytovou jednotku, v případě ploché střechy pak lze využít ideální orientaci solárního systému vůči slunci. Nejběžnějším způsobem ohřevu teplé vody u bytových domů je centrální zásobování teplem nebo bloková kotelna – do výpočtu by tedy vstupovat cena tepla z daného zdroje.“62 Pro bytové domy je investice do solárních kolektorů výhodná, pokud má dům dobrou využitelnou plochu pro jejich instalaci, neboli pokud má plochou střechu. Druhým faktorem je vyšší cena ohřevu vody stávajícím systémem. Pokud by byla cena totiž přijatelná, bylo by asi vcelku zbytečné takový systém instalovat.
Nainstalace solárního zařízení bývá v zásadě dovršení celkové rekonstrukce bytového domu. Poté se provedou všechna opatření pro snížení energetické náročnosti budovy, jako je zateplení obvodového pláště, výměna oken za plastová a nebo změna regulace vytápění – zde se přímo nabízí řešit přípravu teplé vody za pomoci solárního systému. To může velice pomoci. Aby bylo možno zařízení instalovat je zapotřebí revize nebo celková rekonstrukce rozvodů pro teplou vodu po celém domě. Rozvody by měly být zaizolovány a stoupačky by měly být hydraulicky vyvážené. Již tímto krokem se dostavují úspory. Solární kolektory tímto stačí menší a z ekonomického hlediska pracují efektivněji. „Co dům, to originál. U solárních soustav pro přípravu teplé vody v bytových domech příliš nelze kopírovat jednotlivé aplikace, neboť i dva velikostně stejné objekty postavené např. typovou výstavbou se mohou v mnoha ohledech důležitých po správné fungování solárního systému lišit - orientací budovy vůči jihu, obsazeností střechy (antény mobilních operátorů, či jiné technologie), skladbou obyvatel (starší občané vs. rodiny s dětmi) atd. Je tedy nutné pro správné fungování solární soustavy vypracovat výše zmiňovanou studii. Tato studie velice často ukazuje konečná čísla jak z hlediska investičních nákladů, tak předpokládaných úspor apod. Pro její vypracování je ale nutné ze strany zákazníka zajistit kvalitní podklady. Vstupní data logicky zásadně ovlivní výsledky výpočtů, proto je nejlepší, pokud nám zákazník dá k dispozici podklady, jako jsou alespoň měsíční 62
Citováno a čerpáno z „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-2513241-8
53
spotřeby (lépe denní) teplé vody za několik let zpátky, stavební výkresy a situaci, podklady od stávající technologie přípravy teplé vody. Pokud stavební výkresy objektu či projekt ohřevu vody nejsou k dispozici, stačí návštěva našeho technika, při které všechny důležité parametry zjistí.
Projekt solárního systému Celková pořizovací cena solárního systému pro přípravu teplé vody v bytovém domě může činit řádově i několik miliónů korun, takže investice do projektu, který jednoznačně a detailně definuje solární soustavu jako celek, se rozhodně vyplatí. Většina solárních systémů na bytových domech je realizována na plochých střechách, kde je nutné navrhnout správné a bezpečné uchycení kolektorů. To se zpravidla řeší pomocí tzv. roznášecí konstrukce, kterou navrhuje statik a tento posudek je vždy součástí projektu. Roznášecí konstrukce bývá v nabídkách různých firem velice často podceňována. Ze zkušeností u bytového domu s plochou střechou tvoří investice do uchycení kolektorů průměrně 20 až 30 % celkové investice do solárního systému.
Realizace solární soustavy Realizace solární soustavy pro přípravu teplé vody v bytovém domě má od podepsání smlouvy o dílo několik fází. V první fázi probíhá příprava konstrukcí pro uchycení kolektorů (používají se zpravidla pozinkované ocelové či hliníkové prvky). Následuje příprava vlastní technologie uvnitř objektu, jako je instalace zásobníků, příprava rozvodů atd. Až poté následuje samotná instalace kolektorů. Celá akce trvá zpravidla několik (málo) týdnů. Během instalace a uvádění do provozu je vždy zajištěno, aby výpadky dodávky teplé vody nebyly delší než několik hodin, maximálně jeden den. Při předání hotového díla uživateli je vždy kromě díla samotného předána veškerá dokumentace, tzn. návody, záruční listy, zakreslení skutečného stavu provedení díla atd. V rámci uvedení do provozu je také zaškolena a poučena obsluha. Solární systémy pracují automaticky a obsluha tedy není až tak nutná, přesto je dobré, aby z řad uživatelů měl někdo pojem o celém zařízení a mohl s dodavatelem řešit případné provozní problémy či nedostatky. Těch ale bývá v provozu solárních soustav
54
velice málo a objevují se zpravidla pouze těsně po spuštění, než se veškeré hodnoty vyladí, a nejedná se nikdy o žádné problémy, které by ohrozily dodávku teplé vody. Následně pracuje systém bez problémů, hluku, ekologicky a hlavně úsporně, přesně tak, jak si zákazník přál.“63 Obdobně je tomu u fotovoltaických článků.
6.5. Energetická náročnost budov V této části diplomové práce bych ráda upozornila na dílčí stavební faktory, které jsou ku pomoci, aby budova byla co nejméně energeticky náročná. Pokud bychom totiž zmíněné prvky nezohlednili při stavbě nebo přestavbě domu, přišla by energie získaná z obnovitelných zdrojů vniveč.
6.5.1.
Dělení budov dle energetické náročnosti
Budovy dělíme do odlišných energetických skupin. Od 1.ledna roku 2009 platí povinnost při stavbě rodinných domů nebo přestavbě panelových domů (o podlahové ploše větší než 1000m2) opatřit k projektové dokumentaci průkaz energetické náročnosti budovy. Netýká se to každé rekonstrukce, ale jen té, která se dotýká energetické náročnosti. Tento štítek má stejný vzhled jako štítek na elektrospotřebičích a tak mu porozumí i neodborník. Výpočty pro tyto štítky se prováděly v souladu s českou státní normou ČSN 730540:2/2002. Energetické štítky se vyžadují i v případě žádosti o čerpání finančních prostředků z operačního programu Ministerstva životního prostředí. Ukázku energetického štítku uvádím v příloze – obrázek č.24. Dalším rozdělením budov, které se mnohdy využívá je rozdělení dle spotřebovávaného tepla pro vytápění.
Tuto kategorii dělíme do šesti tříd: Starší domy ze 70. a 80. let – spotřebovávají více jak 200 kWh/m2a 63
Citováno z http://www.nazeleno.cz/energie/solarni-energie/solarni-systemy-pro-pripravu-teple-vody-vbytovych-domech.aspx
55
Současné běžné nové domy – jejich spotřeba je v rozmezí od 80 – 140 kWh/m2a Nízkoenergetické domy – spotřebovávají do 50 kWh/m2a Pasivní domy – jejich spotřeba se pohybuje do 15 kWh/m2a Nulové domy – spotřebovávají méně než 5 kWh/m2a Energie plus – jedná se o domy s přebytkem energie, vyrobí více, než spotřebují64
Energeticko u náročnost budov ovlivňuje řada činitelů, těmi se budu zabývat dále. Prvořadé jsou:
Množství získané energie z obnovitelných zdrojů Ztráty zapříčiněné výměnou vzduchu Prostupnost tepla skrz obvodový plášť budovy
6.5.2.
Tepelné zisky a ztráty
Celkovou tepelnou ztrátu dostaneme součtem několika tepelných činitelů. Tepelná ztráta udává množství tepla, které je odvedeno za určitou dobu z vytápěného do venkovního prostředí prostupem tepla a díky větrání. Měrnou tepelnou ztrátu prostupem tepla vypočteme dle vzorce: H T = L D + LS + H U
kde je: HT - měrná ztráta prostupem tepla LD - tepelná propustnost skrz obvodový plášť LS - ustálená tepelná propustnost přes zeminu HU - měrná ztráta prostupem tepla přes nevytápěné prostory
64
Hodnoty převzaty z http://www.pasivnidomy-plzen.cz/novostavby.html
56
Všechny tyto tepelné toky, které jsou představovány těmito veličinami mají postup výpočtu uveden v technických normách. Tepelná propustnost přes zeminu se řídí dle ČSN EN ISO 133370. Měrná ztráta tepla přes nevytápěné prostory se řídí dle ČSN EN ISO 13789 a tepelná propustnost skrz obvodový plášť je dle ČSN EN ISO 13789.
Tepelnou ztrátu obvodového pláště v dnešní době můžeme zjistit například za pomoci termovize. Propouštění tepla je způsobeno nedostatečně izolujícímu materiálu na konstrukcích, jenž jsou po obvodu v kontaktu se zevnějškem (vzduchem). To ukazuje obrázek č.25 v příloze. Pokud nemáme termovizi, musíme při výpočtu vzít v úvahu i tepelné mosty, jelikož právě zde přicházíme o většinu tepla. Pro výpočet propustnosti obvodovým pláštěm použijeme vzorec:
LD = ∑i( Ai ⋅ U i ) + ∑k (τ k ⋅ψ k ) + ∑ j ⋅ χ j
kde je: Ai – plocha konstrukce. Dveře a okna jsou brány za otvory ve stěně (m2) Ui – součinitel tepelné propustnosti prvku i obvodového pláště (W/(m2.K))
τk – délka lineárního tepelného mostu (m) Χk – lineární činitel prostupu tepla tepelného mostu (W/(m.K)), je možno jej převzít z ČSN EN ISO 14683
ξj – bodový činitel prostupu tepla tepelného mostu (W/K), vypočítá se dle ČSN EN ISO 10211-1. Bodový činitel nezapočítáváme, když byl již zahrnut do propustnosti plošných prvků.65
Tepelnou ztrátou přes nevytápěné prostory rozumíme objem tepla, který uniká
z vytápěného prostoru přes oddělující konstrukci do vedlejšího nevytápěného prostoru. To ohřívá vzduch uvnitř nevytápěného prostoru, který se poté kvůli rozdílu mezi vnitřní a vnější teplotou uvolňuje do okolního venkovního prostředí. Ztráta přes nevytápěný prostor se vypočítá dle již výše uvedené normy ČSN EN ISO 13789. 65
Čerpáno z „Nízkoenergetické domy: Principy a příklady“ Jan Tywoniak,, str. 15, Grada publishing, 2008, ISBN 80-247-1101-X 1101-X
57
U tepelné propustnosti zeminou jsou teplené ztráty z podlahy a suterénu ovlivněny
spolupůsobením s okolní zeminou. Toto by se při výpočtu nemělo přehlédnout. Tepelná propustnost se přes zeminu se vypočte dle zmiňované normy. Jednotlivé části budovy, které se do výpočtu zahrnují jsou rozlišeny dle typu podlahy a u sklepní části záleží na tom, zda je tato část vytápěná či nikoliv.
Norma rozlišuje tyto typy podlahy:
Podlaha na zemině Zvýšená podlaha Vytápěný suterén Nevytápěný suterén66 K tepelným ztrátám vyvolaných výměnou vzduchu dochází ve většině budov. Toto
je eliminováno pouze u budov, které používají zemní výměníky tepla. K výměně vzduchu musí docházet z důvodu přívodu čerstvého vzduchu. V domech probíhá buď přirozené větrání, tedy větrání okny a objem čerstvého vzduchu závisí na tom, jak uživatele otevírají a zavírají okna. Dále přirozené větrání probíhá také kvůli netěsnosti. Dalším druhem větrání je nucené větrání za pomoci větráků. Množství dodávaného vzduchu závisí na jeho provozním nastavení a na technických parametrech. Výpočet udává ČSN EN 832.
Vnitřní tepelné zisky zahrnují všechno teplo, které se vyprodukuje ve vytápěném
prostoru interními zdroji nepatřícími k otopné soustavě. Je to například teplo z osob uvnitř domu, teplo od spotřebičů – televizor, počítač, fén na vlasy nebo zisky z rozvodů teplé a odpadní vody. Pak je to také teplo ze slunce, když svítí do pokojů přes správně umístěná okna a jiné prosklené plochy. Započtení vnitřních tepelných zisků se dosti projeví na celkovém výsledku energetické bilance. „ČSN EN ISO 13790 jednoznačně říká, že se mají použít údaje na národní úrovni. Pokud nejsou k dispozici, doporučuje
66
Čerpáno z http://www.ib.cvut.cz/sites/default/files/Studijni _materialy/ST1 /jiri%20novak%20- % 20stavebni%20tepelna%20technika.pdf a čerpáno z „Nízkoenergetické domy: Principy a příklady“ Jan Tywoniak,, str. 15, Grada publishing, 2008, ISBN 80-247-1101-X 1101-X
58
pracovat s hodnotou vnitřních tepelných zisků ve výši 5 W/m2, nebo jinou, uvedenou v příloze K této normy.
To je ovšem zejména pro nízkoenergetické domy zpravidla hodnota příliš vysoká, která by nekorektně zlepšovala výsledek energetické bilance. V metodice pro výpočet potřeby tepla na vytápění pasivních domů (PHPP, vyvinul Passivhausinstitut Darmstadt) se současně uplatňují dva principy:
užití jednotných smluvních hodnot (ve W/m2), zjištění co nejpřesnější hodnoty vnitřních zisků podle vybavení elektrickými
spotřebiči a jejich předpokládaného užití v čase. Současně se použijí buď obvyklé (ze statistik vycházející) hodnoty „standardního obsazení“ (tedy údaje o charakteristické obytné nebo užitkové ploše připadající na osobu v budově), nebo konkrétní údaje o počtu osob, pro které je dům navrhován.
Základní smluvní hodnoty jsou podle metodiky PHPP tyto: 2,1 W/m2 (obytné plochy) pro rodinné a bytové domy, 4,1 W/m2 (obytné plochy) pro ubytovny apod., 3,5 W/m2 (užitné plochy) pro administrativní a správní budovy, 2,8 W/m2 (užitné plochy) pro školy.“ 67
6.6. Rozvržení budov z hlediska energetiky Pokud chceme vytvořit návrh na nízkoenergetický dům, musíme si nejprve řádně promyslet návrh a už v začátku by měl projektant stavbu řádně propočítat. K navrhování se používá celkové plánování, jelikož se na obvyklé postupy a zkušenosti nedá spolehnout. Kromě architektonického návrhu je potřeba vypracovat studii proveditelnosti. Je to analýza investičního záměru, která má za úkol u projektu velkého finančního rozsahu posoudit realizovatelnost projektu a zhodnotit efektivnost využití potencionálně vložených finančních prostředků, tedy zda je projekt reálně možný. Dále 67
Čerpáno a citováno z http://www.ib.cvut.cz/sites/default/files/Studijni_materialy /ST1/jiri %20novak % 20 -%20 stavebni%20tepelna%20technika.pdf
59
by se měla vypracovat energetická studie, kde by se měly uvést provozní náklady domu a energetická náročnost.
Dalšími rozhodujícími faktory jsou:
Kompaktní tvar budovy – aby se zabránilo co nejvíce vzniku tepelných mostů Umístění domu dle světových stran Velikost domu – záleží na způsobu využití Jak budou velká okna a další prosklené plochy Síla větru a směr, ze kterého fouká Izolační schopnost obvodové konstrukce A také vybavení uvnitř domu, dle způsobu zvoleného vytápění a větrání
60
7. Návrh využití obnovitelného zdroje Tato část je věnována teoretickému návrhu pro vybraný objekt, kterým je rodinný dům. Má kamarádka vlastní pozemek o celkové výměře 740 m2 ve tvaru, který je uveden níže na obrázku č. 20 a v příloze pod obrázkem č. 26.
Obr. 18 – obrys vlastněné parcely68
Na tomto pozemku jsou k dispozici všechny inženýrské sítě, a plán je v budoucnu zde postavit rodinný dům. Zatím je představa majitelky taková, aby dům byl energeticky nenáročný. Na základě poznatků získaných při psaní této práce by dům mohl vypadat následovně.
Předně bych si zvolila vhodné umístění objektu a jeho orientaci. Vzhledem k okolní zástavbě, která to umožňuje, bych zvolila umístění domu, tak aby okna
a další
prosklené plochy směřovaly směrem na jihozápad a bylo tak možno maximálně využít dopadající sluneční energii. Dům by měl také být co nejvíce chráněn před větrem.
Dům bych zvolila ve tvaru kvádru nebo krychle. Při návrhu by se mělo dodržet poučka, že by poměr mezi plochou a objemem projektu měl být co nejmenší. Jako konstrukci, bych vybrala dřevostavbu, která bude stát na klasické základové desce. Základová deska by měla být založena v nezámrzné hloubce na únosné zemině a měla by také být tepelně izolována. Dřevostavbu bych vybrala, protože se jedná o velmi rychlý 68
Obrázek pořízen z nahlížení do katastru nemovitostí online.
61
způsob realizace stavby, kdy hrubá stavba obvykle stojí do dvou až tří dnů a celý kompletní dům je hotov do třech měsíců. Dalšími důvody jsou vynikající tepelně izolační vlastnosti, nižší pořizovací cena oproti zděné budově, pak je to také neprůzvučnost stěn, dlouhá životnost a nebo příjemné vnitřní klima, které dřevostavba poskytuje. Nevýhodou je pouze nižší životnost oproti zděným domům, ale i tak je to v řádu desítek let.
7.1.
Provedení stavby
Pro realizaci stavby bych použila kanadskou technologii výstavby - systém „two by four“, která je využívána nejčastěji. Obrázek č. 27 v příloze ukazuje konstrukci dřevostavby. Nespornou výhodou tohoto systému je, že celá dřevostavba
je
smontována přímo na místě stavby. „Z fošnových profilů je sestavena nosná konstrukce, která se vyztuží OSB deskami.69 Veškeré spoje se řeší pomocí hřebíků, šroubů nebo ocelových spon. Mezi OSB deskami vznikne prostor, který je vyplněn izolací.“70 Jako izolace se naprosto nehodí polystyrén, ale naopak je vhodné použít foukanou celulózu nebo minerální vlnu. Izolační systém by měl být doplněn parozábranou.
„Montáž systémem „two by four“ probíhá, jak již bylo napsáno, přímo v místě stavby domu. To umožňuje kontrolovat celý průběh konstrukce. Na staveništi také probíhají veškeré přípravy jednotlivých dílů a částí, nejsou tak potřebné žádné druhotné výrobní prostory. Systém „two by four“ je nesmírně variabilní a veškeré změny či úpravy lze provádět přímo při konstrukci. Než dojde k vestavění tepelné izolace, tak je celý proces konstrukce velmi dobře kontrolovatelný a to se týká i všech instalací a rozvodů. To také umožňuje rychlejší a jednodušší pozdější zásah při případných změnách v konstrukci dřevostavby. Neméně důležitý je ten fakt, že možnost prakticky stálé kontroly provádění stavby vede k velké přesnosti a kázni při montáži. Jako každý stavební
69
OSB desky jsou plošně lisované dřevěné desky, které se vyrábějí z dřevního odpadu, především z dřevní štěpky, hoblin a pilin. Při jejich výrobě se využívají pouze 100% obnovitelné přírodní zdroje, které jsou součástí tuhé biomasy a neustále dorůstají všude kolem nás. – Citováno z http://www.deskyosb.cz/ 70 Citováno z http://www.svet-drevostavby.cz/cs/Technologie/technologicka-reseni/Kanadskatechnologie----two-by-four----/
62
systém tak i tento má určitou nevýhodu a tou je menší rychlost stavby než u systému z prefabrikovaných panelů.71
7.2. Střešní konstrukce Jako střešní konstrukci bych volila sedlovou střechu, na kterou bych poté umístila solární panely pro předehřev vody a s ohřevem v elektrickém boileru. Předností šikmé střechy je její jednodušší konstrukce, ale je potřeba zachovat nízkou tepelnou propustnost. Měli bychom se hlavně vyvarovat možnosti vzniku tepelného mostu, které mohou vzniknout bídně provedenou konstrukcí střechy nebo instalací solárních panelů.
7.3. Skleněné výplně Jak jsem již výše uvedla okna a další prosklené plochy by měli být co nejvíce na jihozápadní světovou stranu. Okny a dalšími skleněnými výplněmi uniká teplo z našich domovů nejvíce. Proto bych zde použila na tyto části izolační trojsklo s pěti nebo více vzduchových komor v rámu okna. Pro zmíněné maximální využití dopadajícího slunečního záření a tedy k pasivnímu využití solární energie bych použila skleněné výplně, které se nedají otevírat. Tato skla mají nízkou tepelnou propustnost. Jako ochrana proti přehřátí v letních měsících by mohla být použita předokenní žaluzie s tepelnou izolací z minerální vlny. U části domu, která by byla v permanentním stínu bych doporučila omezení množství oken, prakticky bych nepoužila na tuto stranu žádná okna, a místo nich by se zde dal použít světlovod. Na severní stranu bych ale umístila dveře, které by vedly na zahradu majitelů, aby nebylo nutné dům obcházet. Tyto dveře by ovšem neměly být ze skla, ale měly by mít lepší izolační vlastnosti.
71
http://www.svet-drevostavby.cz/cs/Technologie/technologicka-reseni/KanadskaCitováno z technologie----two-by-four----/
63
7.4. Vytápění a větrání U nízkoenergetické budovy je zvýšená potřeba na provádění nuceného větrání objektu, aby byla zajištěna dostatečná výměna vzduchu, protože nízkoenergetické nebo pasivní budovy mají malé tepelné ztráty. Z tohoto důvodu by nucené větrání bylo bez funkce ohřevu vzduchu. Potrubí pro rekuperaci je umisťováno do hloubky dvou metrů, jelikož v této hloubce již máme konstantní teplotu. Vzduch se tak cestou přes potrubí může přizpůsobit ročnímu období – buď se ochladí nebo ohřeje. Jako bivalentní zdroj tepla a pro dohřev vody bych navrhla kotel na pelety nebo elektrický kotel. Také bych v domě použila podlahové elektrické topení a v prvním patře sálavé panely. „Tyto panely pracují na principu infračerveného sálání. Jsou to ploché tenké desky připevněny přímo na zeď, popřípadě strop v místnosti. Sálavé panely jsou jednou z nejúčinnějších, nejekonomičtějších a velmi dobrých variant vytápění místností.“72
7.5. Technická část zařízení budov Při navrhování nízkoenergetické budovy bychom měli vzít v úvahu energetický nárok jednotlivých technických zařízení. Na všechny systémy v domě bychom se pak měli dívat jako na komplet. Pokud bychom totiž změnili jedno ze zařízení, je zapotřebí nanovo propočíst celý energetický plán budovy.
7.6. Zařízení elektrospotřebiči Pokud pořizujeme nové elektrické spotřebiče mělo by nás u nich zajímat jakou mají spotřebu, abychom dodrželi energetický plán budovy. Měli bychom vybírat spotřebiče, které patří do třídy vysoké energetické úspory, tedy spotřebiče s označením A+ nebo A++. Také bychom se měli věnovat jejich správnému umístění. Neměli bychom je dávat například na místo, kde ústí vzduchotechnika.
72
Citováno z http://www.usby.cz/salave-panely/
64
V tomto vybraném domě, podle přání majitelů, nebude vyžit plyn. Ani bych zde nenavrhovala fotovoltaické panely, neboť je jejich účinnost zatím malá, pořízení fotovoltaických panelů vyjde na nemalou částku a myslím, že technologie ještě není vyvinuta tak, aby stačila jen malá plocha panelů. Podobně je to i s tepelným čerpadlem. Cena pořízení je poměrně vysoká a návratnost vůči ceně pořízení je dlouhodobá záležitost. Samozřejmě postupem času se budou technologie obnovitelných zdrojů vyvíjet k lepším a účinnějším zařízením a budou se na domy aplikovat nová zařízení.
65
8. Syntéza obnovitelných zdrojů energie a doporučení pro oceňování Předchozí analýzou obnovitelných zdrojů energie bylo zjištěno, že pokud lidstvo bude svou potřebu energie více pokrývat z obnovitelných zdrojů, má možnost zpomalit postupné vyčerpávání přírodních zdrojů, které obnovitelné nejsou. Obnovitelné zdroje na rozdíl od klasických zdrojů energie nevytváří škodlivé odpady, emise a ani oxid uhličitý. Mezi obnovitelnými zdroji se najdou také nevýhody. Energii, kterou zachytí, má zpravidla malou plošnou nebo prostorovou hustotu, z tohoto důvodu je instalovaný systém s výkonností klasického zdroje, je daleko větších rozměrů, technologicky obtížnější a z pohledu prvotní investice dražší. Energie pocházející z obnovitelných zdrojů, je v jistých případech časově proměnnou veličinou, která je závislá na panujících přírodních podmínkách, jako je sluneční svit nebo vítr, a energii je nutno akumulovat. Hlavní překážkou, jež brání širšímu využívání obnovitelných zdrojů, je cena vyrobené energie, ekonomická efektivnost a konkurenceschopnost oproti klasickým zdrojům.
Pokud dojde na rozhodnutí investovat do obnovitelných zdrojů, jde o to, aby tato investice byla ekonomicky návratná. Každé určení ekonomické efektivnosti takovéto investice je velice osobitá záležitost, která závisí na daném návrhu, odpovídajícím technickém řešení, rozsahu investice a způsoby financování. Vlastník nemovitosti bude kalkulovat výlohy na pořízení solárního systému jiným způsobem, než podnikatel realizující větrnou farmu. Kalkulace se také odlišují pro financování vlastním kapitálem a pro úvěrování celého projektu. V praxi je využívání obnovitelných zdrojů ovlivňováno různými faktory. Největším z nich je již zmiňovaná ekonomická stránka. Cena získané energie, ze systému využívajícího obnovitelné zdroje, by měla být co nejnižší, aby byla schopna konkurovat klasickým zdrojům. „Přímý vliv na její výši mají zejména:
Investiční náklady – jejich výše musí být co nejnižší, protože zásadním
způsobem ovlivňuje cenu vyrobené energie a z toho plynoucí zájem / nezájem investorů.
66
Provozní náklady – musí být co nejnižší, neboť se přímo promítají do ceny
vyrobené energie. Doba životnosti zařízení – musí být co nejvyšší. Čím je životnost vyšší, tím se
vyrobí více energie při efektivnějším zúročení investovaných prostředků. Ekonomicky se to projeví nižší cenou vyrobené energie. Způsob financování – má na efektivitu investice zásadní vliv. Úroky
z případného bankovního úvěru obvykle výrazně zvyšují cenu energie a stávají se zásadní brzdou pro investování v této oblasti. Při financování z vlastních zdrojů je z čistě ekonomického pohledu nutné porovnat finanční přínos systému s výnosem, který by bylo možné získat jiným použitím hotovosti, např. uložením na termínovaný vklad, obligace, akcie apod. V případě podnikatele se investice do projektu srovnává s výnosy získanými investicí do jiného projektu. Množství vyrobené energie – čím více energie zařízení vyrobí, tím je
příznivější cena a o to rychleji se vrací investované prostředky. Jiné efekty – jedná se o případy, kdy je u investora velmi důležitým prvkem
např. bezobslužný chod celého systému, obtížné zásobování jiným druhem energie apod.“73
Další část je věnována určení několika zásad či bodů použitelných při oceňování nemovitostí, kterých by bylo dobré se držet, pokud budeme oceňovat nemovitost s nainstalovaným obnovitelným zdrojem energie. Při oceňování nemovitosti, která pro svůj provoz využívá energii získanou za pomoci obnovitelného zdroje, bychom se jako první měli zaměřit na to, zda má oceňovaný objekt jistá opatření pro snížení spotřeby energie v domě.
To znamená, zda je v objektu zajištěna:
dobrá tepelná izolace oken, stropů a obvodových stěn, zda má objekt správné umístění na pozemku (orientaci) a rozmístění oken, tedy
zda dochází k získávání pasivních solárních zisků okny případně stěnami, a zda je v objektu účinný a dobře regulovaný vytápěcí systém. 73
Čerpáno a citováno z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006
67
Pokud by nemovitost neměla tato jednotlivá opatření zajištěna, snížila by se tím účinnost získávané energie ze systému využívajícího obnovitelný zdroj a docházelo by k tepelným ztrátám. Proto si myslím, že by se tato skutečnost měla promítnout do tržní hodnoty nemovitosti. Při oceňování nemovitosti s obnovitelným zdrojem by měla být známa alespoň odhadem spotřeba energie na vytápění, ohřev vody a elektřinu u dané nemovitosti.
Pokud jsou na nemovitosti nainstalovány solární kolektory, měly by splňovat:
Orientaci na jih, případně jiho-východ nebo jiho-západ Celodenní svit slunce bez nějakých překážek Měla by mít co nejkratší rozvody s kvalitní tepelnou izolací
U solárních kolektorů by se mělo rozeznat, jaký typ solárního kolektoru se na budově nachází. U vakuových kolektorů je dobře izolovaný absorbér za pomoci vakua, tudíž se jeho účinnost během roku tolik nemění a i v zimních měsících je jejich účinnost ucházející. Naopak u plochých jednoduchých kolektorů působením různosti teplot klesá jeho účinnost razantně dolů. Vodu tedy nemůžeme v zimních měsících ohřát na více než 80 °C. V zimě je v České republice velmi málo sluneční energie a tak i v případě, že jsou na domě naistalovány velice účinné kolektory, je za potřebí celkem velká plocha, aby byla pokryta potřeba. Naopak v létě existuje nadbytek solární energie a tím, i nepříliš účinné kolektory, jsou schopny zajistit hodně energie. Na tomto základě byly přiřazeny upravující koeficienty pro oceňování. Kolektory jsou rozděleny pouze na vakuové a jednoduché.
Typ kolektoru Kritéria
Vakuový
Jednoduchý plochý
Pořizovací cena
95%
100%
Tepelný zisk
100%
80%
Životnost
97%
100%
Upravující koeficient z
0,97
0,93
Tabulka 3 – Přiřazení koeficientu k určitému typu kolektoru
68
O tyto z-koeficienty by se při oceňování upravily pořizovací ceny zařízení a až poté by se výsledná hodnota započetla do hodnoty nemovitosti. Přiřazené koeficienty reflektují vlastnosti jednotlivých kolektorů.
Obdobným způsobem by se postupovalo i u nemovitostí, které využívají jako zdroj tepla kotel. Při oceňování by se mělo rozlišit jaký druh paliva kotel spaluje. Může se jednat o plynový kotel, elektrický kotel, kotel na dřevo a nebo automatický kotel na peletky. U takové nemovitosti by se do tržní hodnoty měly započítat jak náklady na pořízení kotle a jeho příslušenství, tak by se mělo také přihlédnout k budoucím ročním nákladům na palivo. Mělo by se i nepatrně přihlédnout ke komfortu a jednoduchosti obsluhy, jak je kotel spolehlivý, jestli potřebujeme palivo skladovat atd.
Například
u standardního domu do 1100 m2 patřícího do kategorie energetické
náročnosti C, se pořídí kotel (do 100 kW) na elektřinu za 60.000,- Kč, ale ročně za elektřinu zaplatí 50.000,- Kč. U kotle na dřevo je pořizovací cena například 135.000,Kč, a ročně se zaplatí za topné dřevo pouze 20.000,- Kč. Kotel na plyn včetně příslušenství se pořídí za 160.000,- Kč a roční náklady na palivo jsou 29.000,- Kč. Pořízení automatického kotle na peletky vyjde nejdráž. Za pořizovací cenu včetně příslušenství a skladování peletek se zaplatí kolem 215.000,- Kč, za palivo se pak ročně utratí kolem 25.000,- Kč. Pokud tyto informace převedeme na životnost kotlů asi 15 let, tak zjistíme, že u kotle na elektřinu se náklady vyšplhají na celkem 828.000,- Kč, u kotle na dřevo by to bylo 420.000,- Kč, za plynový kotel by částka byla 595.000,- Kč a u kotel na peletky náklady vyjdou na 590.000,- Kč. Nejlevnější variantou je tedy kotel na dřevo, ten vychází o polovinu levněji než kotel na elektřinu.74 Tyto údaje pocházejí z roku 2007, proto se dnešní pořizovací ceny kotlů a ceny paliv mohou lišit. Ale pro simulaci myšlenky tyto údaje postačují. Pro oceňování tedy byla vytvořena na základě těchto informací tabulka, která ukazuje přiřazený koeficient k jednotlivému typu kotle.
74
Čerpáno z „S energií efektivně“ – příručka pro energeticky úspornou domácnost, Ing. Karel Srdečný, vydal Magistrát hlavního města Prahy 2007
69
Typ kotle Kritéria
Plynový Elektrický
Kotel na dřevo
Cena pořízení
97%
100%
98%
Kotel na peletky 95%
Interval obsluhy
100%
100%
93%
99%
Potřeba uskladnění
100%
100%
96%
98%
Cena paliva/rok
85%
50%
100%
100%
Získaný koeficient z
0,95
0,87
0,96
0,98
Tabulka 4 – přiřazení koeficientu k určitému typu kotle na základě jejich vlastností
U kotle na peletky vyšel koeficient 0,98, protože tento kotel je jednoduchý na obsluhu a jeho hlavní výhoda je v tom, že se ke kotli nemusí každý den docházet a přikládat. Stačí pouze doplnit peletky do zásobníku buď jedenkrát týdně nebo jednou za čtrnáct dní. U kotle na dřevo vyšel koeficient 0,96 z toho důvodu, že se ke kotli musí pravidelně docházet, aby nevyhasl a je zde i větší náročnost na uskladnění dříví. Přeci jen peletky nezabírají tolik místa, neboť jsou dodávány v pytlích, kdežto na dřevo musíme mít místa mnohem víc. Pro plynový kotel byl získán koeficient 0,95 a to z důvodu ceny plynu, která postupně stoupá. A u elektrického kotle byl získán koeficient s hodnotou 0,87, protože oproti ostatním kotlům je cena paliva (spotřebovávané elektřiny) až o jednu polovinu dražší a dalším důvodem je neustálý růst její ceny. Dnes by tento rozdíl zřejmě nebyl tak veliký vzhledem k možnosti výběru vhodného tarifu za poskytování elektřiny.
Tímto způsobem by se mohlo postupovat i u dalších obnovitelných zdrojů. Použití získaných koeficientů by bylo následující.
Například u elektrického kotle se zjištěná pořizovací cena kotle vynásobí se získaným z-koeficientem 0,87. Tím získáme určitou hodnotu, která se již může započítat do hodnoty oceňované nemovitosti.
Př.: Pořízení elektrického kotle. Jeho cena činí 60.000,- Kč. Koeficient 0,87. Udělám výpočet 60.000 x 0,87 = 52.200,- Kč. O získanou částku 52.200,- se tržní hodnota nemovitosti může navýšit.
70
Dle mého názoru by se hodnota spotřebovávaného množství paliva měla projevit v tržní hodnotě nemovitosti. Pokud se totiž na tuto situaci podívám z hlediska zájemce o koupi nemovitosti, jakou tržní hodnotu bych byla ochotna akceptovat, byla by jedním z argumentů cena, kterou budu muset v budoucnu platit, za spotřebu paliva u určitého typu kotle.
Výpočet celkové pořizovací ceny by vypadal následovně.
k = (Pp ⋅ z )⋅ q Kde:
k – celková pořizovací cena Pp – pořizovací cena za jednotku včetně všech příslušenství potřebných k provozu z – získaný koeficient q – pořizované množství
Z jiného pohledu v oceňování můžeme zjistit kolik uspoříme na
provozu
obnovitelného zdroje. Zde stačí znát pouze například cenu elektřiny, kterou běžně platíme v domácnosti. Pokud budeme mít solární panel na ohřev vody a za jeho pomoci se přemění 1MWh solární energie, pro ohřátí vody, ušetří se tím 1MWh, která by byla zaplacena za dodávku elektřiny. Například dle platného ceníku společnosti ČEZ k 1.1.2012 se platí za 1 MWh 5.594,77 Kč v tarifu Comfort. Pro zjištění souhrnného užitku z obnovitelných zdrojů, by měl být znám časový úsek, po který bude toto zařízení v provozu. Vzhledem k tomu, že toto nelze na 100% odhadnout, měl by se učinit
odhad
dle
doby
životnosti,
kterou
udává
i pravděpodobnost, že zařízení bude pracovat delší čas.
71
výrobce.
Existuje
zde
Celkový vzorec pro výpočet nárůstu tržní hodnoty způsobenou kontribucí obnovitelných zdrojů bude vypadat takto:
l TV = ∑ Q ⋅ PQ ⋅ (1 + i ) − k 1→l Kde:
TV – celková hodnota (total value)získané energie z obnovitelných zdrojů Q – získané množství energie za rok – jednotky by měly být shodné s jednotkami prodávané energie PQ – cena nahrazené energie – např. zmíněných 5.594,77 Kč/MWh i – meziroční nárůst nahrazené energie (v %) l – doba životnosti zařízení k – celkové náklady na pořízení obnovitelných zdrojů75
Na základě průzkumu byly zjištěny průměrné ceny energií v topné sezóně 2011/2012. Průměrná domácnost v České republice, která žije v rodinném domě ročně spotřebuje v průměru 65 GJ tepla. Domácnosti žijící v bytech mají nižší spotřebu - pohybuje se kolem 40 GJ tepla. U bytů se ceny tepla z teplárny liší, protože záleží na zdroji, jak je teplo vyráběno – zda spalováním plynu nebo uhlí. Ale také záleží ve kterém městě se teplárna nachází. V následující tabulce jsou uvedeny průměrné ceny energií z různých zdrojů tepla pro byt a pro rodinný dům.
Jednotka
BYT
Topné
Průměrná
Průměrná
Průměrná
médium
spotřeba
cena za rok (Kč)
cena za 1 GJ (Kč)
Teplárna
40 GJ
20.500,-
530,-
75
Čerpáno z Jan Kevin Mulen - Bakalářská práce „Kontribuce obnovitelných zdrojů k tržní hodnotě nemovitosti
72
RD
Dřevo
18.000,-
285,-
Tepelné čerpadlo
18.500,-
290,-
21.000,-
332,-
Plyn
30.000,-
473,-
Elektřina
50.000,-
780,-
Peletky
65 GJ
Tabulka 5 – přehled cen energií v topné sezóně 2011/201276
Pokud se topí uhlím je průměrná cena hnědého uhlí ve výši 19.000,- Kč a za černé uhlí se platilo 25.000,- Kč za rok. Z tohoto průzkumu vyplývá, že nejdražší obnovitelnou energií zůstává elektřina a plyn.
Vzhledem k celosvětovému zdražování primárních energií je budoucnost energetiky ve využívání obnovitelných zdrojů energie. Předpoklad je, že budoucnost bude ze všeho nejvíce patřit z obnovitelným zdrojům ze solární energie a energii větru, možná také energii mořských proudů. Ropa, uhlí, jaderná energie a zřejmě i plyn a také biomasa ustoupí do pozadí zájmu. Vývoj jde neustále kupředu a každý den vědci přicházejí na nové technologie a technologická řešení, které mohou rozšířit potenciál obnovitelných zdrojů. Ve světě se začíná postupně ustupovat od jaderné energie. Jedním z důvodů je také neštěstí v japonské elektrárně Fukušima. Na jeho základě v květnu 2011 bylo v Německu rozhodnuto, že do roku 2022 uzavřou všech svých 17 jaderných elektráren.
Po shlédnutí pořadu Prizma v České televizi mě zaujal vývoj projektu s názvem ITER. I když svět začal ustupovat od jaderné energie, vyvíjí a staví se tento přístroj. ITER je zkratka pro mezinárodní termonukleární experimentální reaktor, který vznikne za vzájemné spolupráce Evropské unie, Ruska, Japonska, Jižní Korei, USA, Kanady a dalších států. Hodně zjednodušeně se jedná o jakýsi obří transformátor (TOMAKAK), který produkuje více energie, než spotřebuje na rozpoutání termonukleární reakce. Má to být prototyp fúzního reaktoru, který by měl být předchůdcem pro vybudování termonukleární elektrárny. ITER byl prvně navržen už v roce 1990 a v provozu má být do roku 2020. ITER bude vystavěn ve Francii ve městě Cadarache. „Palivem pro tento reaktor by měla být dávka cca 0.5 g směsi deuteria a tritia, které produkují řádově méně radioaktivního odpadu a prakticky nulové znečistění atmosféry. Jeho stavba by měla 76
Vlastní tabulka vytvořena na základě webových stránek http://www.cenyenergie.cz/teplo/clanky3/kalkulacka-ceny-tepla-2011-2012.aspx
73
vést k porozumění problematiky jaderné fúze, vyřešení praktických problémů s tímto druhem energetiky a měla by umožnit kolem roku 2040 stavbu prvních elektráren založených na tomto principu.“77 Schéma ITERu je umístěno v příloze obrázků pod číslem 28 a 29. Zdá se, že pokud zkoušky a plný provoz dopadnou dobře, bude se jednat o nový zdroj jaderné energie. To ovšem bude opět spojeno s problémem, kam ukládat vyhořelé palivo.
Vedle tohoto zařízení však bude největší podíl čisté energie zastupovat solární systém. Tato energie, pominou-li se počáteční náklady, je zdarma. Není k tomu potřeba nějaké složité zařízení, neboť slunce bude svítit pořád, pokud by se tedy nestal jeden z katastrofických scénářů, který předpokládá dopad jiného vesmírného tělesa na Zemi. Energie získávána z větrných elektráren si asi své místo udrží, ale nejspíš nebude stavěno tolik větrných farem a samostatných větrných elektráren, jelikož se jedná o velkou změnu a zásah do krajiny. Možností je umisťovat větrné elektrárny přímo do konstrukce domů, nejlépe mrakodrapů a nebo dokonce do konstrukce mostů. Příklad využití větrných elektráren v konstrukci mrakodrapu a mostu je uveden v příloze pod obrázkem č. 30 a 31. Mořská hladina je jistou možností, kam umístit větrné elektrárny, avšak mělo by to být na odlehlých místech. Ale jak již bylo zmíněno, vývoj jde stále dopředu a vědci najdou zřejmě i jiný způsob získávání energie nebo lepší přístroj na využití dopadajícího slunečního záření.
77
Citováno z http://cs.wikipedia.org/wiki/ITER
74
Závěr Při rozhodnutí o použití obnovitelného zdroje energie jsme omezeni výší kapitálu na pořízení této technologie. Při dostatečném finančním zajištění je v dnešní době možnost zabezpečit úplnou energetickou soběstačnost domu, je to zatím ale stále velmi finančně náročná záležitost. Může se stát, že by byl přívod klasických sítí na pozemek velmi problematický nebo náročný na financování a tak je méně nákladné zainvestovat do obnovitelného zdroje energie.
Díky neustálému vývoji a novým technologiím budou obnovitelné zdroje postupně dostupnější pro stále více lidí. Díky nim lze obydlet i taková místa, jakými je například poušť nebo i moře a oceány. Dnes existují různé studie a plány podobající se scifi filmům, které by ovšem při nalezení svých investorů bylo možno naplnit. V brzké době se začne stavět například zelené město v Korei nebo ve Švýcarsku. Příklad takových studií uvádím v příloze pod obrázkem č. 32 ža 36.
V dnešní době se ceny energií rapidně zvyšují – příkladem z poslední doby může být ropa. Ceny benzínu a nafty lámou své rekordy, lidé jsou nuceni omezit jízdu auty a kvůli drahé ropě se zvyšují i ceny hromadné dopravy. Zdražuje se i plyn a elektrická energie, proto pro nás obnovitelné zdroje energie hrají a budou hrát důležitou roli v budoucím vývoji civilizace a také kvůli ochraně životního prostředí, pokud nechceme žít ve zdevastovaném prostředí.
Už nyní můžeme registrovat vzrůstající zájem o obnovitelné zdroje, jsou to země jako Švédsko, Norsko, Rakousko, ale i Česká republika, kde můžeme vidět na domech solární a fotovoltaické panely a nebo tepelná čerpadla. Pak jsou to nízkoenergetické a pasivní domy. Je vidět, že úspora energie a čistota provozu obnovitelných zdrojů se dostává do povědomí lidí. Obnovitelné zdroje se začali i využívat v bytových domech panelové zástavby. Řekla bych, že zde je jejich používání zatím na začátku, ale postupně se budou obnovitelné zdroje využívat i zde.
Je nesporné, že do budoucna využívání obnovitelných zdrojů ovlivní a již začaly ovlivňovat kupní ceny domů. Jejich používání umožňuje velké úspory za energii a pro 75
majitele takové nemovitosti budou velkým přínosem a výhodnější oproti domům nevyužívajícím tuto technologii.
76
Seznam použité literatury: 1. Jakubes, Jaroslav,,Ing, Pikálek, Josef, Ing., Prouza, Libor, Ing.: „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.,vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006
2. kolektiv autorů: „Obnovitelné zdroje energie 1 – Technológie pre udržateľnú budúcnosť“,, ISBN 978-80-969777-0-3
3. Srdečný Karel Ing. „S energií efektivně“ – příručka pro energeticky úspornou domácnost, , vydal Magistrát hlavního města Prahy 2007
4. Truxa, Jan, Murtinger, Karel „Solární energie pro váš dům“ ISBN 978-80-2513241-8
5. Tywoniak Jan: „Nízkoenergetické domy: Principy a příklady“ ,, Grada publishing, 2008, ISBN 80-247-1101-X 1101-X
77
Internetové odkazy: 1. http://www.pozitivni-noviny.cz/cz/clanek-2007110037 2. http://epellet.com/pelety/ 3. http://www.defro.cz/automaticke-kotle--duo-pellet-nebo-lux-str-6-1-62.html 4. http://www.aasimsaied.net/renewable-energy 5. http://cs.wikipedia.org/wiki/Organizace_pro_hospod%C3%A1%C5%99sko u_spolupr%C3%A1ci_a_rozvoj 6. http://www.avtc.cz/?page=6.tepelna-cerpadla-v-cr 7. http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/610-druhy-termodynamickyzakon 8. http://www.mastertherm.cz/princip-tepelneho-cerpadla 9. http://www.ekowatt.cz/cz/informace/obnovitelne-zdroje-energie/energieprostredi-geotermalni-energie-tepelna-cerpadla 10. http://www.techmania.cz/edutorium/art_exponaty.php?xkat=fyzika&xser=4 d6f6c656b756c6f76e12066797a696b61h&key=383# 11. http://www.tepelna-cerpadla.cz/cz/princip-funkce-tepelneho-cerpadla 12. http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=565 9 13. http://www.vutbr.cz/www_base/zav_prace_soubor_verejne.php?file_id=302 28 14. http://www.tepelne-cerpadlo.com/vzduch-voda.html 15. http://www.tepelna-cerpadla-zeme-voda.cz/voda-voda.html 16. http://www.tzb-info.cz/3658-vrty-do-horninoveho-masivu-zdroj-energiepro-tepelna-cerpadla-iii 17. http://www.vde.com/de/fg/ETG/Arbeitsgebiete/V1/Aktuelles/Oeffentlich/Se iten/Wasserkraft.aspx 18. http://www.cojeco.cz/index.php?detail=1&id_desc=43115&s_lang=2 19. http://www.vodniturbiny.cz/index.php?linkid=09 20. http://www.alternativni-zdroje.cz/energie-prilivu-priboje.htm 21. http://www.techmagazin.cz/334 22. http://www.energetickyporadce.cz/obnovitelne-zdroje/energie-vetru.html 23. http://www.wholesalesolar.com/images/StartHere/OffGridWind.gif
78
24. http://www.smallwindtips.com/2010/01/advantages-of-connecting-windpower-to-the-grid/ 25. http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k22.htm 26. http://www.solarnienergie.cz/solarni-ohrev-tuv-samotizny-system/ 27. http://cs.wikipedia.org/wiki/Obnoviteln%C3%BD_zdroj_energie 28. http://www.vermos.cz/?q=node/135 29. http://www.ceska-solarni.cz/powertank/solarni-termicke-kolektory.php#02 30. http://www.trombehostena.cz/ 31. http://www.forbes.com/Picture/eiie45fif/solar-honeycomb/ 32. http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Aerogel_hand.jpg 33. http://www.energeticky-prukaz.com/energeticky-prukaz.aspx 34. http://www.nazeleno.cz/energeticky-prukaz-budov-povinna-soucastnovostaveb.aspx 35. http://www.ib.cvut.cz/sites/default/files/Studijni_materialy/ST1/jiri%20nova k%20-%20stavebni%20tepelna%20technika.pdf 36. www.mapy.cz 37. http://www.deskyosb.cz/ 38. http://www.svet-drevostavby.cz/cs/Technologie/technologickareseni/Kanadska-technologie----two-by-four----/ 39. http://www.nazeleno.cz/stavba/drevostavby/drevostavby-prehledkonstrukcnich-systemu.aspx 40. http://www.usby.cz/salave-panely/ 41. http://lucy-f1.blog.cz/1204/svycarsko-budoucnosti-sidliste-splynou-salpskou-prirodou 42. http://www.dumazahrada.cz/dumstavba/architektura/2011/2/27/clanky/novodobe-archy-plovouci-mesto-ahotel-ark/ 43. http://www.onlineweblibrary.com/blog/?p=2350 44. http://weburbanist.com/2011/08/01/futuristic-fantasy-hotels-14-wildconcept-designs/?ref=search 45. http://infohost.nmt.edu/~helio/background.html 46. http://www.symmetryco.com/SolarConcentrator.htm 47. http://www.profitsolar.cz/o-solarni-energii.php
79
48. http://www.cenyenergie.cz/teplo/clanky-3/kalkulacka-ceny-tepla-20112012.aspx 49. http://3pol.cz/900-iter-jako-zivy 50. http://www.scienceweek.cz/headlines/tags/energie/page/4 51. http://blogs.telegraph.co.uk/news/jamesdelingpole/100136093/the-bestarticle-on-wind-farms-you-will-ever-read/ 52. http://www.ekobydleni.eu/tag/vetrne-elektrarny/page/7 53. http://www.ekobydleni.eu/vetrna-energie/turbine-city-mesto-vetrnychturbin-v-norsku 54. http://www.nazeleno.cz/trombeho-stena-a-dalsi-chytre-napady-na-usporyve-vytapeni.aspx 55. http://www.csve.cz/novinky/192 56. http://www.engadget.com/2011/02/07/solar-wind-bridge-concept-couldpower-15-000-homes-grow-vegetab/
80
Přílohy: Příloha č. 1: Tabulky:
DRUH BIOMASY
ENERGIE CELKEM Z TOHO TEPLO ELEKTŘINA v% PJ PJ GWh Dřevo a dřevní odpad 24 33,1 25,2 427 Sláma obilnin a olejnin 11,7 15,7 11,9 224 Energetické rostliny 47,1 63 47,7 945 Bioplyn 16,3 21,8 15,6 535 Celkem 100 133,6 100,4 2231 Tabulka 1 – Dostupný potenciál využití biomasy v ČR78
Grafy:
roční spotřeba (kWh/m2)
300 250 200 elektřina 150
voda topení
100 50 0 starší dům
nový dům
nízkoenerg.dům
pasivní dům
Graf č1 – Spotřeba tepla, vody a elektřiny ve starším domě a nízkoenergetickém domě79
78
Tabulka převzata z „Příručka obnovitelných zdrojů energie“, autorský kolektiv Enviros, s.r.o.: Ing. Jaroslav Jakubes, Ing. Josef Pikálek, Ing. Libor Prouza, vydané Hospodářskou komorou České republiky v říjnu 2006 79 Podklady pro graf převzaty z „Solární energie pro váš dům“ – Karel Murtinger, Jan Truxa, ISBN 978-80-251-3241-8
81
Obrázky:
Obr. 1 - Schéma Francisovi turbíny80
Obr. 2 - Schéma Kaplanovi turbíny81
Obr. 3 - Schéma Peltonovi turbíny82
80
Obrázek převzat z http://www.vde.com/de/fg/ETG/Arbeitsgebiete/V1/Aktuelles/Oeffentlich/Seiten/ Wasserkraft.aspx 81 Obrázek převzat z http://www.cojeco.cz/index.php?detail=1&id_desc=43115&s_lang=2 82 Obrázek převzat z http://www.vde.com/de/fg/ETG/Arbeitsgebiete/V1/Aktuelles/Oeffentlich/Seiten/Wasserkraft.aspx
82
Obr. 4 - Schéma příkladu malé vodní elektrárny83
Obr. 5- Schéma přečerpávací vodní elektrárny84
83
Obrázek převzat z http://www.vodniturbiny.cz/index.php?linkid=09
84
Obrázek převzat z http://www.franz-marc-gymnasium.de/aktuell/wettb/1999_00/donauer/Stadlberger%20Korbinian.htm
83
Obr. 6 – Větrná mapa ČR85
Obr. 7 – Příklad zapojení větrné elektrárny Grid-off 86
85
Obrázek převzat z http://www.energetickyporadce.cz/obnovitelne-zdroje/energie-vetru.html
86
Obrázek z http://www.wholesalesolar.com/images/StartHere/OffGridWind.gif
84
Obr. 8 – Schéma příkladu zapojení větrné elektrárny do rozvodné sítě87
Obr. 9 – Ukázka instalace větrných elektráren88
87
Obrázek převzat z http://www.smallwindtips.com/2010/01/advantages-of-connecting-wind-power-tothe-grid/ 88 Obrázek převzat z http://www.scienceweek.cz/headlines/tags/energie/page/4
85
Obr. 10 – Ukázka instalace větrných elektráren89
Obr. 11 – Ukázka instalace větrných elektráren-Japonsko90
89
Obrázek převzat z http://blogs.telegraph.co.uk/news/jamesdelingpole/100136093/the-best-article-onwind-farms-you-will-ever-read/ 90 Obrázek převzat z http://www.ekobydleni.eu/tag/vetrne-elektrarny/page/7
86
Obr. 12 – Ukázka instalace větrných elektráren- Norsko, budoucí větrné město91
Obr. 13 – Samotížná solární soustava 92
91
Obrázek převzat z http://www.ekobydleni.eu/vetrna-energie/turbine-city-mesto-vetrnych-turbin-vnorsku 92 Obrázek převzat z http://www.solarnienergie.cz/solarni-ohrev-tuv-samotizny-system/
87
1. solární kolektor 2. tepelný výměník 3. přívod studené vody 4. odběr teplé vody 5. oběhové čerpadlo 6. automatická regulace 7. expanzní nádoba
Obr.14 – Schéma aktivního solárního systému pro ohřev vody 93
Obr.15 - Plochý kapalinový kolektor 94
93 94
Obrázek převzat z http://www.cez.cz/edee/content/microsites/solarni/k22.htm Obrázek převzat z http://www.vermos.cz/?q=node/135
88
Obr. 16 – Vakuový trubicový kolektor95
Obr. 17 – Vakuový trubicový kolektor96
95 96
Obrázek převzat z http://www.ceska-solarni.cz/powertank/solarni-termicke-kolektory.php#02 Obrázek převzat z http://www.vermos.cz/?q=node/135
89
Obr. č. 18 - Voštinový solární panel – tento je sice pro výrobu el. Energie, ale jiný obrázek se mi bohužel nepodařilo nalézt. Slouží pro ukázku struktury voštinové izolace. 97
Obr. 19 – ukázka aerogelu v ruce98
97 98
Obrázek převzat z http://www.forbes.com/Picture/eiie45fif/solar-honeycomb/ Obrázek převzat z http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Aerogel_hand.jpg
90
Obr. 20 – Trombeho stěna v praxi 99
Obr. 21 – schéma Stirlingova motoru - řez100
99
Obrázek převzat z http://www.nazeleno.cz/trombeho-stena-a-dalsi-chytre-napady-na-uspory-vevytapeni.aspx 100 Obrázek převzat z http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Aerogel_hand.jpg
91
Obr. 22 – Heliostat s věžovým absorbérem Solar 1 v Kalifornii101
Obr. 23 – 3D koncentrátor ve formě rotačního paraboloidu102
101 102
Obrázek převzat z http://infohost.nmt.edu/~helio/background.html Obrázek převzat z http://www.symmetryco.com/SolarConcentrator.htm
92
Obr. 24 – ukázka energetického štítku budovy103
Obr. 25 – ukázka tepelné ztráty budovy v displeji termovize104
103
Obrázek převzat z http://www.energeticky-prukaz.com/energeticky-prukaz.aspx Obrázek převzat z http://www.nazeleno.cz/energeticky-prukaz-budov-povinna-soucastnovostaveb.aspx 104
93
Obr. 26 - Obrys vlastněné parcely 105
Obr. 27 – dřevěný skelet s osb deskami tvořící tvar budovy106
105
Obrázek vytvořen z www.mapy.cz Obrázek převzat z http://www.nazeleno.cz/stavba/drevostavby/drevostavby-prehled-konstrukcnichsystemu.aspx 106
94
Obr. 28 – Schéma termonukleárního reaktoru ITER107
Obr. 29 – Foto termonukleárního reaktoru ITER108
107 108
Obrázek převzat z http://3pol.cz/900-iter-jako-zivy Obrázek převzat z http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=35553
95
Obr. 30 – Foto světového obchodního centra v Bahrajnu ve městě Manama funkční od roku 2008109
Obr. 31 – Studie na zabudování větrných elektráren do konstrukce mostů110
109
Obrázek převzat z http://www.csve.cz/novinky/192 Obrázek převzat z http://www.engadget.com/2011/02/07/solar-wind-bridge-concept-could-power15-000-homes-grow-vegetab/
110
96
Obr. 32 – Zelené sídliště budoucnosti, které se začne pravděpodobně stavět ve Švýcarsku. 111
Obr. 33 – Zelené město plovoucí na hladině. 112
111
Obrázek převzat z http://lucy-f1.blog.cz/1204/svycarsko-budoucnosti-sidliste-splynou-s-alpskouprirodou 112 Obrázek převzat z http://www.dumazahrada.cz/dum-stavba/architektura/2011/2/27/clanky/novodobearchy-plovouci-mesto-a-hotel-ark/
97
Obr. 34 a 35 – Hotel Ark, který může stát jak na souši, tak i plout na hladině. 113
113
Obrázek převzat z http://weburbanist.com/2011/08/01/futuristic-fantasy-hotels-14-wild-conceptdesigns/?ref=search a z http://www.onlineweblibrary.com/blog/?p=2350
98
Obr. 36 – Hotel Ark, princip využití obnovitelných zdrojů energie.114
114
Obrázek převzat z http://www.onlineweblibrary.com/blog/?p=2350
99
