ENERGIE BIOMASY Biomasa vzniká jako důsledek dopadající sluneční energie. Je definována jako substance organického původu, která se přímo vyrábí, nebo se jedná o odpady ze zemědělské, potravinářské nebo lesní produkce.
Přírodní podmínky V přírodních podmínkách ČR lze využívat biomasu v následujících kategoriích: Biomasa odpadní: Rostlinné odpady ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny -řepková a kukuřičná sláma, obilná sláma, seno, zbytky po likvidaci křovin a náletových dřevin, odpady ze sadů a vinic, odpady z údržby zeleně a travnatých ploch. • Lesní odpady (dendromasa) -po těžbě dříví zůstává v lese určitá část stromové hmoty nevyužita (pařezy, kořeny, kůra, vršky stromů, větve, šišky a dendromasa z prvních probírek a prořezávek). • Organické odpady z průmyslových výrob -spalitelné odpady z dřevařských provozoven (odřezky, piliny, hobliny, kůra), odpady z provozů na zpracování a skladování rostlinné produkce (cukrovary), odpady z jatek, mlékáren, lihovarů, konzerváren. • Odpady ze živočišné výroby -hnůj, kejda, zbytky krmiv, odpady z přidružených zpracovatelských kapacit. • Komunální organické odpady -kaly, organický tuhý komunální odpad (TKO). Biomasa záměrně produkovaná k energetickým účelům, energetické plodiny: Pro hodnocení produkční Dřeviny (vrby, topoly, olše, akáty) Obiloviny (celé rostliny) Travní porosty schopnosti jednotlivých regionů slouží (sloní tráva, chrastice, trvalé travní Lignocelulózové bonitace zemědělského půdního fondu. porosty) Ostatní rostliny (konopí seté, čirok, křídlatka, šťovík krmný, sléz Základní oceňovací a mapovací topolovka) jednotkou je Řepka olejná, slunečnice, len, dýně na Olejnaté semeno BPEJ –bonitovaná půdně ekologická Brambory, cukrová řepa, obilí (zrno), jednotka určená pětimístným kódem. Škrobno-cukernaté topinambur, cukrová třtina, kukuřice Tabulka1:Energetické plodiny. Příklad: 3 01 00, první místo je pro klimatický region -KR, druhé a třetí místo je pro hlavní půdní jednotku-HPJ,ze čtvrtého místa vyčteme svažitost a expozici vůči světovým stranám a z pátého místa určíme skeletovitost a hloubku půdního profilu.
Obrázek1:Zpracování odpadní biomasy štěpkováním
Možnosti využití a přehled technologií Z energetického hlediska lze energii z biomasy získávat téměř výhradně termo-chemickou přeměnou, tedy spalováním. Výhřevnost je dána množstvím tzv. hořlaviny (organická část bez vody a popelovin, směs Obrázek2:Možnosti využití biomasy. hořlavých uhlovodíků -celulózy, hemicelulózy a ligninu). Biomasa je podle druhu spalována přímo, nebo jsou spalovány kapalné či plynné produkty jejího zpracování. Od toho se odvíjejí základní technologie zpracování a přípravy ke spalování: Termo-chemická přeměna Biochemická přeměna
pyrolýza (produkce plynu, oleje) zplyňování (produkce plynu) fermentace, alkoholové kvašení (produkce etanolu) anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (produkce bioplynu) lisování olejů (produkce kapalných paliv,
Mechanickochemická přeměna
oleje) esterifikace surových bioolejů (výroba bionafty a přírodních maziv) štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv)
Biomasa je v současnosti využívána zejména decentralizovaně v lokálních topeništích a malých kotlích v rodinných a bytových domech (palivové a odpadní dřevo), v menší míře i ve větších zdrojích (průmyslové zdroje v dřevozpracujícím i jiném průmyslu, blokové kotelny, zdroje CZT).
Přímé spalování a zplyňování Spalování-suchá biomasa je velmi složité palivo, protože podíl částí
zplyňovaných při spalování je velmi vysoký. Vzniklé plyny mají různé spalovací teploty. Proto se také stává, že ve skutečnosti hoří jenom část paliva. Dřevoplyn -ze suché biomasy se působením vysokých teplot uvolňují hořlavé plynné složky, tzv. dřevoplyn. Jestliže je přítomen vzduch, dojde k hoření, tj. jde o prosté spalování. Pokud jde o zahřívání bez přístupu vzduchu, odvádí se vzniklý dřevoplyn do spalovacího prostoru, kde se spaluje obdobně jako jiná plynná paliva. Část vzniklého tepla je použita na zplyňování další biomasy. Výhodou je snadná regulace výkonu, nižší emise, vyšší účinnost. Obrázek3:Kotel na spalování dřevní štěpky ve výtopně Schenkenfelden, Horní Rakousko.
Vliv vlhkosti na výhřevnost biomasy Výhřevnost dřeva je srovnatelná s hnědým uhlím. U rostlinných paliv však kolísá podle druhu a vlhkosti, na kterou jsou tato paliva citlivá. Čerstvě vytěžené dřevo má relativní vlhkost až 60 %, dobře proschlé dřevo na vzduchu má relativní vlhkost cca 20 %; pod střechou sníží svůj obsah vody na 20 % za půl až jeden rok. Dřevěné brikety mohou mít relativní vlhkost od 3 do 10 %, podle kvality lisování. Pro spalování štěpek je optimální vlhkost 30 - 35 %. Při vlhkosti nižší má hoření explozivní charakter a mnoho energie uniká s kouřovými plyny. Při vyšší vlhkosti se mnoho energie spotřebuje na její vypaření a spalování je nedokonalé. Pro spalování dřeva lze doporučit vlhkost cca 20 %. JEDNOTKA plm
NÁZEV plnometr = m3
VÝZNAM krychle o hraně 1 m vyplněná dřevem bez mezer, 1 m3 skutečné dřevní hmoty ("bez děr")
prm
prostorový metr = m3 p. o. (tedy "prostorového objemu")
prms
prostorový metr sypaný
krychle o hraně 1 m vyplněná částečně dřevem s mezerami, čili 1 m3 složeného dřeva štípaného nebo neštípaného ("s dírami"), např. dřevo v lese složené do "metrů" 1 m3 volně loženého sypaného (nezhutňovaného) drobného nebo drceného dřeva
Tabulka2:Jednotky a termíny pro objemové značení dřevní hmoty.V praxi používaný výraz "kubík" většinou znamená plm.
Druh paliva
Dřevo obecně Buk
Obsah vody
Výhřevnost
[%]
[MJ/kg]
20
14,23
Měrné hmotnosti [kg/m3]= [kg/plm]
[kg/prm]
[kg/prms]
15
670
469
275
Dub
15
685
480
281
Borovice
15
517
362
212
Smrk Listnaté dřevo Jehličnaté dřevo Polena (měkké dřevo) Dřevní štěpka Sláma obilovin Sláma kukuřice Lněné stonky Sláma řepky
15
455
319
187
15
14,605
678
475
278
15
15,584
486
340
199
20
14,28
30
12,18
10
15,49
120
(balíky)
10
14,40
100
(balíky)
10
16,90
140
(balíky)
10
16,00
100
(balíky)
Tabulka3: Výhřevnost biomasy.
400 210
Obrázek4:Automatický kotel s podáváním paliva na peletky.
Bio-chemická přeměna Bioetanol - Fermentací roztoků cukrů je možné vyprodukovat etanol (etylalkohol). Vhodnými materiály jsou cukrová řepa, obilí, kukuřice, ovoce nebo brambory. Cukry mohou být vyrobeny i ze zeleniny nebo celulózy. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého etanolu. V praxi je však energetická výtěžnost 90 až 95%. Fermentace cukrů může probíhat pouze v mokrém (na vodu bohatém) prostředí. Vzniklý alkohol je nakonec oddělen destilací a je vysoce hodnotným kapalným palivem pro spalovací motory. Jeho přednostmi jsou ekologická čistota a antidetonační vlastnosti. Nedostatkem etanolu jako paliva je schopnost vázat vodu a působit korozi motoru, což lze odstranit přidáním antikorozních přípravků. V USA probíhají výzkumy výroby etanolu z celulózy pomocí speciálně vyšlechtěných mikroorganismů. Etanol lze pak získat i ze dřeva, slámy nebo sena. Etanol pro spalovací motory je hojně využíván v Mexiku. Skládkové plyny -na skládkách TKO dochází ke složitým biologickým pochodům, důsledkem je tvorba skládkového plynu. Složení plynu se mění v průběhu let. Průměrné množství TKO na jednoho obyvatele na rok je asi 310 kg. Z toho množství je přibližně 35 % organického původu a z něhož lze odhadovat přibližnou produkci 0,3 m3/kg. Bioplyn - Při rozkladu organických látek (hnůj, zelené rostliny, kal z čističek) v uzavřených nádržích bez přístupu kyslíku vzniká bioplyn. Tento proces, kdy se organická hmota štěpí na anorganické látky a plyn, vzniká díky bakteriím pracujícím bez přístupu kyslíku (anaerobně). Rozkládání víceméně odpovídá procesům probíhajícím v přírodě s tím rozdílem, že v přírodě probíhají i za přítomnosti kyslíku (aerobní procesy). Proto jsou meziprodukty těchto procesů odlišné a také chemické složení konečných produktů se liší. Zbytky vyhnívacího procesu jsou vysoce hodnotným hnojivem nebo kompostem. Bioplyn obsahuje cca 55 -70 % objemových procent metanu, výhřevnost se 3
proto pohybuje od 19,6 do 25,1 MJ/m . V zemědělství se v největší míře využívá kejda (tekuté a pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou), případně slamnatý hnůj, v menší míře sláma, zbytky travin, stonky kukuřice, bramborová nať (obtížnější zpracování). Bioplynový potenciál v hnoji závisí na obsahu sušiny a na složení a strávení potravy. V bioplynové stanici se biomasa zahřívá na provozní teplotu ve vzduchotěsném reaktoru, kde zůstává Druhy bakterií Teplota fermentovaného materiálu [°C] pevně stanovenou dobu zdržení Bakterie 15 -20 psychrofilní (většinou experimentálně ověřenou). Bakterie mezofilní 37 -43 Optimální teplotní pásma jsou vázána Bakterie termofilní 55 na různé kmeny bakterií: Tabulka4:Optimální teplotní pásma anaerobních bakterií.
Obrázek5:Kontinuální systém na zpracování kejdy,Dánsko.
Obrázek6:Schéma bioplynové stanice, kontinuální systém.
Popis zařízení: 1 -odvod bioplynu, 2 -přepad kalu, 3 -zásobník odplyněné kejdy, 4 -nová sběrná nádrž, 5 –kalové čerpadlo, 6 plynojem, 7 -vodní uzávěr, 8 -připojení ke stávajícímu dálkovému vytápění, 9 -teplo z kogenerační jednotky, 10 -kogenerační vytápění, 9 -teplo z kogenerační jednotky, 10 -kogenerační jednotka, 11 -dmychadlo, 12 -elektřina z kogenerační jednotky
Mechanicko-chemická přeměna Bionafta - Z řepkového semene se lisuje olej, který se působením katalyzátoru a vysoké teploty mění na metylester řepkového oleje, jenž je použitelný jako bionafta. Nazývá se "bionafta první generace". Protože výroba metylesteru je dražší než běžná motorová nafta, mísí se s některými lehkými ropnými produkty, nebo s lineárními alfa-olefiny, aby jeho cena mohla konkurovat běžné motorové naftě. Tyto produkty se nazývají "bionafty druhé generace", musí obsahovat alespoň 30 % metylesteru řepkového oleje, zachovávají si svou biologickou odbouratelnost a svými vlastnostmi, jako je např. výhřevnost, se více přibližují běžné motorové naftě. Jejich výroba se řídí ČSN 656507, která pojednává o výrobě biopaliv. Motory musí být pro spalování bionafty přizpůsobeny (např. pryžové prvky).
Pěstování biomasy pro energetické účely
Plodina/termín
Výhřevnost [MJ/kg]
Vlhkost [%]
Výnos [t/ha] min. prům. opt.
Druh energetické plodiny je Sláma obilovin 14 15 3 4 5 určován mnoha faktory: druhem (VII-X) Sláma řepka půd, způsobem využití a účelem, 13,5 17-18 4 5 6 (VII) možností sklizně a dopravy, Energetická fytomasa -orná 14,5 18 15 20 25 druhovou skladbou v okolí. Předem půda (X-XI) Rychlerostoucí se musí porovnat náklady na dřeviny -zem. 12 25-30 8 10 12 pěstování a na výrobu (spotřebu půda (XII-II) Energetické energie) a výnosu (zisku) energie. seno -zem. půda 12 15 2 5 8 Z bylin jsou zajímavé rostliny (VI;IX) Energetické produkující cukr, škrob nebo olej. seno -horské 12 15 2 3 4 Například brambory, cukrová řepa, louky (VI;IX) slunečnice a zejména řepka (řepkový Energetické seno -ostatní 12 15 2 3 4 olej se zpracovává na naftu a půda (VI-IX) mazadla, řepková sláma se použije ke Rychlerostoucí dřeviny 12 25-30 8 10 12 antropogenní spálení). Řepková sláma má vyšší půda (XII-II) výhřevnost 15 - 17,5 GJ/t oproti Jednoleté rostliny obilné slámě, u které počítáme s 14,5 18 15 17,5 20 antropogenní výhřevností 14,0 - 14,4 CJ/t. půda (X-XI) Energetické Z víceletých rostlin je známá rostliny 15 18 15 20 25 křídlatka sachalinská (Reynoutria antropogenní půda (X-XII) sachalinensis Nakai), která dosahuje vysokých výnosů 30 - 40 t sušiny z ha. Velmi diskutovanou energetickou Tabulka 5: Orientační klíčová čísla pro výhřevnost, výnosy, dobu sklizně a sklizňovou vlhkost energetické fytomasy. (Zdroj: rostlinou je sloní tráva (Miscanthus VÚRV.) sinensis). Výhodné je pěstování konopi setého (Cannabis sativa L.), neboť nevyžaduje žádné ošetření v průběhu vegetace. V Evropě dosahuje výšky až 4 m a výnosu hmoty 6 -15 t suché hmoty z ha. Konopí je jednoletá rostlina, ale na stanovišti vydrží, pokud se vysemení, mnoho let (odtud např. Konopiště). Nejvhodnější rychle rostoucí dřeviny (RRD) jsou platany, topoly (černý, balzamový), pajasany (žláznatý), akáty, olše a zejména vrby , které jsou vhodné hlavně pro hydromorfní půdy podél vodotečí, kde lze uplatnit i domácí topol černý. Obmýtní doba je 2 až 8 vegetačních období, životnost
Obrázek7: Sklizeň konopí,Unhošť.
plantáže je 15 -20 let. Speciální vyšlechtěné klony mají výtěžnost až 15 -18 t sušiny na ha, v našich podmínkách se dosahuje roční výtěžnosti 10 t/ha. Je třeba respektovat zákon č. 114/92 Sb. o ochraně přírody a krajiny(cizí rostliny a dřeviny).
[1] Beranovský, J. a kol.: Metody hodnocení vhodnosti a výtěžnosti OZE pro účely energetických bilancí a energetické statistiky a pro účely regionálního územního plánování a energetických generelů. ČEA, EkoWATT, Praha, 2000. [2] Hančarová, D.: Zpracování kejdy. ÚVTIZ, č. 5,1991. [3] Kára, J., Adamovský, R.: Praktická příručka - obnovitelné zdroje energie. MZE ČR, Praha, 1993. [4] Kára, J. a kol.: Program zaměřený na zvyšování energetické účinnosti a dosažení energetických úspor v zemědělském a potravinářském komplexu. VÚZT Řepy,1992. [5] Kára, J., Šrámek, V., Hutla, P., Stejskal, F., Kopická, A.: Využití biomasy pro energetické účely. ČEA, Praha,1997. [6] Knápek, J., Vašíček, J., Havlíčková, K.: Ekonomická efektivnost pěstování biomasy pro energetické účely. ČVUT Praha, VÚKOZ, Průhonice, 2001. [7] Kol. autorů: Katalog firem 2002 -2003, obnovitelné zdroje energie. EkoWATT, Praha, 2002. [8] Kol. autorů: Energie -kde ji vzít? EkoWATT, Praha, 1993. ISBN 87-87669-74-1. Dotisk EkoWATT, Praha,1995. [9] Kol. autorů: Využití biomasy pro energetické účely. ČEA, Praha, 1997. [10] Kol. autorů: Využití biomasy k energetickým účelům. Studie VTR, ÚVTIZ, č. 19, 1986. [11] Pastorek, Z. a kol.: Využití odpadní biomasy rostlinného původu. Metody pro zemědělskou praxi č. 12/1999. ÚVTIZ, MZE ČR, Praha, 1999. [12] Pázral, E., Kára, J., Kotková, J., Svobodová, V.: Kombinované energetické systémy s využitím obnovitelných zdrojů energie. ČEA, Praha, 1997. [13] Pažout, F., Hutla, P.: Praktická příručka obnovitelné zdroje energie 3/1993. MZE ČR, Praha, 1993. [14] Simanov, V.: Dříví jako energetická surovina. MZE ČR, Praha, 1993. [15] Trnobranský, K., Valentová, M., Dufour, R.: Energetické využívání dřevních odpadů. ČEA, Praha, 1998.
ÚSPORNÁ OPATŘENÍ V BYTOVÝCH DOMECH Úspory a rekonstrukce: dvě mouchy jednou ranou Mnoho bytových domů, zejména panelových, stojí před rekonstrukcí. Spojit opravu pláště či novou fasádu se zateplením je na první pohled zjevně výhodné.
Snížení spotřeby tepla se ihned projeví v peněženkách obyvatel; hodnota opraveného domu se zvýší a měly by poklesnout náklady na odstraňování poruch. Jak ale postupovat, aby výdaje na rekonstrukci přinesly maximální efekt?
Zateplování zdiva Teplo z domu uniká dvojím způsobem: jednak prostupuje stěnami a okny a jednak uniká se vzduchem, a to nejen při větrání, ale i když jsou okna zavřena. Průniku tepla obvodovým pláštěm budovy nelze nikdy zcela zabránit (to by bylo proti fyzikálním zákonům), ale lze ho značně snížit. Stejně jako si v chladných dnech oblékáme svetr a kabát, můžeme i dům opatřit izolací. Je to efektivnější, než topit a topit. Pro většinu budov je vhodnější použít venkovní zateplení. Zejména u panelových domů je to i účinná cesta k prodloužení životnosti domu. Zateplení chrání v zimě před mrazem a v létě před slunečním žárem, takže klesne namáhání pláště budovy tepelnou roztažností. Ocelové spojovací prvky jsou více chráněny před povětrností a tedy i před korozí. Pozor však na nesprávný návrh zateplení, kdy naopak dojde ke kondenzaci vody v konstrukci, která korozi ocelových prvků urychlí! Zateplením se eliminují i tepelné mosty ve spárách mezi panely a při správném návrhu i u okenních otvorů. Vnější kontaktní zateplení Jedná se o často používanou technologii, která je mnohdy i nejlevnější. Spočívá v nalepení desek z polystyrenu nebo minerální vaty na stěnu. Desky jsou přikotveny hmoždinkami (jak kvůli jejich hmotnosti, tak kvůli sacímu efektu větru, který by je mohl odtrhnout). Na izolant se nanáší stěrková omítka, která je na výběr v mnoha barvách i strukturách povrchu. Nová stěna nemusí být hladká, lze ji doplnit římsami, šambránami, pilastry i složitějšími sádrovými odlitky či polystyrenovými profily. Venkovní zateplení lze tedy použít i pro cihlové domy se složitější, ale památkově nevýznamnou fasádou. Důležité je, aby jednotlivé prvky (izolant, lepicí a omítkové hmoty, lišty, hmoždinky a další) tvořily dohromady systém se zaručenými parametry. Kombinovat různé prvky vybírané způsobem "aby to moc nestálo" se nemusí vyplatit -v zateplení mohou vznikat trhliny, životnost může být kratší a případná reklamace bude velmi složitá. Zateplení s předsazenou fasádou Budova se opatří novou fasádou, která je upevněna na nosné konstrukci kotvené do původní stěny. Do vzniklého prostoru se vloží tepelná izolace tak, aby mezi ní a
1. fasádní deska 3., 4. tepelná izolace 2. laťový rošt se vzduchovou 5. stěna Obrázek1: Zateplení s předsazenou mezerou 6. vnitřní omítka
vnějším pláštěm zůstala ještě větraná vzduchová mezera. Výhodou je, že touto mezerou může unikat vlhkost pronikající z interiéru, takže riziko trvalé kondenzace se výrazně snižuje. Nová fasáda může být z nejrůznějších materiálů hliníkových či plastových lamel, betonových tvarovek, dřeva, mramoru atd. Podle hmotnosti vnější fasády se volí nosný systém, vždy ale tak, aby tvořil minimální tepelný most. Špatný návrh může zhoršit izolační efekt; v nejhorším případě může dokonce tepelnými mosty unikat tolik tepla, kolik ho zadrží okolní izolace. Výhodou tohoto systému je možnost demontáže a opětného použití -například rozhodneme-li se přistavět nové křídlo budovy. Rovněž opravy jsou snazší. Vnitřní zateplení V případě, že fasáda domu je památkově cenná, lze uvažovat o vnitřním zateplení. Velkou nevýhodou je to, že stavební práce probíhají v bytě a že se plocha bytu sníží. Podmínkou je samozřejmě kvalitní návrh i realizace zateplení. Vnitřní zateplení může spočívat v přizdění stávající zdi tepelně-izolačním materiálem, omítnutí speciální omítkou nebo i ve vybudování nové vnitřní stěny s izolací v meziprostoru. Uvědomíme-li si, že pro vnější zateplení se běžně používá izolace v síle 15 až 20 cm, je zřejmé, že vnitřní zateplení bude vždy kompromisem mezi požadavkem na úsporu tepla a velikostí obytného prostoru. Na co si dát pozor Vždy platí, že návrh (projekt) zateplení je lepší svěřit odborníkům. Dokonce i na první pohled stejné paneláky se ve skutečnosti často liší právě stavební konstrukcí. Zejména při vnitřním zateplení je třeba mít kvalitní návrh, protože zde se dá zkazit opravdu hodně. Špatné zateplení může ohrozit funkci domu (destrukce zdí promrzáním, hnití zhlaví stropních trámů) i zdraví jeho obyvatel (růst plísní v bytě). Při vnějším zateplení je rizikem hlavně nekvalitní provedení (časté je špatné přilepení výztužné síťoviny), které později vede třeba k praskání omítek. Dále se při realizaci podceňuje důsledné izolování celé vnější plochy -okenních ostění, nadpraží a parapetů, hran štítových panelů atd. To může později působit poruchy v konstrukci. Většinou se vyplatí vybrat pro montáž zateplení firmu, která má zkušenosti, vyžádat si seznam referenčních zakázek, prověřit, jak tyto zakázky vypadají doopravdy a jak firma dodržuje smluvní podmínky, termíny a kvalitu (např. má-li certifikaci výrobce zateplovacího systému).
Tepelná pohoda Zateplením stěn dojde vždy i ke zvýšení jejich povrchové teploty na vnitřní straně. To má vliv na tepelnou pohodu -čím jsou stěny chladnější, tím je pobyt méně příjemný a naopak (to je také důvod, proč je teplo kachlových kamen vnímáno jako
velmi příjemné). V konečném důsledku můžeme v dobře zateplené místnosti udržovat o něco nižší teplotu vzduchu, aniž bychom pociťovali chladno. To opět vede ke snížení spotřeby energie (snížení teploty o 1°C představuje úsporu tepla cca 6 %).
Izolování stropů a střechy Ploché střechy jsou právě u panelových budov častým zdrojem poruch. Nutnost nové krytiny je příležitostí zamyslet se i nad tepelnou izolací. Jednoplášťové střechy Mezi stropní konstrukcí a vnější spádovou vrstvou je tepelná izolace většinou z lehčených stavebních materiálů (škvárobeton, křemelinové desky atd.). Dodatečnou tepelnou izolaci je tedy nutno dát na horní povrch. Pokud je překryta novou hydroizolací, je tu riziko prošlápnutí nebo proražení, protože tepelná izolace je většinou měkčí. Proto se s oblibou používá systém tzv. Obrázek2:Zateplování jednoplášťové střechy a tzv. obrácená střecha. obrácené střechy. Původní krytina je opravena nebo nahrazena novou a na ní je kladena tepelná izolace, překrytá vrstvou kamínků, dlažbou kladenou nasucho nebo jiným způsobem, kterým voda může pronikat. Pokud střecha snese větší přitížení, lze uvažovat i o "zelené střeše", tj. překrytí vrstvou zeminy a osázení vhodnými (suchomilnými) rostlinami. Výhodou je, že hydroizolace není namáhána teplotními výkyvy, povětrností ani UV zářením, což zvyšuje její životnost. Jinou možností je opatřit střechu nástřikem polyuretanové (PUR) pěny, která funguje jako izolace proti vodě i proti chladu. Nástřikem se vytvoří souvislá vrstva, která vyřeší i problematická místa, jako napojení komínků, atik, výtahových nástaveb atd. Je také možné převést konstrukci na střechu dvouplášťovou, což je sice dražší, ale o to levnější jsou pozdější opravy a údržba. Dvouplášťové střechy V prostoru mezi stropní konstrukcí a střešním pláštěm je vzduchová mezera, většinou odvětraná (otvory v atice). Tuto
Obrázek3:Zateplování dvouplášťové střechy.
mezeru je možno využít pro instalaci teplené izolace. Někdy lze do prostoru nafoukat sypkou izolaci, např. z papírových vloček. Je-li mezera příliš malá (nevejde se dostatečná tloušťka izolantu) je možno sejmout vnější střešní plášť a zvýšit spádové klíny, na kterých ležel. Do vzduchové mezery pak vložit izolaci a střešní plášť instalovat zpět. Vždy je vhodné provést izolaci tak, aby ve vzduchové mezeře zůstalo dost volného místa, aby mohla stále větrat. Dvouplášťové střechy je ovšem možno izolovat i shora, podobně jako jednoplášťové, ovšem za cenu značného snížení účinku vrstvy tepelné izolace. Ploché střechy jsou z principu navrženy tak, aby se dovnitř nedostala voda. To ale bohužel často současně znamená, že se ani nemůže dostat ven -ať už se tam dostala zatékáním nebo difúzí.
Izolování vnitřních konstrukcí V panelových domech jde zejména o strop technického podlaží, který lze poměrně snadno izolovat. Izolace může být nalepena na strop, případně zakryta podhledem. Je to místo, kde lze s poměrně malými náklady ušetřit poměrně hodně energie. Někdy je vhodné zateplit i stěny z bytů na schodiště, do zádveří nebo jiných prostor s nižší teplotou. Zde je výběr izolačních materiálů omezen i požadavkem na požární bezpečnost. Vždy platí zásada, že se konstrukce izoluje z ochlazované strany.
Meziokenní izolační vložky (MIV) Mnoho panelových domů je řešeno tak, že mezi okny jsou lehké konstrukce s dřevěným rámem, zvenku nejčastěji opláštěné sklem, plechem nebo cementotřískovými deskami. Většinou jsou ve špatném stavu, způsobeném vnitřní kondenzací vlhkosti. Při výměně oken dochází k jejich dalšímu poškození, proto je nutná výměna spolu s okny. MIV je Obrázek4:Zasklení lodžií. možno nahradit novým výrobkem obdobné konstrukce, ovšem se silnější vrstvou izolantu. Pokud to statika domu dovolí, je také možno nahradit je vyzdívkou z lehkých materiálů, která bude zateplena stejně jako parapetní panely. Toto řešení umožní snížit velikost nových oken a tedy i náklady -interiéry však musí mít dostatek denního světla! Jsou-li MIV v dobrém stavu a ponechají-li se původní okna, může se při zateplování panelů instalovat izolace i na MIV. Protože jde o lehkou konstrukci, je zde izolant většinou silnější. Toho se někdy využívá tak, že se izolantem zcela vyrovná rozdílná tloušťka parapetního panelu a MIV. Budova pak získá novou tvář okna a MIV již netvoří souvislé pásy.
Zasklení lodžií V některých typech panelových domů jsou zapuštěné lodžie, které je možno zasklít. Tím se vytvoří zóna teplejšího vzduchu, která izoluje přilehlou stěnu a okna. Při orientaci jižním směrem se zvýší tepelné zisky přilehlé místnosti; podmínkou jejich využití je však termostatický ventil na radiátoru nebo jiná vhodná regulace vytápění. V přechodném období je možno lodžii užívat jako obytnou místnost. Pokud je ale lodžie vyhřívaná schválně otevřenými dveřmi a okny -třeba kvůli pěstovaným květinám -účet za teplo nám silně naroste. Úspora tepla zasklením lodžií tedy silně závisí na chování uživatele. Pokud je zasklení trvale pootevřené, může být výsledek nulový. Je-li zasklení těsně zavřené, omezuje to výměnu vzduchu v přilehlé místnosti a je nutno místnost větrat jiným způsobem.
Únik tepla okny Okny vždy uniká poměrně velké množství tepla. Vývoj v této oblasti však zaznamenal velký pokrok, takže nová moderní okna jsou dvakrát lepší než ta, na které jsme u starších budov zvyklí. Výměna oken Výměna oken za nová je vždy poměrně nákladná. Rozhodneme-li se však už okna vyměnit (třeba kvůli špatnému stavu původních), neměli bychom šetřit na nesprávném místě. Tím je zasklení. Okna jsou nabízena s různými typy dvojskel, přičemž rozdíl mezi nejlevnějším a nejdražším typem je asi 20 % ceny okna. Naproti tomu rozdíl v izolační schopnosti je až dvojnásobný. Měli bychom tedy vždy dát přednost kvalitnímu dvojsklu s mezerou mezi skly plněnou argonem nebo jiným inertním plynem. Důležité je, aby vnitřní sklo dvojskla bylo opatřeno pokovením (selektivní vrstvou), které dokáže odrážet teplo zpět do místnosti. Současná tzv. eurookna se vyznačují poměrně tenkým rámem, který vyžaduje správné osazení do zdi. Pokud nejsou okenní ostění, nadpraží a parapety důsledně izolovány, vzniká okolo oken výrazný tepelný most, kterým uniká velké množství tepla. U panelových domů je navíc ještě v okraji okenního otvoru přerušena tepelná izolace. Případné vnější zateplení zdi součinitel prostupu tepla U [W/m .K] špaletové okno s obyčejným zasklením 2,7 by tedy mělo přesahovat i na rámy. Je dřevěné okno s dvojitým obyčejným zasklením 2,8 dobré si uvědomit, že v současné době "eurookno" s běžným izolačním dvojsklem 2,8 "eurookno" s izolačním dvojsklem s mezerou izoluje většina dřevěných a plastových 1,8 -1,3 mezi skly plněnou argonem a s pokovením rámů tzv. eurooken hůře než kvalitní repasované špaletové okno, zasklení s pokovením 1,9 -2,1 dvojsklo! Tabulka1:Parametry oken. Pokud chceme nahradit špaletová okna, je vhodné nechat vyrobit nové okno obdobné konstrukce, které má ovšem vnější křídlo zasklené kvalitním izolačním dvojsklem. 2
Repase oken Jestliže jsou stávající okna v dobrém stavu, lze uvažovat
o jejich repasi. Ta spočívá v opravě poruch, případně výměně závěsů a kování, instalaci těsnění a zejména výměně vnitřního skla. U menších křídel, která snesou větší zatížení, lze instalovat izolační dvojsklo. Jinak se vnitřní sklo vymění za nové, s pokovením, které odráží tepelné záření do místnosti. Součinitel prostupu tepla se tak sníží přibližně o čtvrtinu. Únik tepla větracím vzduchem Pro dobrý pocit osob a z hygienických důvodů je nutno větrat všude tam, kde se zdržují lidé. To znamená, že vzduch v místnosti by se měl zcela vyměnit každé dvě hodiny. Ve většině domů je toto větrání zajištěno tzv. přirozeným způsobem, tedy pronikáním studeného vzduchu netěsnostmi mezi okenním křídlem a rámem (a únikem teplého vzduchu horní částí oken). Intenzita tohoto větrání se přitom mění podle venkovní teploty, síly větru a prakticky se nedá regulovat. Někdy je zbytečně velká (při větru vlají záclony), jindy nedostatečná. Nejsou-li v bytě lidé, je toto větrání nežádoucí; přitom spotřeba tepla na pokrytí ztráty tepla větráním tvoří třetinu až polovinu spotřeby (nezatepleného) domu. Proto má na úsporu velký vliv instalace okenního těsnění, případně instalace nových, dobře těsněných oken. Nesmíme však nikdy zapomínat na větrání, jsou-li v domě lidé. Na trhu jsou okna, jejichž kování umožní "netěsnou" polohu nebo okna s větracím otvorem v rámu, jehož velikost se dá regulovat. Větrat je však nutno i tam, kde vzniká vlhkost (kuchyně, koupelny), aby vlhkost nepronikala do stěn, které tak poškozuje. V místě tepelných mostů (v koutech místností) může dojít i k růstu plísní. Řešením je eliminace studených koutů vnějším zateplením nebo zvýšením vnitřní teploty a větší intenzitou větrání. Nová okna znamenají prakticky vždy zvýšení komfortu, třeba i kvůli snížení hluku z venkovního prostoru. Ve vyšších panelových budovách je kromě větrání okny zajištěna výměna vzduchu také nuceným větráním centrální šachtou. U starších objektů je tento systém v provozu nepřetržitě. Jeho zapínáním v určitých intervalech na nezbytně nutnou dobu je možno ušetřit mnoho tepla, ale i elektrické energie pro pohon ventilátorů.
Úprava topného systému Zateplením či výměnou oken se sníží potřeba tepla až na polovinu. Je tedy nutno upravit vytápěcí systém, aby místnosti nebyly přetápěny -tím by zateplení ztratilo smysl. Základním opatřením je přenastavení stávající (obvykle ekvitermní) regulace. Dalším krokem by měla být instalace termostatických ventilů, které zabrání přetápění a umožní využít pasivní solární zisky. Současně musí být upraveny hydraulické poměry v systému, jinak nemusí ventily fungovat správně, mohou hlučet, klapat atd. Obvykle se na patě stoupaček osazují speciální armatury, případně se
každá stoupačka nebo celý systém opatří oběhovým čerpadlem s elektronicky řízenými otáčkami.
Snížení ztrát tepla v rozvodech Izolace rozvodů i armatur a ventilů má velký význam nejen u otopné soustavy, ale také u rozvodů teplé vody. V bytových domech totiž teplá voda v potrubí stále cirkuluje, i když ji zrovna nikdo nečerpá, aby byla ihned k dispozici i ve vzdálených částech domu, takže se teplo ztrácí během celého dne a celého roku. Značných úspor lze dosáhnout prostým vypínáním cirkulace v nočních hodinách.
Legislativa Zákon č. 406/2000 Sb. a vyhláška č. 213/2001 Sb. vyžaduje od větších spotřebitelů energií, aby na své budovy nechali zpracovat energetický audit. To se týká zejména bytových družstev a obcí, protože hranice roční spotřeby 35 tis. GJ představuje asi 500 až 700 bytů. Majitelé budov se spotřebou vyšší než 700 GJ za rok (přibližně 14 bytů) musí při případné rekonstrukci domu postupovat tak, aby spotřeba tepla po rekonstrukci vyhovovala vyhlášce č. 291/2001 Sb. To musí prokázat již při žádosti o stavební povolení. Jedním z možných způsobů je nechat si zpracovat energetický audit (který může i prokázat, že požadavky vyhlášky není možno z technických či ekonomických důvodů splnit). Pro památkově chráněné budovy platí požadavky vyhlášky přiměřeně. Všichni majitelé pak musí při součinitel prostupu tepla U požadovaná doporučená rekonstrukci budovy v rozsahu, který [W/m .K] hodnota hodnota venkovní stěny -zdi, panely 0,38 0,25 vyžaduje vydání stavebního povolení, venkovní stěny -MIV 0,30 0,20 splnit požadavky ČSN 730540, která stěny a stropy k nevytápěným 0,60 0,40 byla v roce 2002 novelizována. V praxi prostorám ploché střechy 0,30 0,20 to znamená téměř vždy zateplit většinu okna nová 1,80 1,20 okna upravená 2,00 1,35 konstrukcí budovy tak, aby vyhověly požadavkům normy. Na projekt, který to Tabulka2:VybranépožadavkyČSN730540-2. nerespektuje, by nemělo být vydáno stavební povolení. Norma definuje i tzv. energetický štítek budovy, podle kterého lze budovu hodnotit podle energetické náročnosti, podobně jako pračky nebo ledničky. Na základě zákona č. 406/2000 Sb. a vyhlášky č. 152/2001 Sb. jsou majitelé budov povinni instalovat na otopná tělesa termostatické ventily (nebo jiný systém regulace, který umožní využití solárních a vnitřních tepelných zisků), a to nejpozději do konce roku 2004. 2
Energetický audit Energetický audit najde různé možnosti, jak snížit náklady na energie v domě; nemusí jít jen o zateplení, ale třeba i přechod na jiné palivo. Audit také pomůže najít
optimální tloušťku izolace, která závisí nejen na konstrukci domu, ale i na ceně tepla. Například u venkovního zateplení tvoří cena vlastního izolantu jen asi 1/4 celkových nákladů. Největší část v celkovém rozpočtu tvoří kotvící prvky, lišty, lepicí a omítkové hmoty a ovšem i cena montáže a lešení. Proto není tloušťka izolace tím nejlepším místem, kde ušetřit na nákladech. Díky auditu se může zadavatel rozhodnout mezi různými možnostmi úspor a má záruku, že investice byla optimální a že přinese očekávaný efekt. Audit může také napomoci při získávání státních dotací.
Použitá a doporučená literatura [1] ČSN 730540-2 [2] časopis Tepelná ochrana budov, vydává ČKAIT, Sokolská 15, 120 00 Praha 2. [3] Tichý, F., Mužík, V.: Zateplování budov. SIA, 1998. [4] Šála, J., Machatka M.: Zateplování budov v praxi. Grada, 2002. [5] Řehánek, J., Janouš, A., Kučera, P., Šafránek, J.: Tepelně technické a energetické vlastnosti budov. Grada, 2002. [6] Barták, K.: Nejčastější problémy při rekonstrukcích domů. Grada, 1998. [7] Barták, K.: Fasády a jejich rekonstrukce. Grada, 1996.
EKONOMIKA Metodicky správné hodnocení ekonomické efektivity investic projektů obnovitelných energetických zdrojů (OEZ) a energetických úspor má smysl hned z několika důvodů. Nová energetická legislativa se s ohledem na vstup ČR do EU snaží vybudovat ucelený systém energetického plánování v ČR. Pro ČR však z této skutečnosti vyplývají závazky státu v oblasti energetiky a ŽP. EU přijala v roce 2001 zatím málo známou Směrnici Evropského parlamentu a Rady "O podpoře elektřiny z obnovitelných zdrojů energie na vnitřním trhu s elektřinou" . Ta předpokládá dosažení 12 % podílu OEZ na celkové domácí spotřebě energie a dosažení 22,1 % podílu elektřiny vyráběné z OEZ na celkové spotřebě elektřiny (brutto) za EU jako celek do roku 2010. (%) Belgie Dánsko Finsko Francie Irsko Itálie Lucembursko Německo Nizozemí Portugalsko
1,1 8,7 24,7 15,0 3,6 16,6 2,1 4,5 3,5 38,5
(%) 6,0 29,0 35,0 21,0 13,2 25,0 5,7 12,5 12,0 45,6
(TWh) 6,3 12,9 33,7 112,9 4,5 89,6 0,5 76,4 15,9 28,3
Rakousko 72,7 78,1 55,3 Řecko 8,6 20,1 14,5 Spojené 1,7 10,0 50,0 království Španělsko 19,9 29,4 76,6 Švédsko 9,1 60,0 97,5 EU 13,9 22,1 674,9 Tabulka1:Podíl OEZ ve výrobě elektřiny v roce 1997 a navrhovaný stav v roce 2010 v zemích EU.
Kromě toho k Rámcové úmluvě OSN o změně klimatu byl v listopadu 1997 v Kjótu přijat Protokol, ve kterém se ČR přiřadila k zemím, které sníží celkové emise skleníkových plynů o 8 % do období 2008 -2012 v porovnání s úrovní roku 1990. Redukce se týká všech skleníkových plynů vyjádřených ve formě tzv. agregovaných bilancí emisí oxidu uhličitého. Česká republika svůj závazek zatím plní především díky poklesu průmyslové výroby v letech 1990 až 1997, díky změně struktury výroby a změně struktury spotřeby primárních energetických zdrojů. V časovém horizontu 2013 -2017 se proto očekává, že bude přijat nový závazek požadující další snížení emisí skleníkových plynů. Splnění tohoto nového závazku nebude pravděpodobně možné bez aktivního přístupu v oblasti úspor energie a využívání obnovitelných zdrojů energie. Mezi základní pozitiva obnovitelných zdrojů patří především: • Úspora neobnovitelných zdrojů energie -fosilních paliv, které tak mohou sloužit jako cenný zdroj nejen pro energetiku i příštím generacím. • Minimalizace emisí škodlivých látek do okolního prostředí. • Diverzifikace energetických zdrojů a snížení závislosti na dovozech (nabývá na důležitosti zejména po 11. září 2001). Nevýhody charakterizující obnovitelné zdroje: • Relativně nízká "hustota energie", což způsobuje nutnost záboru velkých ploch. Současně jsou vhodné lokality často odlehlé od míst spotřeby. • Závislost na vnějších (přírodních) podmínkách (síla větru, osvit, průtok vody apod.), což způsobuje problémy v zajištění spolehlivosti dodávek a zvyšuje nároky na řízení elektrizační soustavy. • Zpravidla vysoké měrné investiční náklady. Výše uvedené důvody způsobují, že využívání obnovitelných zdrojů energie je z čistě ekonomického pohledu často nekonkurenceschopné ve srovnání s "klasickými" zdroji energie, a to i z toho důvodu, že do cen energie vyrobené "klasickými" zdroji se do značné míry nepromítají jejich negativní vlivy na životní prostředí. Širší rozvoj využívání obnovitelných zdrojů energie pak není možný bez určité formy přímé či nepřímé podpory formou daňových úlev, státních dotací nebo příspěvků od jiných subjektů.
Vstupní údaje pro ekonomické hodnocení Ekonomickou výhodnost a efektivnost OEZ ovlivňují následující ekonomické veličiny: • Investiční náklady, které zahrnují veškeré jednorázové výdaje na přípravu stavby, projekt, dodávky technologického zařízení a jeho montáž, stavební úpravy, elektrickou přípojku, popř. i náklady na výkup potřebných pozemků. • Doba životnosti zařízení, tj. doba, po kterou bude možno využívat produkce OEZ (dosahovat úspor energie), aniž by bylo nutné znovu vynakládat investiční výdaje na obnovu zařízení. Spolehlivá technologie s dlouhou dobou životnosti významně zvyšuje dosažené ekonomické přínosy. • Provozní náklady na obsluhu zařízení, jeho pravidelnou údržbu, předpokládané opravy, režie, pojištění majetku, pozemkové daně a jiné poplatky, nákup paliv a energie včetně dopravy. • Velikost úspor energie, roční produkce elektřiny a tepla. Ekonomickou efektivnost příznivě ovlivní možnost výroby elektřiny v době špiček, kdy je její cena nejvyšší. Na ekonomiku OEZ mají vliv i parametry financování stavby, tj. velikost, doba splácení a úroková sazba poskytnutého úvěru a také cena vlastních peněz investora. Ekonomický efekt pro MVE 1,50 investora ovlivňuje i daň z příjmů, Větrné elektrárny 3,00 případné daňové úlevy a státní či Spalování biomasy 2,50 Spalování bioplynu 2,50 jiné podpory. Geotermální energie 3,00 V budoucnu může na Sluneční záření 6,00 ekonomiku OEZ významně Tabulka2:Minimální výkupní ceny z obnovitelných zdrojů. zapůsobit i případné zavedení (Zdroj: Cenové rozhodnutí ERÚč. 1/2002 ze dne 27.11. 2001, kterým se stanovují ceny elektřiny a souvisejících služeb.) "ekologických" daní, jejichž výše by měla být závislá na spotřebovaném množství energie nebo na produkci skleníkových plynů vznikajících spalováním klasických pevných paliv (nikoliv biomasy).
Hodnocení ekonomické efektivnosti úspor energie a OEZ Výpočet ekonomické efektivnosti hodnotí dosažené výnosy (efekty) ve srovnání s náklady (nároky) na realizaci a provoz posuzované investice. Ekonomická efektivnost se měří penězi, proto její výpočet nemůže obsahovat penězi neměřitelné veličiny, mezi něž bohužel patří i většina přínosů ve prospěch životního prostředí. Ekonomické hodnocení nám proto může dát pouze odpověď na otázku, co nás to stojí a jaký je ekonomický efekt. Konečné rozhodnutí je na nás, na investorovi a toto rozhodnutí může být ovlivněno i naším zájmem přispět ke zlepšení
životního prostředí, i když na tom my sami bezprostředně peněžní efekt nezískáme. Můžeme si ale spočítat, co nás naše rozhodnutí bude stát . Ekonomickou efektivitu lze stanovit na základě výpočtu ekonomických kritérií hodnocení. Následující kritéria jsou aktuální zejména pro investory typu firma, podnikatel, domácnost nebo instituce. Pro zjednodušený výpočet postačuje v mnoha případech porovnání dosažených ročních přínosů (z úspor energie nebo OEZ) s vynaloženými investičními náklady: • prostá doba návratnosti vynaložené investice Tn, doba splacení investice. Toto minimalizační kritérium vyžaduje ve svém způsobu hodnocení například vyhláška MPO ČR č. 213/2001 Sb., kterou se vydávají podrobnosti náležitostí energetického auditu a vypočítá se z následující podmínky: IN IN Tn = = CFt (V − N p ) kde: IN CFt
jsou investiční výdaje projektu [Kč] je tok hotovosti, roční přínosy projektu (Cash Flow, změna
peněžních toků pro realizaci projektu) [Kč] V jsou výnosy z realizace, např. roční hodnota úspor energie [Kč] Np jsou roční provozní výdaje [Kč] Toto často používané kritérium (nejkratší návratnost vložených investic) však zanedbává řadu podstatných faktorů, jako např. budoucí růst cen energie, ale i fakt, že peníze můžeme vložit do jiných investičních příležitostí. Prostá doba návratnosti nebere v úvahu časovou hodnotu peněz. Tím, že zanedbává efekty po době návratnosti, znevýhodňuje ty investice do úspor či OEZ, které mají dlouhou dobu životnosti, např. zateplování budov nebo malé vodní elektrárny. Výpočet prosté návratnosti nám proto dává pouze orientační představu o ekonomické efektivnosti.
Hotovostní toky Peníze, které chceme vložit do hodnocené investice, můžeme investovat i jiným způsobem, který nám přinese výnos v podobě úroků nebo zisku z podnikání. Abychom mohli říci, že je naše navrhovaná investice výhodná, musí nám přinést výnos vyšší než jiné alternativy, které nabízejí zhodnocení našich peněz s přiměřenou, rozumnou mírou rizika. Příklad: Uložíme-li dnes částku 7835 Kč, získáme při ročním úroku 5 % za 5 let částku:
7835 × (1 + 0,05) = 10000[Kč ] 5
Tento vztah nás však současně upozorňuje, že budoucí, v čase
o 5 let odložená částka 10 000 Kč, má pro nás dnes hodnotu nižší, právě oněch 7835 Kč. Při možnosti každoročního úročení 5 % ji totiž za 5 let můžeme získat také. Nominálně jsou sice tyto dvě částky odlišné, pokud je ale vyjádříme ke stejnému okamžiku, ekonomicky se od sebe již nijak neliší. Základní filozofie ekonomické a finanční analýzy vychází z principu stanovení tzv. čisté současné hodnoty v budoucnosti vynaložených výdajů a příjmů. Ekonomické výpočty se provádějí na hodnotovém základě výpočtem diskontovaného toku hotovosti. Z většiny literatury vyplývá, že za ekonomicky optimální se považuje ta varianta energeticky úsporných opatření, která při stejném riziku dosahuje maximální čisté současné hodnoty toku hotovosti. Některé investice však mohou být i vynucené, tzn. že se realizují i v případě záporného NPV (viz níže). Budoucí přínosy z úspor energie nebo z provozu OEZ proto správně sečteme podle vztahu, který vyjadřuje kritérium, tzv.: • čistá současná hodnota hotovostního toku, NPV (Net Present Value) čili diskontovaný tok hotovosti, DCF (Discount Cash Flow). Čistou současnou hodnotu (NPV) projektu při jednoznačně zadaných vstupních údajích lze spočítat vždy a nabývá jen jedné hodnoty. Tž
NPVTž = DCFTž = ∑ CFt (1 + r ) = max −t
t =1
kde: CFt
je tok hotovosti (Cash Flow) [Kč]
r je diskontní sazba [Kč] (1+r) je tzv. odúročitel; pro každý rok nám udává budoucí částku úspor, přepočtenou, diskontovanou k prvnímu roku, tj. k současnému okamžiku našeho rozhodování je doba životnosti projektu [roky] Tž Hotovostní peněžní tok CFt je v každém t-tém roce dán rozdílem očekávaných přínosů (kladné hodnoty) a výdajů na realizaci a provoz (záporné hodnoty). V počátečním roce odečítáme výdaje jednorázového, investičního charakteru. Navrhovaná investice je ekonomicky výhodná, je-li čistá současná hodnota budoucích peněžních toků větší než nula. Hodnota NPV = 0 představuje investici do úspor či OEZ, jejíž výnos za dobu životnosti je stejný jako alternativní výnos, např. z uložení peněz na roční čistý úrok ve výši r (diskontní sazba). Nominální diskontní míra se stanoví vztahem: rn = (1 + rr ) × (1 + α ) − 1
kde: rn rr α
je nominální diskontní míra (včetně inflace) [%] je reálná diskontní míra (bez inflace) [%] je míra inflace [%]
Je potřeba rozlišit reálnou diskontní míru a nominální diskontní míru, které se odlišují vyloučením nebo zahrnutím vlivu inflace. Diskontní míra pro účely výpočtu čisté současné hodnoty projektu je očekávaná nebo požadovaná míra výnosnosti investic, která je ovlivněna třemi faktory: výnosem, rizikem a likviditou. Diskontní míra ve své podstatě proto vyjadřuje cenu ušlé příležitosti (tzv. Opportunity Costs), což je cena kapitálu. Její hodnota je důležitá i pro přepočet ekonomických veličin mezi různými časovými obdobími na ekvivalentní sčitatelné hodnoty ke společnému datu (tzv. analýza současné hodnoty -Present Value Analysis). Požadovaný výnos je většinou stejný pokud jednotlivé varianty mají stejná rizika. U varianty s vyšší mírou rizika racionální rozhodovatel požaduje vyšší míru výnosu (prémii za riziko). Likviditou u energetických projektů, které mají zpravidla delší dobu návratnosti, se rozumí spíše schopnost dostát závazkům vyplývajícím z realizace investice, jako jsou např. splátky úvěrů.
Hotovostní toky investora, podnikatele Pokud má hodnocená investice podnikatelský charakter, je nutné důsledně respektovat i způsob jejího financování včetně zdanění dosaženého zisku. Peněžní tok, tok hotovosti (Cash Flow) lze formulovat několika způsoby. Podstatné však je, aby byl vždy zvolen způsob, který odpovídá danému rozhodovateli (investorovi). Níže uvedený způsob odpovídá rozhodovateli typu investor a počítá se přímou metodou (nepřímá metoda počítá tok hotovosti z daní). Hotovostní toky investora v jednotlivých letech lze vyjádřit jako rozdíl peněžních příjmů a peněžních výdajů následujícím vztahem: CFt = V − N p − N ú − N ivl − ZS − S pl − D z + DOT + Ú
kde pro jednotlivé roky doby životnosti jsou: CFt je tok hotovosti t
jsou jednotlivé roky doby životnosti Tž
V
jsou výnosy (příjmy, tržby, úspory), které plynou z realizace hodnocené investice (varianty) jsou provozní výdaje (obsluha, údržba, mzdy, opravy, režie, materiál, palivo, energie, voda, ostatní)
Np
Nú
jsou úroky z úvěrů, podle splátkového kalendáře úvěru (nákladové úroky po uvedení do provozu)
Nivl
ZS
jsou investiční výdaje na realizaci, investiční prostředky z vlastních zdrojů (včetně úroků v době výstavby); případná investiční dotace se odečítá a neodepisuje jsou jednorázové výdaje na změnu stavu oběžných aktiv během výstavby (náhradní díly, zásoby paliva, atd.)
Spl
jsou splátky z úvěrů, tzv. úmor (částka, o kterou ročně snižujeme stav dluhu)
Dz DOT
je daň z příjmů (ze zisku) splatná v daném roce, kterou určíme z následujícího vztahu je investiční dotace
Ú
jsou přijaté investiční úvěry vydané na financování projektu
Tok hotovosti po zdanění vystihuje lépe ekonomický vliv projektu než tok hotovosti před zdaněním pouze v organizacích, které jsou poplatníky daně z příjmu. Pro účely stanovení toku hotovosti po zdanění je třeba rozčlenit investici do odpisových skupin, přičemž je potřeba postupovat podle přílohy k zákonu č. 586/1992 Sb. o daních z příjmu. Odpisy nepatří do hotovostních výdajů pro účely stanovení toku hotovosti před zdaněním. Při stanovení toku hotovosti po zdanění je však nutné znát výši odpisů, protože se odečítají od daňového základu, ze kterého se určí daň z příjmu jakožto hotovostní výdaj. Daň z příjmu splatná v daném roce:
D z = d z × (V − N p − N ú − N od ± O, P ) kde: Dz V Np Nú Nod O,P
je sazba z daně z příjmů jsou výnosy (příjmy, tržby, úspory), které plynou z realizace hodnocené investice (varianty) jsou provozní výdaje (režie, materiál, palivo, energie, voda, opravy, údržba, mzdy, ostatní) jsou úroky z úvěrů, případně z obligací (nákladové úroky po uvedení do provozu) jsou daňové odpisy dle zákona č. 586/92 Sb. o dani z příjmů jsou položky, upravující základ daně z příjmů, odpočitatelné případně připočitatelné položky k základu daně z příjmů (např. poplatky nebo penále), případně úprava daňové ztráty z minulých let
U podnikatelských energetických projektů je potřeba mít na paměti, že úspory nákladů na energii při nezměněné výši příjmů zvyšují základ daně z příjmu.
Kritérium NPV umožňuje stanovit také tzv. minimální cenu produkce energie, která zaručuje očekávaný výnos vloženého kapitálu. U investora může zahrnovat i požadovaný nebo regulovaný výnos: • minimální cena produkce energie cPEmin se z pohledu investora vypočítá z podmínky NPV = 0.
Příklad Máme zhodnotit ekonomickou efektivnost stavby malé vodní elektrárny na vlastním pozemku, kde již v minulosti menší vodní dílo existovalo. Po ověření hydrologických poměrů, spádu a průtoku nám bylo doporučeno použít 2 turbosoustrojí o výkonu 2 x 11 kW, které mohou v dané lokalitě vyrobit ročně 80 MWh. Vyrobená elektřina bude dodávána rozvodnému podniku do sítě nízkého napětí za cenu 1,50 Kč/kWh. (Cenové rozhodnutí ERÚ č. 1/2002 ze dne 27. listopadu 2001, kterým se stanovují ceny elektřiny a souvisejících služeb). Náklady na technologickou část elektrárny včetně připojení do sítě budou 650 tis. Kč. Stavební úpravy si vyžádají 350 tis. Kč. Provozní náklady (nezbytné kontroly zařízení a jeho údržba) si vyžádají částku 10 tis. Kč/rok. Životnost zařízení předpokládáme nejméně 25 let bez větších oprav a investic. Pro daňové účely bude technologie odepisována 12 let, stavební část bude odepisována 30 let. Po dobu prvních 5 let využijeme ustanovení § 4 odst. 1e) zákona o osvobození příjmů z prodeje elektřiny od daně, nemůžeme ale uplatnit daňové odpisy ani provozní výdaje. Daň z příjmů předpokládáme 31 %. Financování předpokládáme částečně úvěrem ve výši 400 tis. Kč, rovnoměrně spláceným po dobu 6 let s úrokem 12 %. Cenu vlastních peněz (diskont, alternativní výnos vlastního kapitálu) předpokládáme 8 %. Hotovostní toky investora (Cash Flow) v jednotlivých letech budou následující: Posuzovaná investice vykazuje poměrně příznivé ekonomické parametry, což je dáno vysokým využitím instalovaného výkonu (3600 hod/rok) a relativně příznivými investičními náklady. Počet let, za něž dosáhne kumulovaný, odúročený (diskontovaný) peněžní tok alespoň nulové hodnoty je 19 let. Tato doba je diskontovaná doba splacení vloženého vlastního kapitálu (600 tis. Kč) při diskontu 8 %. Posuzovaná investice je lepší, než alternativní výnos 8 %, neboť za dobu její životnosti je čistá současná hodnota peněžních toků +127 tis. Kč. Abychom stejný ekonomický efekt získali z jiné investice, musela by mít tato alternativní investice trvalý roční výnos 9,65 % (tzv. vnitřní výnosové procento, vypočtené z podmínky NPV = 0 za dobu životnosti). Před vlastním rozhodnutím o realizaci je nezbytné podrobně prověřit, zda jsme neopomněli nějaká rizika, která by mohla investiční výdaje zvýšit (neočekávané stavební práce, cena pozemků popř. náhrad, náhrady za užívání vodního díla apod.). Riziko možného nejistého vývoje výkupních cen elektřiny je ve výpočtu respektováno opatrným předpokladem pouze 2 % ročního růstu výkupní ceny.
Pokud by hydrologické poměry v lokalitě byly méně příznivé a výroba by činila jen 60 MWh, byla by čistá současná hodnota peněžních toků záporná a odpovídající vnitřní výnosové procento jen 5,8 %. Pro tuto méně příznivou variantu by při původní výkupní ceně 1,50 Kč/kWh bylo potřebné získat k dosažení očekávaného Æ
0
2
3
4
5
1 Příjmy za elektřinu 2 Provozní náklady 3 Odpisy celkem
120, 0
122,4
124, 8
127,3
129, 9
10,0
10,4
10,8
11,2
34,2
68,4
68,4
4 Úroky
48,0
40,0
66,7
Řádek \ Rok
5 Investice
1000,0
6 Čerpání úvěru
400,0
7 Úmor úvěru 8 Zisk před zdaněním 9 Daň z příjmů 10 Zisk po zdanění 11 Hotovostní tok (CF)
-600,0
1
7
8
132,5
135,1
137, 8
11,7
12,6
12,7
68,4
68,4
68,4
32,0
24,0
16,0
8,0
66,7
66,7
66,7
66,7
66,7
27,8
3,6
13,6
23,7
33,8
0,0
0,0
0,0
0,0
27,8
3,6
13,6
-4,7
5,3
15,4
604, 7 0,92 6
584, 0 0,79 4
10
15
20
25
140,6
158,3
146, 3
174,8
193, 0
13,2
13,7
14,2
17,3
21,1
25,6
68,4
68,4
68,4
68,4
11,9
11,9
11,9
43,9
54,1
56,3
58,5
60,8
0,0
13,6
16,8
17,5
18,1
18,8
129, 2 40,0
23,7
33,8
30,3
37,3
38,8
40,4
41,9
89,1
97,9
25,4
35,5
31,6
105,7
108,8
125,3
88,9
109,8
-491,4
-385,7
-169,7
-44,5
464, 4
995,5
157 2,2
0,630
0,583
0,500
0,463
0,31 5
0,215
0,14 6
523, 0 0,68 1
6
107, 2 278, 5 0,54 0
9
141,9 44,0
155, 5 48,2 107, 3 119, 2
12 Kumulovaný CF
-600,0
13 Odúročitel
1,000
14 Diskontovaný CF
-600,0
-4,3
4,6
12,2
18,7
24,2
19,9
61,7
57,9
54,4
58,0
28,0
23,5
17,4
15 Kumulovaný disk.CF
-600,0
604, 3
-599,7
587, 6
-568,9
544, 7
-524,8
-463,1
405, 2
-350,7
-292,7
104, 7
28,6
127, 2
-599,3 0,857
-558,5 0,735
nominálního výnosu 8 % např. investiční dotaci 18 % z investičních výdajů.
Tabulka3:Hotovostní toky investora(Cash Flow)v jednotlivých letech,příklad v textu,[Kč].
Použitá a doporučená literatura [1] Beranovský, J. a kol.: Metody hodnocení vhodnosti a výtěžnosti OZE pro účely energetických bilancí a energetické statistiky a pro účely regionálního územního plánování a energetických generelů. ČEA, EkoWATT, Praha, 2000. [2] Brealey, R. A., Meyers, S. C.: Teorie a praxe firemních financí. Victoria Publishing, 1. vydání, Praha, 1992. [3] Kápl, Tepper: Peníze a Vy. Prospektum Praha, 1. vydání, Praha , 1991. [4] Knápek, J., Vašíček, J.: Výkup elektřiny z obnovitelných zdrojů v podmínkách trhu s elektřinou. Energetika 2001, roč. 51, č. 7-8, s. 250-253. ISSN 0375-8842.
KOMBINOVANÁ VÝROBA ELEKTŘINY A TEPLA Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie (neboli "kogenerace" z anglického "co-generation"), představuje velmi zajímavou aplikaci moderních technologií na známé principy. Ve starší české technické literatuře se pro kogeneraci používá termín "teplárenský cyklus výroby energie". V porovnání s oddělenou výrobou tepla ve výtopnách, případně s výrobou elektřiny v kondenzačních elektrárnách, je při stejném množství užitečné energie spotřeba neobnovitelných fosilních paliv nižší. Tomu odpovídá i snížení emisí škodlivin ze zdrojů energie v globálním měřítku. Energetické využití paliva je u kombinované výroby elektřiny a tepla podstatně vyšší. Porovnání oddělené a kombinované výroby tepla a elektrické energie e ∆qpv
( -) (%)
0,1 9
0,2 19
0,3 25
0,4 30
0,5 34
e ∆qpv
( -) (%)
0,6 37
0,8 41
1,0 44
1,2 47
1,5 49
Tabulka1:Vliv poměru výroby el.energie a tepla(e=QEL/QTEP) na měrnou úsporu paliva ∆qpv při kombinované výrobě tepla a elektřiny oproti oddělené výrobě tepla a elektřiny.
Možnosti využití Základní podmínkou pro použití kombinované výroby elektřiny a tepla je možnost využití tepla. Tím se výrazně zvyšuje energetická účinnost celého zařízení. Přehled základních parametrů jednotlivých typů těchto zařízení ukazuje následující tabulka:
Typ teplárny S parním strojem S parními turbínami Se spalovacími motory Se spalovacími turbínami Paroplynové
Podíl výroby elektřiny a tepla QEL/QTEP ( -) 0,16 0,25 0,24 0,34 0,7 -1 . 0,5 -0,8 0,5 -1,5
Účinnost elektrická (%)812 12 -15 32 -41 23 -38 35 44
Účinnost tepelná ( % ) 60 67 6 -8 44 -53 36 -50 32 -50
Účinnost celková ( % ) 68 -87 72 80 82 90 68 85 78 87
El. výkon teplárny ( MW ) 0,1 -2 . 0,15 100 0,1 -10 2 100 5 200 a více
Tabulka2:Základní parametry jednotlivých typů kombinované výroby elektřiny a tepla
S tím ostře kontrastuje skutečnost, že se při výrobě elektřiny ve velkých elektrárnách využije 30 % (u starých) a až 42 % (u moderních) energie obsažené v palivu; zbytek se bez užitku odvádí do vzduchu chladicími věžemi. Kromě významného faktoru decentralizace výroby
Obrázek2:Porovnání účinnosti výroby energie (Sankeyův diagram).
Obrázek3:Kogenerační jednotka se spalovacím Motorem ČOVÚ stín. Labem. (Zdroj: Motorgas, elektřiny a tepla ke snížení ztrát v sr.o.)
elektřiny vede použití kombinované výroby elektrorozvodné síti. Běžné kogenerační jednotky mají obvykle relativně malý výkon, desítky až stovky kW elektrického výkonu. S většími zařízeními se můžeme setkat v průmyslových podnicích a městských teplárnách (odtud český termín pro kogeneraci), kde je odpadní teplo využíváno pro technologické procesy či vytápění a přípravu teplé užitkové vody pro sídliště. Takovéto agregáty jsou známy například z nemocnic, kde tvoří záložní zdroj pro případ výpadku elektřiny ze sítě.
Základní části a přehled zařízení Kogenerační jednotku tvoří generátor na výrobu elektřiny, poháněný nejčastěji spalovacím motorem (plynová kogenerace) nebo parní turbínou (tzv. parní nebo paroplynová kogenerace). Zvláštní případ tvoří tzv. palivové články. Výše uvedená zařízení se liší způsobem i stupněm přeměny primárního paliva na obě sledované složky (elektrická energie a teplo). Plynová kombinovaná výroba elektřiny a tepla se provádí přímým spalováním plynu (zemního, bioplynu nebo procesního -např. koksárenského) ve spalovacím motoru nebo spalovací turbíně pohánějící generátor elektřiny. Využívá se teplo z chlazení motoru a ze spalin za motorem nebo plynovou turbínou. Kogenerační jednotka se spalovacím motorem se skládá ze zážehového spalovacího motoru pohánějícího přímo alternátor vyrábějící elektřinu a výměníků pro využití odpadního tepla z motoru. Odpadní teplo z motoru je odváděno pomocí dvou výměníků na dvou teplotních úrovních. První výměník odvádí teplo z bloku motoru a z oleje na úrovni cca 80 -90 °C. Druhý výměník odvádí teplo z odcházejících
výfukových spalin o teplotě cca 400 - 500 °C. Výměníky jsou z hlediska průtoku teplonosného média zapojeny do série. Obvykle jsou kogenerační jednotky koncipovány pro dodávku tepla do teplovodního systému 90/70 °C, méně již do systému 110/85 °C resp. 130/90 °C. Kogenerační jednotky se zážehovými spalovacími motory se dodávají o el. výkonech v rozsahu od cca 20 kW do 5000 kW.
Kogenerační jednotka se spalovací turbínou se skládá ze soustrojí spalovací turbína-altemátor vyrábějícího elektřinu a spalinového kotle. Zemní plyn pro pohon turbíny je nutno přivádět pod tlakem cca 1,5 2,5 MPa dle kompresního poměru turbíny. Spaliny z turbíny jsou přiváděny do spalinového kotle k výrobě tepla ve formě páry nebo horké resp. teplé vody. Při požadavku na zvýšení tepelného výkonu spalinového kotle je instalován tzv. dohořívací (přihřívací) hořák na zemní plyn (hořák používající jako okysličovadlo spaliny ze spalovací turbíny). Ten je vřazen do spalin proudících z turbíny do kotle a zvyšuje teplotu spalin přicházejících z turbíny (cca 450 -600 °C) na maximální teplotu 900 °C. Hlavní výhodou kogeneračních jednotek se spalovacími turbínami proti kogeneračním jednotkám se spalovacími motory je možnost volby média, kterým je odváděno teplo ze spalinového kotle. Kogenerační jednotky se spalovacími turbínami se dodávají o elektrickém výkonu v rozsahu od cca 1 MW do 200 MW. Stupeň konverze energie obsažené v primárním palivu na elektřinu je oproti parní kogeneraci podstatně vyšší cca 23 -41 %, účinnost výroby tepla je cca 35 -57 %. Celková účinnost využití energie v palivu činí cca 68 -90 %. Cenou za vyšší podíl vyráběné el. energie je ale nutnost spalování plynného paliva, tzn. ve většině případů drahý zemní plyn. Jako alternativní plynné palivo je možno použít i bioplyn nebo jiný odpadní plyn. Nízká výhřevnost těchto plynů však vyžaduje konstrukční úpravy motoru či turbíny a navíc se projevuje nižší elektrickou účinností. Parní kombinovaná výroba elektřiny a tepla se provádí prostřednictvím páry vyrobené v parním kotli pomocí fosilních či nefosilních paliv (např. hnědé uhlí, biomasa). Pára se přivádí do parního motoru, protitlaké nebo kondenzační odběrové parní turbíny, kterými se pohání generátor elektrické energie. Teplo ve formě páry, jejíž tlak odpovídá konstrukci stroje nebo požadované teplotní úrovni tepelné energie, se odebírá z výfuku parního stroje, z protitlaku (odběru) parní turbíny. Obrázek4: Blokové schéma kogenerační jednotky.
Pro nižší elektrické výkony (cca 50 kW - 15 MW) jsou dodávána soustrojí s protitlakými turbínami axiálními nebo radiálními (pro vyšší výkony pouze s turbínami axiálními), které pohání přes převodovku alternátor. Z hlediska dosahované termodynamické účinnosti jsou výhodné moderní rychloběžné radiální turbíny jednostupňové nebo dvoustupňové s malou měrnou hmotností a krátkou dobou najíždění. Turbíny axiální i radiální jsou v uvedeném výkonovém rozsahu konstruované pro vstupní/výstupní tlak páry 0,9 -6,5/0,1 -0,7 MPa a teplotu páry 200 -450 °C. Regulace elektrického výkonu soustrojí je zajištěna regulačním ventilem na přívodu páry do turbíny, případně navíc natáčivými statorovými lopatkami. Celková účinnost využití energie obsažené v primárním palivu je cca 77 -87 %, přičemž dominantní je účinnost výroby tepla (v závislosti na tlaku před a za turbínou cca 62 -76 %). Účinnost výroby elektřiny se pohybuje mezi 8 -20 %. Stupeň zhodnocení primárního paliva na elektřinu je tedy nízký. Oproti plynové kombinované výrobě elektřiny a tepla je však výhodou možnost spalování levného paliva (uhlí) nebo obnovitelného paliva biomasy. Paroplynová kombinovaná výroba elektřiny a tepla je snahou o maximální podíl výroby elektřiny, což je zajištěno kombinací dvou turbosoustrojí se spalovací a parní turbínou. Pára, která se vyrábí ve spalinovém kotli odpadním teplem ze spalovací turbíny, pohání soustrojí s parní turbínou. Někdy se část vyrobené páry vstřikuje do spalovací komory spalovací turbíny. Teplo se získává ze spalin spalovací turbíny a z protitlaku (odběru) parní turbíny. Ojediněle se vyskytuje i kombinace parní turbíny se spalovacím motorem. Jinými slovy pára vyrobená v kotli využitím tepla spalin ze spalovací turbíny pohání ještě parní turbínu. Poměrem dodávky paliva do spalovací komory turbíny a spalinového kotle je potom dán poměr výkonu spalovací a parní turbíny. U větších instalací se obvykle používá dvoutlakového spalinového kotle a tomu odpovídající dvoutlakové parní turbíny. Poměr elektrických výkonů turbosoustrojí se spalovací a parní turbínou je většinou přibližně 3:1 až 4:1. Podstatou tohoto typu kombinované výroby tepla a elektrické energie je dosažení maximálního podílu výroby elektrické energie, který může přesáhnout až 44 % z přivedeného tepla v palivu. Jinak v paroplynovém cyklu platí stejné možnosti a omezení jako u cyklu plynového. Kombinovaná výroba elektřiny a tepla palivovými články je založena na principu chemické reakce plynu s okysličovadlem v tzv. palivovém článku tvořeném vhodnými elektrodami a elektrolytem. Nejobvyklejším palivem je vodík nebo zemní plyn, okysličovadlem vzduch. Zde dochází k přímé přeměně chemicky vázané energie v plynu na Obrázek5:Kogenerační jednotka se spalovacím motorem, teplárna Studénka v Nové Pace. (Zdroj: Motorgas, sr.o.)
elektřinu a využitelné teplo. Produktem reakce je voda, neboť se jedná se o proces inverzní k elektrolýze vody. V palivovém článku je vyráběn stejnosměrný elektrický proud, pro dodávku vyrobené elektřiny do sítě je tedy nutnou součástí střídač. Elektrický generátor je u typových zařízení přizpůsoben ke snadnému připojení k veřejné elektrické síti. Při tzv. ostrovním provozu, kdy generátor dodává proud pouze pro vlastní potřebu bez připojení na síť, vzrůstají náklady na regulaci.
Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování Při rozhodování o typu a instalovaném výkonu kogenerační jednotky je nutno brát do úvahy všechna výše uvedená hlediska. Zejména je nutné přihlížet k provozním podmínkám investora či provozovatele kombinované výroby elektřiny a tepla: • denní a roční harmonogram spotřeby tepla a elektřiny (u komunálních zdrojů jen tepla, elektřina je dodávána do sítě), • druh požadovaného teplonosného média, • dostupnost jednotlivých paliv, • stávající instalovaný výkon kotlů a jejich teplotní a tlakové parametry. Příklad: Do daného subjektu je teplo dodáváno z parních kotlů o vyšším tlaku a teplotě. Je spalováno levné palivo (uhlí, těžký topný olej). Pak je přes redukční stanici při instalaci parní kogenerace (paralelně k redukční stanici) zajištěna relativně dobrá návratnost investičních prostředků. Pokud však takový subjekt má vyšší spotřebu elektřiny vůči spotřebě tepla, není efekt výroby elektrické energie v parní kogeneraci výrazný. Naopak kogenerační jednotky se spalovacími motory (s podstatně vyšší výrobou elektřiny vůči teplu) je možno instalovat jen v těch případech, kdy je možno využít vyrobené teplo ve formě teplé (90/70 °C) nebo horké vody (110/85 °C) a daný subjekt je plynofikován s dostatečnou kapacitou dodávky plynu. V průmyslových závodech, kde je odběr tepla vázán na dodávku páry, je možno instalovat pouze kogenerační jednotku se spalovací turbínou nebo paroplynovou jednotku. Kogenerační jednotky se spalovacími turbínami nebo jednotky paroplynové je ekonomicky opodstatněné instalovat pouze do průmyslových nebo komunálních objektů (s výměníky pára/voda) a jen s vysokými instalovanými výkony (řádově desítky MW). Vhodným ukazatelem investiční náročnosti kombinované výroby tepla a elektřiny je měrná investiční náročnost instalovaného elektrického výkonu (Kč/kWe). Tato hodnota se pohybuje v rozmezí cca 10 -40 000 Kč/kWe a obecně klesá s rostoucím instalovaným výkonem (bez stavebních nákladů a nákladů na vyvedení elektrického a tepelného výkonu jednotky). Nejnižší investiční náročnost je u parních kogenerací a nejvyšší u paroplynových jednotek.
Ukazatel provozní náročnosti jednotky je cena provozu bez paliva vztažená na 1 kWh vyrobené elektrické energie (Kč/kWh). Např. pro prvních 40 až 55 tisíc hodin provozu kogenerační jednotky s plynovým motorem se tato položka pohybuje dle údajů výrobců v rozsahu 0,16 až 0,35 Kč/kWh. Rozhodnutí o instalaci kogenerační jednotky však musí předcházet pečlivý ekonomický rozbor jejího provozu.Vhodnými ekonomickými ukazateli pro tyto případy jsou zejména čistá současná hodnota, NPV (Net Present Value), čili diskontovaný tok hotovosti, DCF (Discount Cash Flow) a minimální cena produkce energie cPemin, která se z pohledu investora vypočítá z podmínky NPV = 0. Jednotku je třeba provozovat tak, aby Obrázek6:Pokrytí roční spotřeby tepla třemi kogeneračními jednotkami a špičkovacím kromě vyrobené elektřiny bylo maximálně kotlem. využito i vyrobené teplo. Pro splnění uvedených podmínek je tedy nutné výkon kogenerační jednotky vhodně dimenzovat ve vztahu k průběhu denního i ročního diagramu odběru elektřiny a tepla a k ceně, za kterou lze vyrobenou elektřinu a teplo zhodnotit. Velikost kogenerační jednotky se tedy odvozuje od spotřeby tepla v daném subjektu. Kogenerační jednotka může pokrývat základní spotřebu tepla, špičky pak pokrývá jiný zdroj, např. plynový kotel. Častější však je volba výkonnější jednotky v kombinaci s akumulací tepla. Pak se kogenerační jednotka uvádí do provozu tak, aby dodávala proud v době, kdy je nejvýhodnější tarif výkupních cen elektřiny. Při rozhodování o investici do kogenerace záleží zejména na ceně tepla, které spotřebováváme, resp. na ceně, za kterou můžeme toto teplo získat jiným způsobem, a na výkupních cenách energie. Zejména druhý faktor bývá rozhodující a závisí na dohodě s příslušným elektrorozvodným podnikem. V neposlední řadě závisí možnost použití i na způsobu financování stavby (výše úvěru, úroků, doba splatnosti).
Legislativa a povolovací řízení Ačkoli podle platného energetického zákona je možno prodávat jak vyrobené teplo tak elektřinu, v praxi je velmi obtížné splnit technické požadavky správce tepelné sítě. Proto se kogenerační jednotka navrhuje tak, aby veškeré teplo spotřeboval provozovatel. Elektřinu pak může podle potřeby buď spotřebovat sám, nebo ji prodávat do sítě.
Komerčně dostupné kogenerační jednotky splňují příslušné bezpečnostní a emisní parametry, takže jejich instalace je z tohoto hlediska bez problémů. Vzhledem k poněkud hlučnějšímu provozu je třeba při stavebním řízení prokázat, že okolí nebude obtěžováno nadměrným hlukem. Podle hygienických předpisů MZ ČR, vyhláška č. 13/1977 Sb., je nejvyšší přípustná hladina hluku ve venkovním prostoru na obytném území příměstském u menších sídelních útvarů ve dne 50 dB a v noci 40 dB. Tyto hodnoty lze při instalaci kogenerační jednotky s protihlukovým krytem dodržet. Obrázek 7: Pohled zhora na kogenerační jednotku s plynovým motorem. (Zdroj: Motogas, s r.o.)
Obrázek 8: Schéma kogenerační jednotky s plynovou turbínou. (Zdroj: firma ABB.)
Použitá a doporučená literatura [1] Hrdlička, F., Dlouhý, T., Kolovratník, M.: Průmyslová energetika. ČVUT, Praha, 2000. [2] Kol. autorů: Katalog firem 2002 -2003, obnovitelné zdroje energie. EkoWATT, Praha, 2002.
ZÁSADY VÝSTAVBY NÍZKOENERGETICKÝCH DOMŮ Předpisy, které určují spotřebu energie na vytápění budov, se neustále zpřísňují. Je to dáno jednak stále většími požadavky na kvalitu životního prostředí a jednak technologickým pokrokem. Domy stavěné podle současných požadavků spotřebují polovinu až čtvrtinu oproti domům Obrázek1:Škála energetické náročnosti domů.
starším. Přesto je možné snížit spotřebu ještě mnohem více -dokazují to domy nízkoenergetické, pasivní a nulové. Poslední dvě kategorie jsou u nás i ve světě zastoupeny spíše jen experimentálními domy. Nízkoenergetických domů však stále přibývá a například v Rakousku nebo Německu už patří ke standardnímu zboží.
Volba místa Charakteristickým prvkem nízkoenergetického domu jsou velká jižní okna (nebo jiné prosklení), kterými v zimě dopadá dovnitř dostatek sluneční energie. Pozemek by tedy měl na této straně poskytovat dost soukromí a současně nesmí být stíněn (lesem, okolní zástavbou). Orientovat prosklení na východ či západ je nevhodné. Letní slunce má i nízko nad obzorem dost síly, takže by ráno a večer dům přehřívalo. Jižní zasklení však lze před vysokým sluncem snáze zastínit (např. markýzou) a paprsky dopadající pod ostrým úhlem se z větší části odrážejí ven.
Obrázek2:Jižní a západní zasklení.
Tvar a dispozice domu Dům by měl být kompaktní, aby poměr plochy pláště k obestavěnému objemu (A/V) byl co nejmenší. Není však nutno stavět domy kulové (kde je tento poměr vůbec nejvýhodnější); stačí se vyvarovat přízemních rozpláclin nebo domů sestávajících z mnoha křídel. V dispozici domu je možno vytvářet chladné zóny na severní straně (např. garáž, sklad, komora). Obrázek3:Nízkoenergetický dům se zimní zahradou, Horní Rakousko Příčky k těmto prostorám však musí být izolovány skoro stejně dobře jako venkovní stěny; efekt "nárazníkové zóny" je tedy nevelký. V některých případech je požadováno, aby vzduch ohřátý sluncem přirozeně cirkuloval v celém domě. To už je složitější zadání, které lze řešit třeba schodištěm
na severní straně pro klesající vzduch a zimní zahradou probíhající přes dvě patra na jižní straně. Nevhodně navržená zimní zahrada však může působit jako chladič a zvyšovat tak spotřebu domu. Konstrukce domu Jedním ze základních prvků nízkoenergetického domu jsou důkladné tepelné izolace, v síle 50 cm i více. Izolovány musí být nejen venkovní zdi, ale i vnitřní konstrukce mezi vytápěným a nevytápěným prostorám (garáž, sklep, půda aj.). Rovněž i podlahy a stěny přilehlé k terénu musí mít důkladnou izolaci; chránit dům jenom zapuštěním do země by bylo nedostatečné. V hloubce cca 3 m pod terénem je teplota celoročně cca 4 až 10 °C, takže dům by se musel vytápět nejen v zimě, ale i v době, kdy sousedům topná sezóna dávno skončila.
okna plochá střecha
střecha podkroví Obrázek4:Typické parametry stavebních konstrukcí
obvodové stěny
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
2
Součinitel prostupu tepla U [W/m .K]
Stěny Požadavku na dostatečnou izolační schopnost (při rozumné tloušťce) jen stěží vyhoví zeď z jakýchkoli cihel či tvárnic. Proto je rozumné dimenzovat nosné zdivo jen podle statických požadavků a doplnit izolaci podle potřeby. Izolace může být provedena jako vnější kontaktní zateplení se stěrkovou omítkou. Případně může být vložena do prostoru mezi vnitřní zdí a venkovní přizdívkou, nebo mezi lehkou vnější fasádou. U rodinných domů je často používaným řešením nosná dřevěná konstrukce, vyplňovaná izolací libovolné síly. Hmota pro akumulaci tepla je tvořena masivními podlahami a vnitřními příčkami a rovněž poměrně tenkou přizdívkou obvodových stěn z plných cihel (někdy nepálených). Venkovní fasáda je ze dřeva, omítnutých desek nebo z cihel.
Obrázek5:Příklady stěn nízkoenergetických domů se součinitelem prostupu tepla U<0,2W/m2.
Okna Protože nízkoenergetický dům je bohatě prosklen kvůli solárním ziskům, musí být toto zasklení kvalitní, aby ztráty nebyly vyšší než tyto zisky. Okna s trojitým zasklením (resp. izolačním trojsklem) jsou již překonána. V současnosti se používá dvojsklo, kde je mezi skly napjata průhledná fólie, která tak nahrazuje třetí sklo (případně dvě fólie jako ekvivalent čtyřnásobného zasklení). Výhodou je hmotnost stejná jako u běžného dvojskla, takže nejsou nutné masivnější rámy. Samozřejmostí je tzv. selektivní vrstva, tedy pokovení, které funguje jako polopropustné zrcadlo. Sluneční záření propustí do interiéru, kde se přemění na teplo. Tepelné záření však již sklem neprojde a odráží se zpět do místnosti. Protože jedním ze základních požadavků je těsnost domu a protože dům má často nucené (strojní) větrání, nemusí být okna otevíravá. To jednak sníží jejich cenu a jednak zvětší plochu prosklení. Z psychologických důvodů i pro případ výpadku vzduchotechniky se však v každé místnosti nechává nejméně jedno okno otevíravé. V roční bilanci musí oknem dopadnout dovnitř více energie, než jím unikne ven. Tepelné mosty Vzhledem k mimořádným izolačním schopnostem použitých konstrukcí mají na spotřebu tepla relativně velký vliv tepelné vazby (místa, kde se stýkají dvě konstrukce a tvoří kout) a tepelné mosty (místa, kde je konstrukce či izolace zeslabena). Tepelná ztráta těmito místy může mít velikost i několik desítek procent celkové tepelné ztráty prostupem tepla. Proto je třeba věnovat velkou pozornost konstrukčnímu řešení detailů a zejména dbát na dodržování technologických postupů při stavbě. Důležité je například správné napojení tepelné izolace a okenních rámů, izolace pásu zdi nad terénem, napojení izolace svislých stěn a střechy, izolace krokví atd.
Těsnost budovy Poměrně novým požadavkem je těsnost budovy -do domu nesmí pronikat nežádoucí vzduch spárami ve stěnách, okolo oken, ze sklepa atd. Jinak by spotřeba energie zbytečně a zcela nekontrolovatelně rostla. Těsnost se ověřuje zkouškou při dokončení stavby a někdy je jednou z podmínek převzetí stavby investorem. Je to jeden ze způsobů, jak prověřit opravdu kvalitní a pečlivé provedení stavby. Po uzavření všech oken a dveří, případně komínových průduchů a jiných otvorů, se do otvoru vstupních dveří instaluje ventilátor a zbytek prostoru se zakryje fólií. Ventilátor dům "napumpuje" vzduchem a měří se rozdíl tlaků uvnitř a venku. Netěsnostmi vzduch uteče stejně jako dírou v pneumatice -najít je je však velmi obtížné.
Větrání Spotřeba energie na ohřev větracího vzduchu tvoří u běžných domů zhruba 30% celkové spotřeby. Čím je dům lépe izolován, tím je tento podíl vyšší. Větrání nelze omezit pod hygienické limity. Nízkoenergetické domy mají proto často nucené (strojní) větrání. Lidé v domě tak mají zaručen vždy dostatečný přívod čerstvého vzduchu a na Obrázek6:Schéma větrání s rekuperací tepla. rozdíl od větrání okny se nemusí o nic starat. Vzduch může být filtrován, což sníží prašnost v domě -to ocení zejména alergici. Vzduch je možno i zvlhčovat, což dále zvýší komfort v domě. Strojní větrání často slouží i pro odvedení přebytečného tepla z jižních místností do chladnějších (neosluněných) částí domu. Jeli větrací jednotka vybavena dohřevem (např. plynovým kotlem), může zajišťovat i vytápění. V domě pak nenajdeme radiátory ani jiná topná tělesa, což pro investora znamená snížení nákladů. Hlavním důvodem pro strojní větrání je však možnost využít teplo z odváděného vzduchu. Nejčastěji se používá rekuperační výměník, kde znečištěný vzduch odváděný zevnitř předává teplo čerstvému vzduchu přiváděnému zvenčí. V zimě se přiváděný vzduch ohřívá, v létě ochlazuje. Rekuperace může být nahrazena tepelným čerpadlem, které odebírá teplo z odpadního vzduchu a ohřívá vzduch přiváděný. Výhodou je vyšší účinnost, nevýhodou vyšší cena.
Dostatek čerstvého vzduchu dělá bydlení příjemným a uživateli je vesměs vysoce ceněn. Nesprávný návrh větracího systému však může být zdrojem hluku, což je vždy vnímáno jako zásadní problém. Zimní zahrady Zimní zahrada je prvkem, kterým mnohý dům dává najevo své nízkoenergetické vlastnosti. Přitom správný návrh zimní zahrady je velmi nesnadný úkol, protože na tento prostor jsou kladeny protichůdné požadavky. Má-li sloužit pro bydlení, nelze čekat výrazný energetický přínos, spíše naopak (obyvatelé mají tendenci zahradu vytápět i v zimě). Má-li sloužit k získávání energie, snižuje se její obytná funkce (v solárním kolektoru se bydlí nepohodlně). Má-li sloužit k výhledu do okolí, nemůže zde být mnoho květin (skla se vysokou vlhkostí rosí). Architekt musí tedy vždy navrhovat zimní zahradu "na tělo" obyvatelům domu a jejich individuálnímu vkusu.
Vytápění Pro domy s tepelnou ztrátou nižší než 10 kW nabízí trh jen málo vhodných zdrojů tepla. Kotle na plyn nebo na dřevo se většinou nabízejí s výkonem několikrát vyšším. U tepelných čerpadel je nabídka lepší; vůbec žádné problémy pak nejsou s elektrickým topením. Výroba elektřiny však silně zatěžuje životní prostředí, takže mnozí lidé odmítají "pálit ji v kamnech". Trendem tedy je začlenit do vytápěcího systému akumulační nádrž, která je nahřívána kotlem (u kotle na dřevo je to téměř nevyhnutelné). Z ní se pak odebírá teplo do ústředního topení (případně pro ohřev vzduchu ve větrací jednotce), nezávisle na výkonu kotle. Výhodou je, že kotel může pracovat vždy v optimálním režimu, s nejnižšími emisemi a dobrou účinností nemusí se "škrtit". To mimo jiné zvyšuje jeho životnost. Další výhodou je možnost nahřívání akumulační nádrže solárním systémem -využívají se tak přebytky energie na jaře a na podzim. Akumulační nádrž může současně sloužit i pro ohřev teplé užitkové vody, např. v plovoucím bojleru. Solární systém pro ohřev vody Spotřeba energie na přípravu teplé užitkové vody nezávisí na vlastnostech domu, ale jeho obyvatel. Přesto jsou solární kolektory obligátním atributem nízkoenergetických domů. Solární energie může bez problémů ohřát více než 3/4 celoroční spotřeby teplé vody. Někdy se používá i pro vytápění, např. v kombinaci s podlahovým či stěnovým vytápěním. Jinou možností je nahřívání akumulační nádrže.
Fotovoltaické systémy Regulace vytápění, čidla teploty, oběhová čerpadla, ventilátory a další prvky zabezpečující správnou funkci vytápění jsou závislé na dodávce elektřiny. Pro zvýšení bezpečnosti a spolehlivosti systému může mít proto dům vlastní zdroj fotovoltaický panel pro přeměnu slunečního záření na elektřinu. Šedá energie Výroba a doprava stavebních hmot pro výstavbu domu potřebuje energii. U starší výstavby byla tato energie malá ve srovnání s tím, co dům spotřeboval na vytápění během svého života. U nízkoenergetických domů to již zanedbatelné není může to být více než 10 % spotřeby domu za 50 roků. Proto je stále větší pozornost věnována i materiálům nenáročným na energii. Největší oblibě se těší dřevo a výrobky z něj. Začíná se vracet nepálená hlína, která má také příznivý vliv na mikroklima v budově. Pro izolaci se může použít izolace z ovčí vlny, bavlny, korku i slámy, případně z recyklovaného papíru či skla. Domy s nízkou spotřebou energie preferují lidé se vztahem k životnímu prostředí, z čehož vyplývá i stále širší nabídka "přírodních" a snadno recyklovatelných materiálů. Bezpečnost a nezávislost Dům s nízkou spotřebou energie je méně zranitelný výpadkem energie. Díky silným izolacím a solárním prvkům je do značné míry energeticky soběstačný a svým obyvatelům tak zaručuje větší bezpečnost. Malá spotřeba je pojistkou vůči růstu cen obyvatelé snáze zaplatí i velmi drahou energii, pokud ji spotřebují málo. Spolu se vztahem k životnímu prostředí jsou to právě tyto důvody, které motivují lidi ke stavbě nízkoenergetických domů.
Legislativa Pro nízkoenergetické domy platí stejné předpisy, jako pro běžnou výstavbu. Koncem roku 2002 byla novelizována ČSN 730540, která se věnuje i nízkoenergetickým a pasivním domům a která definuje hranice roční spotřeby tepla, které musí tyto domy dosáhnout, aby spadaly do příslušné kategorie. Norma definuje i tzv. energetický štítek budovy, podle kterého lze budovu hodnotit podle energetické náročnosti, podobně jako pračky nebo ledničky. Pokud dům nespadá do kategorie A nebo B, jistě není nízkoenergetický. Splnění určitých hodnot může být i jedním z kritérií ve smlouvě mezi investorem a stavební firmou. V rámci stavebního řízení musí projekt prokázat spotřebu energie na vytápění, investor tak vždy má v ruce doklad o spotřebě domu.
Použitá a doporučená literatura [1] ČSN 730540-2 Obrázek7:Energetický štítek budovy dleČSN730540-2 [2] časopis Tepelná ochrana budov, vydává ČKAIT, Obrázek8:Nízkoenergetický rodinný Sokolská 15, 120 00 Praha 2. dům HorníRakousko [3] časopis ERA 21, vydává ERA group s r.o., Lidická 9, 602 00 Brno. [4] Tichý, F., Mužík, V.: Zateplování budov. SIA, 1998. [5] kol.: Spotřebitelské otázky a odpovědi ekologických poraden. STEP, 2001. [6] Šála, J.: Zateplování budov. Grada, 2000. [7] Nagy, E.: Nízkoenergetický ekologický dům. Jaga Group, 2002. [8] Ladener, H. a kol.: Jak pořídit ze staré stavby nízkoenergetický dům. HEL, 2001. [9] Haller, A., Humm, O., Voss, K.: Solární energie -využití při obnově budov. Grada, 2001. [10] CD-ROM Ekodomy - inspirace pro každého. LEA, 2001. [11] CD-ROM Katalogové listy -nízkoenergetické rodinné domy podpořené ČEA v letech 1998-2000. EkoWATT, 2001.
ENERGIE PROSTŘEDÍ, GEOTERMÁLNÍ ENERGIE, TEPELNÁ ČERPADLA Energie prostředí (nízkopotenciální teplo obsažené v zemi, vodě i ve vzduchu) vzniká jako důsledek dopadající sluneční energie a jako důsledek geotermální energie (energie zemského jádra, radioaktivní rozpad uvnitř Země). V našich podmínkách lze, až na výjimky, tuto energii využít pouze pomocí tepelných čerpadel (TČ). Princip tepelného čerpadla byl popsán již v minulém století anglickým fyzikem lordem Kelvinem. Tepelná čerpadla umožňují odnímat teplo okolnímu prostředí, převádět je na vyšší teplotní hladinu a předávat jej pro potřeby vytápění nebo pro přípravu teplé užitkové vody. O využitelnosti tepelné energie rozhoduje kromě jejího množství zejména teplota látky, na kterou je tato energie vázána. Podobně jako vodní čerpadlo přečerpává vodu z nižší hladiny na vyšší, tepelné čerpadlo převádí teplo o nízké teplotě na teplotu vyšší.
Přírodní podmínky Primárními zdroji tepla pro využití energie prostředí a geotermální energie jsou: • "suché" zemské teplo hornin (zemní "suché" vrty), • podzemní voda (vrty, studnice, zavodněné šachtice starých důlních děl), • půdní vrstva (zemní kolektory). Tepelná čerpadla mohou využívat jako primární zdroj tepla také povrchové vody (vodoteče, jezera, rybníky a jiné akumulace vod), vzduch z okolí, nebo ze sklepních či důlních prostor, z tunelů, podzemních kolektorů apod.
Obrázek1:Izolinie tepelného toku na území ČR. (Zdroj: Geomédia, sr.o.)
Možnosti využití Z okolního vzduchu -Vzduch se ochlazuje ve výměníku tepla umístěném vně,
případně uvnitř budovy. Z odpadního vzduchu - Ochlazuje se vzduch odváděný větracím systémem objektu, který má vždy relativně vysokou teplotu. Tepelné čerpadlo může pracovat efektivně i za podmínek, kdy běžně užívané systémy zpětného získávání tepla (rekuperace) nelze použít. Z povrchových vod - Voda v toku nebo rybníku se může ochlazovat tepelným výměníkem umístěným buď přímo ve vodě, nebo zapuštěným do břehu vždy tak, aby nehrozilo zamrznutí. Teoreticky je také možné vodu přivádět potrubím přímo k tepelnému čerpadlu a ochlazenou vypouštět zpět. V tom případě se však platí poplatky správci toku za odběr vody. Zásadní překážkou ovšem je znečištění povrchové vody a její mineralizace, která způsobuje zanášení výměníků a potrubí. Při větší vzdálenosti objektu od potenciálního zdroje se může stavba potrubí neúnosně prodražit. Z půdy - Půda se ochlazuje tepelným výměníkem z polyethylenového potrubí plněného nemrznoucí směsí a uloženého do výkopu (půdní kolektor) nebo do vrtů.
Půdní kolektor se umisťuje vedle objektu v nezámrzné hloubce. Trubky půdního kolektoru se mohou ukládat na souvisle odkrytou plochu, nejméně 0,6 m od sebe. Velikost takovéto plochy je asi trojnásobkem plochy vytápěné. Je také možné ukládat potrubí ve tvaru uzavřených smyček do výkopového kolektoru, rýhy o hloubce 2 m a šířce 0,9 m. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je pak potřeba 5 až 8 Obrázek2: Průřez půdním kolektorem. metrů délky výkopu. Velmi často se využívá vrtů hlubokých až 150 m. Vrty se umisťují v blízkosti stavby, nejméně 10 m od sebe. Je možno umístit vrty i pod stavbou, zvláště jde-li o novostavbu. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu, podle geologických podmínek. Z podzemní vody - Voda se odebírá ze sací studny a po ochlazení se vypouští do druhé, takzvané vsakovací studny. Podmínkou je geologicky vhodné podloží, hloubka hladiny přibližně do 20 m a dostatečná vydatnost zdroje vody, která se ověří dlouhodobou čerpací zkouškou. Důležité je také chemické složení vody. Teplota v zemi v hloubkách větších než 10 metrů je stálá během celého roku a pohybuje se v rozmezí 8 až 10 °C. Proto tepelné čerpadlo pracuje velmi vyrovnaně a účinně, jako v předchozím případě. Z odpadního tepla z technologických procesů - Tento případ je specifický, vhodný zejména pro výrobní podniky a průmyslové provozy. Například v chladírenských provozech lze použít odpadní teplo na přípravu teplé užitkové vody. Namísto tepelného čerpadla se používají i levnější systémy zpětného získávání tepla. Podobně se může ochlazovat vzduch odváděný větracím systémem objektu. Takové systémy se používají zejména v klimatizovaných budovách nebo Obrázek3:Tepelné čerpadlo průmyslových podnicích. Použití vzduchu ve sklepě vzduch/voda; vzduch se ohlazuje ve výměníku umístěném vně nebo na půdě (obytného domu) jako zdroje tepla není budovy vhodné, protože se tak zvyšují tepelné ztráty sousedních místností. Obrázek 5:
Obrázek4:Oproti předchozímu způsobu je výměník umístěn uvnitř budovy.
Ochlazováním vody čerpané z hluboké (sací) studny, kde je teplota stálá, získáme velmi vyrovnaný a účinný zdroj tepla. Ochlazená voda se vypouští do druhé (vsakovací) studny.
V sedmdesátých letech se experimentovalo s využitím vrtů nebo výkopů pro sezónní "uskladnění" slunečního tepla. Během léta se akumuluje teplo ze slunečních kolektorů a v topném období se pak odčerpává. Tepelné čerpadlo sice pracuje efektivněji, ale celý systém je investičně velmi náročný a ekonomicky málo efektivní. Sluneční kolektory lze využít také jako přímý zdroj tepla pro tepelné čerpadlo. Podmínkou je použití akumulační nádrže, která je ohřívána solární energií. Tepelné čerpadlo odebírá teplo přednostně z akumulační nádrže, kromě ní však musí mít k dispozici další nízkopotenciální zdroj tepla (pro případ vyčerpání tepla z akumulační nádrže). I tyto systémy jsou ekonomicky méně efektivní (navýšení investic o akumulační nádrž, solární systém, měření a regulaci). Obrázek6:Tepelné čerpadlo nemrznoucí kapalina/voda; výměník .Naplněný nemrznoucí směsí ochlazuje půdu ve vrtu nebo ve výkopu, případně vodu ve vodním toku nebo v rybníku.
Přehled systémů Dle způsobu, kterým se uskutečňuje odsávání par z výparníku a zvýšení jejich tlaku na kondenzační, se tepelná čerpadla dělí na: • Kompresorová tepelná čerpadla (KTČ) -nejběžnější druh. Hnací mechanická energie pro pohon kompresoru (pístového, rotačního) může být dodávána spalovacím nebo elektrickým motorem. • Absorpční tepelná čerpadla (ATČ) -zřídka se vyskytující, mají nízkou účinnost. Pro zvýšení tlaku par je použito pochodu absorpce chladiva do roztoku, jeho přečerpání do vypuzovače a následné vypuzení chladiva z roztoku při kondenzačním tlaku. Hnací tepelná energie může být dodávána parou, horkou vodou nebo spalováním paliva. • Hybridní tepelná čerpadla -obvykle zakázková výroba. Podle druhu ochlazovaného a ohřívaného média se rozlišují typy tepelných čerpadel. Typ čerpadla: (ochlazuje se/ ohřívá se)
Možnosti použití
vzduch/voda
univerzální typ, pro ústřední vytápění
vzduch/vzduch voda/voda nemrznoucí kapalina/voda voda/vzduch
doplňkový zdroj tepla, teplovzdušné vytápění, klimatizace využití odpadního tepla, geotermální energie, ústřední vytápění univerzální typ pro ústřední vytápění, zdrojem tepla je nejčastěji vrt nebo půdní kolektor teplovzdušné vytápěcí systémy
Tabulka1:Nejčastější typy tepelných čerpadel.
Kompresorová tepelná čerpadla Činnost tepelného čerpadla je založena na pochodech spojených se změnou skupenství v závislosti na tlaku pracovní látky (chladivo). Ve výparníku odnímá chladivo za nízkého tlaku a teploty teplo ochlazované látce (zdroji nízkopotenciálního tepla). Dochází k varu a kapalné chladivo přiváděné do výparníku se postupně mění v páru. Páry chladiva jsou z výparníku odsávány a stlačeny kompresorem na kondenzační tlak. V Obrázek7:Princip tepelného čerpadla. kondenzátoru předávají kondenzační teplo ohřívané látce a mění své skupenství na kapalné. Kapalné chladivo je po snížení tlaku přiváděno zpět do výparníku, kde doplňuje vypařené chladivo. Tím je oběh uzavřen. Spotřeba pohonné energie pro uskutečnění popsaného děje závisí především na množství přečerpávaného tepla a rozdílu mezi teplotou kondenzační a vypařovací. Poměr tepelného výkonu k příkonu kompresoru (resp. energie dodané pro ohřev k energii spotřebované) se nazývá topný faktor εT. Přibližný vztah pro výpočet topného faktoru KTČ:
εT = k ×
Tk Tk − T0
kde: Tk je teplota kondenzační (topného systému) [K] T0 je teplota vypařovací (teplota zdroje) [K] k
je korekční součinitel respektující skutečný oběh; k = (0,4 ÷ 0,6)
Chladicí výkon 1 kW Průtok zdroje výparníkem
kg/h
Voda
Vzduch
Zemní teplo
Sluneční energie
215172
891712
217290
217-172
Teplotní rozdíl mezi vstupem a výstupem zdroje ve výparníku Dovolená min. teplota vstup. zdroje do výparníku Dovolená max. teplota vstup. zdroje do výparníku
K
4-5
4-5
3-4
8-10
0-(-15)
-15
4-5 0-(-4)
°C
°C
20 24
20-25
25
20-24
Tabulka2:Orientační hodnoty potřebné vydatnosti zdroje tepla a dovolené vstupní teploty teplonosné látky do výparníku.(Zdroj: Geotermsr.o.)
Pro dosažení minimální spotřeby pohonné energie a dosažení vysoké hodnoty topného faktoru je zapotřebí: • Teplota zdroje nízkopotenciálního tepla má být co nejvyšší, nesmí však přesáhnout maximální teplotu povolenou výrobcem pro daný typ tepelného čerpadla. Jeho vydatnost musí být dostatečná a ochlazení teplonosné látky ve výparníku přiměřené, aby teplota vypařovací nemusela být zbytečně nízká. Kromě snížení topného faktoru pak může dojít k ohrožení funkce, např. zamrznutím zdrojové vody. • Používání tepelného čerpadla je výhodné v kombinaci s nízkoteplotním vytápěcím systémem (podlahové vytápění). Čím menší rozdíl hladin teplot musí tepelné čerpadlo překonávat, tím méně energie spotřebuje (maximální pracovní teplota na výstupu TČ je cca 55 °C). Topný faktor během roku kolísá v závislosti na vstupní a výstupní teplotě tepelného čerpadla. Průměrný roční topný faktor je poměr celoroční spotřeby energie a celoroční výroby tepla a používá se pro vyhodnocení provozu. Běžně tepelná čerpadla dodají za ideálních podmínek třikrát až čtyřikrát více tepla než spotřebují elektřiny.
Bivalentní provoz tepelného čerpadla Spotřeba tepla na vytápění se během roku mění. Pokrytí celé spotřeby TČ je neekonomické (větší TČ a delší vrty výrazně zvyšují pořizovací náklady), proto se systém doplňuje dalším špičkovým zdrojem tepla, obvykle elektrokotlem. Tento zdroj slouží i jako záloha pro případ výpadku TČ. Systém pak pracuje v tzv. bivalentním provozu, kdy po určitou dobu (např. v mrazových dnech) běží kromě TČ druhý zdroj tepla (elektrokotel). Instalovaný tepelný výkon tepelného čerpadla je v tomto provozu nižší než je maximální potřebný (obvykle 50 -75 %). U správně navrženého systému špičkový zdroj dodává pouze 10 -15 % celkové spotřeby tepla.
Obrázek8: Bivalentní chod tepelného čerpadla
Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování TČ pro vytápění lze použít téměř všude, pro dimenzování je důležité znát spotřebu tepla a teplé užitkové vody a další podmínky: • Elektrická přípojka musí umožnit připojení TČ (dostatečný příkon). • Obvykle je výhodné provést zateplení objektu (pak stačí menší a levnější technologie). • Vzduchová TČ není výhodné používat v drsných klimatických podmínkách, kde venkovní teploty klesají pod -15 °C (horské oblasti). U tohoto typu je potřeba najít vhodné umístění vnější jednotky (hlučnost, omezení průtoku vzduchu, námrazy). • V případě využití hlubinných vrtů je dobré znát předem geologické podmínky v podloží, aby nedošlo k jejich poškození ("zavření vrtu"). Provádění vrtů v 1. a v 2. ochranném pásmu lázní a minerálních vod je upravené zvláštními předpisy. • Při využití podzemní vody je podmínkou dostatečná vydatnost zdroje vody. • Při využití povrchových vod se platí poplatky správci toku, případně stočné.
TČ se nejčastěji používají na vytápění a klimatizaci budov. V kancelářských prostorách se často využívá možnosti reverzního chodu, kdy tepelné čerpadlo v létě ochlazuje vzduch v místnostech, zatímco v zimě topí. V zemědělství tepelná čerpadla ohřívají teplou užitkovou vodu odpadním teplem z chlazení mléka. V průmyslových odvětvích se používají kombinace chlazení a přípravy užitkové vody. Porovnáme-li emise vzniklé v důsledku spotřeby elektřiny pro pohon TČ s emisemi vzniklými při spalování tuhých paliv, pak od průměrného ročního topného faktoru 2,33 dochází ke snížení emisí (uvažujeme-li ztráty při výrobě a přenosu elektřiny 70 % a při spalování tuhých paliv 30 %).
Obrázek9: Kotelnas16kWTČ.(Zdroj:Alterm s.r.o.)
Použitá a doporučená literatura [1] Dvořák, L., Klazar, J., Petrák, J.: Tepelná čerpadla. Praha, SNTL, 1987. [2] Kol. autorů: Katalog firem 2002 -2003, obnovitelné zdroje energie. EkoWATT, Praha, 2002. [3] Kol. autorů: Obnovitelné zdroje energie. FCC Public, Praha, 1994, druhé upravené a doplněné vydání 2001. [4] Kol. autorů: Tepelná čerpadla, projektování a instalace. Stiebel Eltron, 1998. [5] Kol. autorů: Kombinované energetické systémy s využitím obnovitelných zdrojů energie. ČEA, Praha, 1997.
ÚSPORNÁ OPATŘENÍ V RODINNÝCH DOMECH Šetření energií nemusí znamenat snížení komfortu Naopak, úspornými opatřeními můžeme významně zlepšit kvalitu svého bydlení. Starší domy zřídka vyhovují moderním požadavkům na spotřebu paliva, na uživatelský komfort i na obsluhu vytápění. V současnosti jsme k úsporám energie dále motivováni také rostoucími cenami paliv i současnými předpisy (o nich v dalším textu). Úsporná opatření se týkají nejčastěji spotřeby tepla na vytápění, protože zde je největší potenciál. Ani úspory elektřiny však nejsou zanedbatelné: výroba elektřiny silně zatěžuje životní prostředí a její cena není malá.
Zateplování zdiva Spotřeba tepla je dána zejména tepelnou ztrátou budovy. Teplo z domu neustále uniká dvojím způsobem: jednak prostupuje stěnami a okny a jednak uniká se vzduchem, kterým větráme. Průniku tepla obvodovým pláštěm budovy nelze nikdy zcela zabránit (to by bylo proti fyzikálním zákonům), ale lze ho značně snížit. Stejně jako si v chladných dnech oblékáme svetr a kabát, můžeme i dům opatřit izolací. Je to efektivnější, než topit a topit. Vnější zateplení – výhody a nevýhody + zdivo je "v teple" a není tolik namáháno výkyvy teplot a povětrností + zvýší se akumulační schopnost domu + snáze se eliminují tepelné mosty v konstrukci (okenní překlady, věnce, stropy aj.) + riziko kondenzace vlhkosti ve zdivu je minimální + budova získá novou fasádu = úspora nákladů na údržbu + při instalaci se neruší pobyt osob uvnitř - potřeba lešení a prostoru okolo domu - izolaci je potřeba provádět naráz v celé ploše domu - vyšší náklady Vnitřní zateplení – výhody a nevýhody + možnost izolovat jen jednu místnost + snadný přístup, bez lešení + možno instalovat bez ohledu na počasí + snáze se provádí svépomocí - riziko kondenzace vlhkosti ve stěnách domu - riziko promrzání vnějšího zdiva - riziko růstu plísní, zejména v oblasti tepelných mostů - snížení akumulační schopnosti zdiva - zmenšení plochy místností
Na co si dát pozor Vždy platí, že návrh (projekt) zateplení je lepší svěřit odborníkům. Každý dům je trochu jiný a tak se může stát, že to, co se osvědčilo u souseda, v našem domě přinese problémy. Zejména při vnitřním zateplení je třeba mít kvalitní návrh, protože zde se dá
Obrázek1:Zateplení spodní části zdí.
zkazit opravdu hodně. Špatné zateplení může ohrozit funkci domu (destrukce zdí promrzáním) i zdraví jeho obyvatel (růst plísní v bytě). Při vnějším zateplení je rizikem hlavně nekvalitní provedení, které později vede třeba k praskání omítek. Často se při realizaci podceňuje důsledné izolování celé vnější plochy -okenních ostění, nadpraží a parapetů a pruhu zdiva nad terénem. To může později působit poruchy v konstrukci. Většinou se vyplatí svěřit práci firmě, která má zkušenosti, a nelitovat času na to jít se podívat, jak vypadá zateplení, které už dělala a jak jsou s ním uživatelé spokojeni.
Vlhké zdivo Vždy platí, že zateplovat by se mělo jen suché zdivo. To znamená před jakýmkoli zateplováním odstranit příčiny vlhnutí (například podříznout zeď a vložit izolaci). Pokud vlhké zdivo opatříme zvenku kontaktním zateplením (s vysokým difúzním odporem), problémy s vlhkostí se zaručeně zhorší. Vlhkost, která se až dosud odpařovala z vnějšku i zevnitř, Obrázek2: Zateplení vlhkého zdiva. může najednou odcházet jen z vnitřní strany. To vede k objevení nebo zvětšení "map" a někdy i k plísním. Takovéto problémy se mohou objevit i u zdí, které se před zateplením jevily jako suché. Nelze-li příčiny vlhnutí zdiva odstranit, je nutné poradit se se stavebním specialistou.
Tepelná pohoda Zateplením stěn dojde vždy i ke zvýšení jejich povrchové teploty. To má vliv na tepelnou pohodu -čím jsou stěny chladnější, tím je pobyt méně příjemný a naopak (to je také důvod, proč je teplo kachlových kamen vnímáno jako velmi příjemné). V konečném důsledku Obrázek 3: Průběh teplot ve zdivu s různým zateplením. můžeme v dobře zateplené místnosti udržovat trošku nižší teplotu vzduchu, aniž bychom pociťovali chladno. To opět vede ke snížení energie (snížení teploty o 1°C představuje úsporu cca 6 %).
Izolování stropů a střechy Má-li dům nevytápěnou půdu, lze strop poměrně snadno a efektivně izolovat položením izolace na podlahu půdy. Chceme-li mít půdu pochozí, je nutno překrýt izolaci záklopem z prken nebo desek. Toto opatření patří k nejlevnějším a nejefektivnějším. Výhodou je i to, že rozhodneme-li se v budoucnu pro zvýšení domu nebo vestavbu podkroví, dá se izolace snadno odstranit a použít jinde. Jinou možností je zaplnit dutiny trámového stropu izolací. Pokud se použije foukaná izolace (např. z papírových vloček nebo bavlny), je zásah do konstrukce minimální a v interiéru ani na půdě se nic nezmění. Stále častěji se dosud nevyužívaná půda rekonstruuje na podkroví. To je vhodná příležitost pro izolaci střechy. I zde bohužel platí, že špatným návrhem a hlavně nekvalitním provedením se dá hodně zkazit. Tepelná izolace, hydroizolační fólie a parotěsná zábrana musí být provedeny tak, aby původní konstrukce krovu trvale nevlhla. Je dobré, aby dřevo mohlo "dýchat", tedy aby voda, která se do konstrukce přes pečlivou instalaci zateplení dostane (zatékáním nebo kondenzovanou vlhkostí, která proniká z interiéru), mohla zase odejít. V opačném případě může být krov napaden hnilobou a houbami. 1.střešní krytina 2.střešní latě 3.latě pro vymezení větrací mezery 4.krokev 5.izolace mezi krokve(10cm) 6.izolace přes krokve(10cm) 7.latě přes krokve(6x10cm) 8.parotěsná zábrana
Obrázek4: Zateplení podkroví.
Izolování podlah Izolace podlah je mnohdy problematická. Někdy ji nelze provést bez zásadního zásahu do interiéru. To je případ podlah na terénu. Někdy je možno nahradit izolaci plochy podlahy tím, že izolujeme zeminu pod objektem -třeba zapuštěním izolace pod terén v okolí základů (takováto tepelná izolace může výhodně sloužit i jako izolace proti vlhkosti). Jestliže jsou obytné místnosti podsklepeny, je vhodné zateplit jejich podlahy zespoda, nalepením izolantu na strop. Pokud jsou stropy klenuté, je možno nahradit stávající násyp klenby tepelně-izolačním násypem. Izolace podlah je nutná zejména v případě, že chceme instalovat podlahové vytápění.
Čím izolovat Na trhu je mnoho druhů izolace, která se prodává pod desítkami obchodních značek. Nejčastěji se používá polystyren a minerální a skelná vata. Oba materiály izolují přibližně stejně dobře. Konkurovat jim začíná izolace z ovčí vlny, která je velmi ekologická. Pro specifické případy (např. izolace pod terénem) je nutno použít obvykle dražší materiály; v jiných případech naopak můžeme použít i izolaci velmi levnou (např. slámu). Návrh materiálu by měl být součástí odborného návrhu zateplení; obvykle se vyplatí nechat si zpracovat různé cenové návrhy. Je však dobré si uvědomit, že zejména u venkovního zateplení tvoří cena vlastního izolantu jen asi 1/4 celkových nákladů. Kotvící prvky, lišty, lepicí a omítkové hmoty a ovšem i cena montáže tvoří v celkovém rozpočtu největší část. Proto nemusí být síla izolace tím nejlepším místem, kde ušetřit na nákladech.
Kolik izolace? Optimální tloušťka izolace je pro každý dům jiná -závisí nejen na materiálu zdí, ale i na ceně paliva a prioritách majitele domu. Při životnosti zateplení nejméně 40 roků je potřeba zvažovat růst cen energií v celé této dlouhé době. Pokud tloušťku izolantu podceníme, těžko budeme po několika letech zateplovat dům znovu. Obrázek5:Tloušťky izolantu pro splnění požadavků normy. Současné požadavky je možno splnit jen s poměrně silnými tloušťkami izolace -viz obrázek.
Únik tepla okny Okny vždy uniká poměrně velké množství tepla. Vývoj v této oblasti však zaznamenal velký pokrok, takže nová moderní okna jsou dvakrát lepší než ta, na které jsme u starších budov zvyklí. Výměna oken Výměna oken za nová je vždy poměrně nákladná. Rozhodneme-li se však už okna vyměnit (třeba kvůli špatnému stavu původních), neměli bychom šetřit na nesprávném místě. Tím je zasklení. Okna jsou nabízena s různými typy dvojskel, přičemž rozdíl mezi nejlevnějším a
nejdražším typem je asi 20 % ceny okna. Naproti tomu rozdíl v izolační schopnosti je až dvojnásobný. Měli bychom tedy vždy dát přednost kvalitnímu dvojsklu s mezerou mezi skly plněnou argonem nebo jiným inertním plynem. Důležité je, aby vnitřní sklo dvojskla bylo opatřeno pokovením, které dokáže odrážet teplo zpět do místnosti. Současná tzv. eurookna se vyznačují poměrně tenkým rámem, který vyžaduje správné osazení do zdi. Pokud nejsou okenní ostění, nadpraží a parapety důsledně izolovány, vzniká okolo oken výrazný tepelný most, kterým uniká velké množství tepla. Případné vnější zateplení zdi by mělo přesahovat i na rámy. Je dobré si uvědomit, že v současné době izoluje většina dřevěných a plastových rámů tzv. eurooken hůře než jejich zasklení! Obrázek 6: Izolace okna. Pokud chceme nahradit špaletová okna, je vhodné nechat vyrobit nové okno obdobné konstrukce, které má ovšem vnější křídlo zasklené kvalitním izolačním dvojsklem. Repase oken Jestliže jsou stávající okna v součinitel prostupu tepla U [W/m .K] špaletové okno s obyčejným zasklením dobrém stavu, lze uvažovat dřevěné okno s dvojitým obyčejným zasklením o jejich repasi. Ta spočívá v opravě "eurookno" s běžným izolačním dvojsklem poruch, případně výměně závěsů a "eurookno" s izolačním dvojsklem s mezerou mezi skly plněnou argonem a s pokovením kování, instalaci těsnění a zejména repasované špaletové okno, zasklení s pokovením výměně vnitřního skla. U menších Tabulka 1: Parametry oken. křídel, která snesou přitížení, lze instalovat izolační 2
2,7 2,8 2,8 1,8 -1,3 1,9 -2,1
dvojsklo. Jinak se vnitřní sklo vymění za nové, s pokovením, které odráží tepelné záření do místnosti. Součinitel prostupu tepla se tak sníží přibližně o čtvrtinu. Únik tepla větracím vzduchem Pro dobrý pocit osob a z hygienických důvodů je nutno větrat všude tam, kde se zdržují lidé. V rodinných domcích to znamená, že vzduch v místnosti by se měl zcela vyměnit každé dvě hodiny. Ve většině domů je toto větrání zajištěno tzv. přirozeným způsobem, tedy pronikáním studeného vzduchu netěsnostmi mezi okenním křídlem a rámem (a únikem teplého vzduchu horní částí oken). Intenzita tohoto větrání se přitom mění podle venkovní teploty, síly větru a prakticky se nedá regulovat. Nejsou-li v domě lidé, je toto větrání nežádoucí; přitom ztráty větráním tvoří přibližně 1/3 spotřeby (nezatepleného) domu.
Obrázek 7: Energetický štítek spotřebiče.
Proto má na úsporu velký vliv instalace okenního těsnění, případně instalace nových, dobře těsněných oken. Nesmíme však nikdy zapomínat na větrání, jsou-li v domě lidé. Na trhu jsou okna, jejichž kování umožní "netěsnou" polohu nebo okna s větracím otvorem v rámu, jehož velikost se dá regulovat. Větrat je však nutno i tam, kde vzniká vlhkost (koupelny, sušárny prádla), aby vlhkost nepronikala do stěn, které tak poškozuje. U starších domů se může po zatěsnění nebo výměně oken ukázat vlhkost ve zdech. Tato vlhkost byla až doposud průběžně odvětrávána netěsným oknem, takže problém nebyl vidět. Lepší než trvale větrat je však vždy odstranit příčiny vlhnutí. Velmi efektivním a komfortním řešením je instalovat systém nuceného větrání s rekuperací tepla, což u starších budov může narážet na technické překážky.
Úspory elektřiny Vzhledem k rostoucím cenám elektřiny se vyplatí vybírat úspornější elektrospotřebiče. Tzv. bílá technika (chladničky, pračky, myčky atd.) musí být v obchodě opatřena energetickým štítkem, který určuje spotřebu energie výrobku. Nejúspornější je kategorie A, nejhorší kategorie F a G. Skutečná spotřeba ovšem záleží i na tom, jak budeme s výrobkem zacházet. Energetický štítek uvádí i další důležité údaje, jako třeba hlučnost výrobku, spotřebu vody, účinnost praní aj. Máme-li v domě levný ohřev teplé vody (solárním systémem, kotlem na dřevo aj.), vyplatí se poohlédnout se po pračce či myčce nádobí s přívodem teplé i studené vody. Podstatná část jejich spotřeby připadá právě na elektrický ohřev vody.
Legislativa Pokud dům rekonstruujeme v rozsahu, který vyžaduje vydání stavebního povolení, je nutno splnit požadavky ČSN 730540, která byla v roce 2002 novelizována. V praxi to znamená téměř vždy zateplit většinu konstrukcí budovy tak, aby vyhověly požadavkům normy. Na projekt, který to nerespektuje, by nemělo být vydáno stavební povolení. Norma definuje i tzv. energetický štítek budovy, podle kterého lze budovu hodnotit podle energetické náročnosti, podobně jako pračky nebo ledničky. součinitel prostupu tepla U [W/m2.K] venkovní stěny podlahy na terénu strop pod nevytápěnou půdou (těžká konstrukce) okna nová okna upravená
požadovaná hodnota 0,38 0,60
doporučená hodnota 0,25 0,40
0,30
0,20
1,80 2,00
1,20 1,35
Tabulka 2: Vybrané požadavky ČSN 730540-2 na konstrukce
Použitá a doporučená literatura [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
ČSN 730540-2 časopis Tepelná ochrana budov, vydává ČKAIT, Sokolská 15, 120 00 Praha 2. kol.: Spotřebitelské otázky a odpovědi ekologických poraden. STEP, 2001. Šála, J.: Zateplování budov. Grada, 2000. Barták, K.: Nejčastější problémy při rekonstrukcích domů. Grada, 1998. Barták, K.: Fasády a jejich rekonstrukce. Grada, 1996. Balík, M.: Vysušování zdiva I.-III. Grada, 2002. Nagy, E.: Nízkoenergetický ekologický dům. Jaga Group, 2002. Ladener, H. a kol.: Jak pořídit ze staré stavby nízkoenergetický dům. HEL, 2001.
ENERGIE SLUNCE -SLUNEČNÍ TEPLO, OHŘEV VODY A VZDUCHU Sluneční energie je základní podmínkou života na Zemi. Sluneční záření lze přímo využívat k výrobě tepla, chladu a elektřiny, nepřímo jako energii vodních toků, větru, mořských vln, tepelnou energii prostředí (atmosféra, hydrosféra, litosféra) a energii živé hmoty -biomasy (biochemická energie).
Možnosti využití Přeměna světelného záření na teplo (fototermální přeměna) může být pasivní (pomocí pasivních solárních prvků budov prosklené fasády, zimní zahrady) nebo aktivní (pomocí přídavných technických zařízení -sluneční sběrače -kolektory). Podrobné rozdělení možností ukazuje následující schéma: U pasivního systému množství získané energie závisí na poloze, architektonickém řešení a zejména na druhu budovy, použitých materiálech, vytápěcím systému (míra využití zisků z oslunění). Podmínkou využití pasivních solárních systémů je vyřešení rizika tepelné zátěže (řádné odvětrání, možnost akumulace do stavebních konstrukcí,...). U nově budovaných staveb je nutné přizpůsobit celé architektonické
řešení. Starší stavby lze vhodně rekonstruovat (vybudovat skleněné přístavky, prosklené verandy apod.). Konkrétní budovu je lépe řešit se specializovaným odborníkem (energetický auditor) než s architektem či stavařem. Energetický přínos závisí i na způsobu užívání budovy -např. dodatečně zasklená lodžie přináší úsporu jen pokud není v zimě vytápěná. Aktivní systémy je téměř vždy možné dodatečně instalovat na stávající budovu. Využívají se zejména k celoroční přípravě teplé užitkové vody (TUV), ohřevu bazénové vody a k přitápění budov pomocí teplovodního či teplovzdušného vytápění. S ohledem na sezónní charakter průběhu slunečního záření je možné tepelnou energii i dlouhodobě akumulovat v zásobnících (vodních, štěrkových aj.). Čím je delší doba akumulace, tím je systém dražší a méně ekonomický. Proto se nejčastěji používá krátkodobá akumulace spolu s pružnými otopnými systémy, které využijí okamžité solární zisky. Obrázek 1: Rodinný dům se solárním systémem (Horní Rakousko). Energie Slunce je v České republice využívána zejména v aktivních solárních systémech s kapalinovými plochými kolektory, které jsou využívány zejména k přípravě teplé užitkové vody v rodinných domech, zemědělství, službách a k ohřevu vody v bazénech. V mnohem menší míře jsou využívány i pro přitápění či jako zdroj pro akumulaci tepla. Teplovzdušné kolektory se většinou využívají pro sušení v zemědělství a v menší míře k přitápění budov.
Přírodní podmínky Sluneční záření dopadající na plochu pod vrstvou atmosféry se skládá z přímého a z rozptýleného záření. Přímé sluneční záření je záření od slunečního disku, které tvoří vzhledem k velké vzdálenosti svazek prakticky rovnoběžných paprsků. Rozptýlené sluneční záření vzniká v důsledku rozptylu přímých slunečních paprsků na molekulách plynných složek vzduchu, vodních kapkách a ledových krystalcích a na různých aerosolových částečkách. Rozptýlené záření se jeví jako světlo oblohy; kdyby nebylo, jevila by se obloha i během dne černá s ostře zářícím slunečním kotoučem. Základní veličinou při popisu přímého slunečního záření je intenzita, která je definována jako množství zářivé energie dopadající za jednotku času na jednotkovou
plochu orientovanou kolmo ke slunečním paprskům. Solární konstanta I* udává intenzitu slunečního záření na hranici (vně) zemské atmosféry ve střední vzdálenosti Země -Slunce, I* = 1367 W/m . Množství celkového slunečního záření dopadajícího za jednotku času na jednotku plochy horizontálního zemského povrchu se nazývá globální sluneční záření a je dáno algebraickým součtem intenzity přímého a intenzity difúzního slunečního záření na horizontální zemském povrchu. Průměrný počet hodin solárního svitu (bez oblačnosti) se v ČR pohybuje kolem 1460 h/rok (od 1400 do 1700 h/rok). Nejmenší počet hodin má severo-západ území. Směrem na jiho-východ počet hodin narůstá. Lokality se od sebe běžně liší v průměru o ±10 %. V některých ojedinělých případech je odchylka vyšší. Na plochu jednoho čtverečního metru dopadne za rok průměrně 1100 kWh energie. Roční výroba slunečních kolektorů v našich podmínkách dosahuje přibližně 300 -550 kWh/m rok. Pro reálné odhady hrubé výroby energie v průměrných solárních zařízeních v podmínkách ČR lze uvažovat průměrnou roční výrobu 380 -420 kWh/m kolektorové plochy, což odpovídá i obvyklým naměřeným hodnotám. Obrázek 2: Průměrné roční sumy globálního Mapka ukazuje globální sluneční záření v MJ/m2 záření dopadající na vodorovnou plochu o velikosti 1 m za rok a dává tak představu o množství využitelné sluneční energie. Mapka neplatí pro oblasti se silně znečištěnou atmosférou, kde je nutné počítat s poklesem globálního záření o 5 -10 %, někdy až 15 -20 %. Pro oblasti s nadmořskou výškou od 700 do 2000 m. n. m. je nutné počítat s 5 % nárůstem globálního záření. 2
2
2
2
Základní části solárního systému Základním stavebním prvkem slunečního kolektoru (solární tepelný jímač) je absorbér, což je např. plochá deska s neodrazivým povrchem a trubicemi pro odvod teplonosného média. Uložením absorbéru pod skleněnou desku vznikne sluneční kolektor, který využívá "skleníkového efektu". Z hlediska teplonosného média dělíme kolektory na kapalinové a vzduchové, resp. kombinované.
Obrázek3: Pohled na vakuový trubicový kolektor.
Sluneční absorbéry přeměňují zachycené sluneční záření na tepelnou energii (dlouhovlnné záření). Ta je pomocí teplonosného média (kapalina, vzduch) odváděna do místa okamžité spotřeby nebo akumulována v zásobníku. Kolektory dělíme podle tvaru na ploché a trubicově (mají absorbér zataven ve vakuové trubici). Vakuum snižuje tepelné ztráty a zvyšuje účinnost při dosažení vyšších výstupních teplot; používá se i u plochých kolektorů. Kvalitní kolektory mají absorbér opatřený spektrálně selektivní vrstvou (speciální černá barva nebo galvanické pokovení), mají vyšší účinnost a dokáží zpracovat i difúzní záření. U koncentračních kolektorů čelní (lineární Fresnelovy čočky) nebo odrazová plocha (duté zrcadlo) koncentruje záření na menší absorpční plochu. Dosáhne se tak vyšších teplot a vyšší účinnosti. Doplňují se polohovacím zařízením, které natáčí kolektor nebo jeho absorbér za Sluncem. Solární zásobník slouží pro přípravu TUV, doplňkově se ohřívá tepelnou energií z ústředního vytápění a elektřinou (při nedostatku sluneční energie). Objem zásobníku musí odpovídat ploše kolektorů, aby i v létě akumuloval zachycenou energii a nedošlo k poškození systému. Z hygienických důvodů je žádoucí alespoň jednou týdně ohřát obsah zásobníku na 72 °C, neboť při provozu za nízkých teplot a malém odběru se mohou rozmnožit nežádoucí mikroorganizmy. Solární výměník tepla je v zásobníku umístěn co nejníže, nad ním je výměník okruhu ústředního vytápění a nejvýše je elektrické topné těleso. Plochy výměníků musí být navrženy s ohledem na materiál, z něhož jsou vyrobeny, na teplotu kapaliny v solárním okruhu a dále na průtok a objem zásobníku. Potrubí by mělo být co nejkratší s kvalitní tepelnou izolací, navržené na odpovídající požadovaný průtok, teplotu a tlak teplonosné kapaliny v solárním okruhu. Oběhové čerpadlo zajišťuje cirkulaci teplonosné kapaliny. Armatury zabezpečují správnou funkci z hlediska spolehlivosti a bezpečnosti včetně kontroly a regulace (manometr, teploměr, zpětný ventil). Vyrovnání tlaku vlivem značného kolísání teploty zajišťuje expanzní nádoba, jejíž konstrukce a umístění musí odpovídat předpokládané maximální teplotě, objemu a tepelné roztažnosti teplonosné kapaliny. Jako ochrana proti extrémnímu zvýšení tlaku při výpadku elektřiny se instaluje pojistný ventil. Automatická regulace zabezpečuje optimální výkon systému, chrání ho před poškozením a umožňuje potřebnou regulaci tepla mezi spotřebiči. Pro sezónní přípravu užitkové vody se jako teplonosná kapalina používá voda. Pro celoroční provoz je nutné použít nemrznoucí směs, která má mít podobné fyzikální vlastnosti jako voda (kromě bodu tuhnutí). Tomu vyhovují kapaliny na bázi roztoku vody a propylenglykolů s inhibitory koroze, například Solaren.
Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování Sluneční systém pracuje nejlépe, pokud je navržen pro skutečné místní podmínky (dimenzování, umístění kolektorů a způsob využití). Pro dimenzování je důležité znát spotřebu TUV, zda bude ohříván bazén, zda bude požadováno přitápění, způsob napojení na klasický zdroj energie, způsob regulace a další vstupní údaje: • počet hodin slunečního svitu a intenzita slunečního záření, která se mění podle znečištění atmosféry (město, venkov, hory), • chod ročních venkovních teplot, větru či jiných nepříznivých meteorologických jevů, které určují tepelné ztráty kolektorů (zejména námrazy), • orientace; ideální je na jih (případně s mírným odklonem max. ±45°), JZ směr je výhodnější než JV, neboť maximum výkonu nastává obvykle kolem 14. hodiny, kdy jsou v důsledku nejvyšší denní teploty nejnižší tepelné ztráty; automatické natáčení kolektorů za Sluncem je neekonomické, • sklon slunečních kolektorů; pro celoroční provoz je optimální 45° vzhledem k vodorovné rovině, při preferenci výhradně letního provozu 30°, u zimního provozu je výhodnější sklon 60 -90°, • množství stínících překážek; ideální je celodenní osvit Sluncem, krátkodobé zastínění je přípustné spíše v dopoledních hodinách, • délka potrubních rozvodů; má být co nejkratší (minimalizace tepelných ztrát), • možnost umístění, • únosnost střechy; pokud nedostačuje, nebo není správně orientovaná, lze využít i štítovou stěnu, střechu garáže, přístavku, pergoly, • rozložení spotřeby tepla; v ideálním případě kopíruje roční průběh slunečního záření, např. pro instalace jsou vhodnější bytové a rodinné domy, naproti tomu školy se jeví jako problematické, protože v době nejvyššího slunečního svitu bývají většinou nevyužívané. Z výše uvedených parametrů je možné stanovit množství vyrobené energie z celého systému za rok. Pro podrobnější výpočty existují již počítačové programy, např. firemní programy výrobců slunečních kolektorů. Následující tabulka slouží pro orientační dimenzování solárního systému na ohřev TUV se standardními plochými solárními kolektory s konverzní selektivní vrstvou (Heliostar, Ekostart Therma apod.).
V případě využití pasivních solárních prvků se obtížně stanovuje roční energetický přínos, je potřeba sledovat zejména: • Optimální využití jižní strany budovy, která musí byt v zimě osluněná (bez stínících překážek), měla by mít co největší plochu. Prvky pasivní solární architektury se umísťují na jižní stěnu, u jednodušších systémů to jsou např. velká okna pro zachycení solárního zářeni, u složitějších systémů je celá jižní stěna prosklená a za ní je teprve vlastní nosná a akumulační stěna s okny do místností, dveřmi, větracími kanály a pod. • V případě orientace prosklených ploch na V nebo Z se zvyšuje riziko přehřívání interiéru v letních měsících. • Prosklené plochy a další prvky musí být zkonstruovány tak, aby se snížil únik tepla vedením a sáláním v době bez slunečního svitu (např. v zimě nebo v noci). • U všech pasivních systémů je potřeba dávat pozor na vznik tepelné zátěže a je nutné zabezpečit akumulaci získaného tepla - obvykle do stavební konstrukce, nebo odvést teplý vzduch do ostatních místností. Zejména v letních měsících je nutné odvětrání jižních místnosti v budově a zabezpečit systém clonění velkých prosklených ploch z důvodu možného přehřívání budovy. V ideálním případě lze využít přebytky tepla pro přípravu TUV či ohřev vody v bazénu.
Přehled zařízení Podle způsobu oběhu teplonosné kapaliny: a) Solární systémy se samotížným oběhem využívají k oběhu teplonosné kapaliny gravitace mezi kolektorem a zásobníkem. Kapalina v systému proudí díky rozdílu hustoty mezi ochlazenou a ohřátou teplonosnou kapalinou. Solární zásobník je nutné umístit výše než kolektory. Nevýhodou je horší regulace průtoku teplonosné kapaliny kolektorem (nižší účinnost zařízení). Většina moderních kolektorů je navržena na nucený oběh a pro svůj velký hydraulický odpor není k tomuto zapojení vhodná. Výhody jsou nižší pořizovací náklady, maximální jednoduchost, nezávislost na vnějším zdroji energie, vyšší spolehlivost, nehrozí výpadek čerpadla. Systém samotížného oběhu se využívá u velmi jednoduchých malých solárních systémů určených převážné pro sezónní ohřev. b) Solární systémy s nuceným oběhem využívají k oběhu teplonosné kapaliny oběhové čerpadlo. Výhodou je přesná regulace průtoku teplonosné kapaliny kolektorem, která umožňuje vyšší účinnost přenosu tepla. Zmenšení průtoku vlivem hydraulických ztrát se nechá částečně kompenzovat změnou
otáček čerpadla, snížení průtoku lze docílit skrčením. Nevýhody jsou vyšší pořizovací náklady, větší složitost, nižší spolehlivost (výpadek čerpadla) a závislost na vnějším zdroji energie. Podle počtu okruhů: a) Jednookruhové systémy přímo ohřívají vodu bez výměníku tepla. Výhody jsou vysoká účinnost přenosu tepla, nižší pořizovací náklady, jednoduchost. Nevýhody jsou možnost použití pouze pro sezónní provoz (bazény), nebezpečí tvorby bakterii a řas, při nízkých teplotách hrozí zamrznutí vody. Propojení okruhu spotřeby a výroby tepla komplikuje návrh zejména složitějších systémů. Vlivem používání neupravené vodovodní vody dochází k zanášení a korozi (oxidaci) kolektoru i systému. Používají se výhradně v nejjednodušších zařízeních pro sezónní ohřev vody. b) Dvouokruhové systémy pracuji s výměníkem tepla a dvěma nezávislými okruhy. První okruh rozvádí ohřátou teplonosnou kapalinu od kolektorů do výměníku tepla. Druhý přebírá teplo z výměníku a vede jej do místa spotřeby (solární zásobník). Primární okruh bývá napuštěn nemrznoucí směsí. Výhoda je celoroční provoz. Tlakové odděleni okruhů umožňuje velkou variabilitu zapojení s různými průtoky médií. Nevýhody jsou horší účinnost v důsledku ztrát ve výměníku tepla, vyšší pořizovací náklady a složitost. Pro letní ohřev vody (bazén, sprcha) stačí použít jednookruhový systém s jednoduchým absorbérem (plastová deska s dutinami pro ohřívanou vodu). Pro celoroční provoz se používá nejčastěji dvouokruhový systém s kolektory, výměníkem a nemrznoucí teplonosnou kapalinou. Obrázek 4: Dvouokruhový solární systém s nuceným oběhem. Popis: 1-solární kolektor, 2-solárni zásobník (trivalentní), 3kotel ústředního vytápění, 4-elektronická regulace solárního systému, 5-elektrické topné těleso, 6-výměník tepla okruhu ústředního vytápěni, 7-výměník tepla solárního okruhu, 8-teploměry, 9-manometr, 10-expanzni nádrž, 11oběhové čerpadlo, 12-pojišťovací ventil, 15-odvzdušňovací ventil, 14-výstup teplé vody, 15-uzavírací ventily, 16-zpětná klapka, 17-plnicí kohout, 18-vstup studené vody z vodovodního řadu. Pozice č. 8, 9, 10, 11, 12, 16 spolu s průtokoměrem jsou na solární instalační jednotce.
Obrázek 5: Solární systém na ohřev teplé vody, Boži Dar hotel Slunečná
Použitá a doporučená literatura [1] Cihelka, 1: Solární tepelná technika. T. Malina, Praha, 1994. [2] Hájek, L: Sluneční kolektory. Poradenská knižnice ČEA, ČEA, Praha, 1997. [3] Karmanolis, S.: Sluneční energie. MAC, Praha, 1996. [4] Kol. autorů: Energie - kde ji vzít? EkoWATT, Praha, 1993. ISBN 87-87669-74-1. Dotisk EkoWATT, Praha, 1995. [5] Kol. autorů: Obnovitelné zdroje energie. FCC Public, Praha, 1994, druhé upravené a doplněné vydání 2001. [6] Krieg, B.: Elektřina ze Slunce. HEL, Ostrava, 1993. [7] Mittermair, R: Zařízeni se slunečními kolektory. HEL, Ostrava, 1995. [8] Pázral, E., Kára, l, Kotková, l, Svobodová, V.: Kombinované energetické systémy s využitím obnovitelných zdrojů energie. Poradenská knižnice ČEA, ČEA, Praha, 1997. [9] RAEN, spol. s r. o.: Alternativní zdroje energie. Poradenská knižnice ČEA, ČEA, 1997 [10] Vaniček, K. a kol.: Popis pole globálního záření na území České republiky v období 1984 -1993. Národní klimatický program České republiky, Praha, 1994. [11] Vaniček, K., Čeněk, J., Reichrt, 1: Sluneční záření na území ČSSR. MLVH ČSR ve spolupráci a DT ČSVTS Pardubice,Pardubice, 1985.
ENERGIE VĚTRU Větrná energie vzniká jako důsledek dopadající sluneční energie. Vítr je proudění vzduchu, které vzniká tlakovými rozdíly mezi různě zahřátými oblastmi vzduchu v zemské atmosféře. Pokud není uvedeno jinak, rozumí se (i v odborné literatuře) pod pojmem vítr pouze horizontální složka proudění vzduchu.
Přírodní podmínky Větrná energie je na předním místě pomyslného žebříčku velikosti dostupného potenciálu obnovitelných zdrojů energie v ČR. Česká republika je vnitrozemský stát s typicky kontinentálním klimatem, který se projevuje významným sezónním kolísáním rychlostí větru. Příčinou je zejména globální vzdušně prouděni typické pro severní a střední Evropu. Rychlost větru, která je nejdůležitějším údajem při využívání energie větru, je úměrná velikosti tlakového rozdílu a udává se převážně v m/s. Poblíž zemského povrchu je toto proudění ovlivňováno drsnosti povrchu, ale s rostoucí výškou se rychlost větru logaritmicky zvyšuje. Pro rovný terén, kde je závislost mezi rychlostí a výškou ovlivňována pouze drsností povrchu, lze použít vztah závislosti mezi rychlostí větru a výškou:
⎛ h⎞ w h = w o ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ ho ⎠ kde: wo wh ho h
p
je střední rychlost větru ve výšce ho [m/s] je vypočítaná rychlost větru [m/s] je výška, ve které se provádí měření [m] je výška umístění osy rotoru [m]
p je exponent závisející na drsnosti povrchu, vertikálním profilu teplot a výšce nad zemských povrchem; vyjadřuje vliv atmosférické turbulence a nabývá hodnot 0 až 1. Při použití průměrných rychlostí větru lze orientačně předpokládat pro vrstvu 0 - 2 m hodnotu p=0,25, pro vrstvu 2 – 16 m hodnotu p=0,22 a pro vrstvu 16 – 250 m hodnotu p=0,20. Pozn.: Pozor na rozdíl mezi výškou nad zemským povrchem a výškou rovinatý terén s nízkým travnatým porostem, 0,13 - 0,16 ornice, zasněžený terén nad terénem. Je dobré si vysoký travnatý porost, nízké obilné porosty 0,18 - 0,19 uvědomit, že koeficienty v tomto porosty vysokých kulturních plodin, nízké lesní 0,21 - 0,25 přiblíženi platí pro rovinatý terén, a porosty vysoké husté lesy 0,28 - 0,32 tudíž odrážejí vliv drsnosti podloží předměstí, vesnice, malá města 0,40 - 0,48 vzdušného proudu, ale nikoliv vliv Tabulka 1: Orientační koeficienty pro extrapolaci členité orografie. Koeficienty se mění i rychlosti větru s výškou vegetace, sněhu, atd. (závisí na ročním období). Drsnost povrchu může být různá i z různých směrů. Druh povrchu
P
hladký povrch, vodní hladina, písek, led, bláto
0,10 - 0,14
Směr větru (odkud vítr vane) se uvádí převážně v desítkách stupňů azimutu, případně v meteorologii závaznými anglickými zkratkami. Proudění vzduchu je vždy turbulentní, což se projevuje kolísáním rychlosti a směru větru. Výsledky měření směru a rychlosti Obrázek 2: Větrný atlas České republiky. (Zdroj: UFA větru jsou proto průměrované za určitý AV ČR ) časový interval, tzv. vzorkovací dobu. Měření rychlosti větru se provádí nejčastěji miskovými anemometry. Pro tato měření jsou mezinárodně přijaty standardy. Pro rychlost a směr větru je to výška 10 m nad zemským povrchem (pokud ji není možno dodržet, jsou údaje dohodnutým způsobem přepočítávány na tuto výšku).Bohužel jednotlivé metody nejsou plně srovnatelné, na některých stanovištích jsou mezi naměřenými hodnotami kontinuálním měřením a vypočtenými průměrnými rychlostmi při měření v klimatických termínech rozdíly 10 - 20 %. Pro základní výpočet průměrných ročních rychlostí větru vznikl v Ústavu fyziky atmosféry AV ČR počítačový program VÁS (Větrný atlas ČR, za podpory České energetické agentury). Výpočet je prováděn interpolací údaj ů meteorologických stanic a z numerického modelu proudění nad naším územím. Umožňuje teoretické rozlišení pro oblast velikosti 2 x 2 km.
Možnosti využití Možnosti využití větrné energie jsou dvě: • přímá přeměna energie větru na mechanickou práci, např. čerpání vody, • přímá přeměna energie větru na elektřinu, kterou je možné dodávat do sítě, nebo využívat v dané lokalitě. Systémy nezávislé na rozvodné síti (grid-off), autonomní systémy, slouží pro lokální zásobování elektřinou (mikroelektrárny). Větší autonomní systémy využívají klasické větrné elektrárny se záložními zdroji (bez akumulace) upravené pro ostrovní provoz. V každém případě je kladen důraz na minimální ztráty energie a na používání energeticky úsporných spotřebičů. Systémy dodávající energii do rozvodné sítě (grid-on) jsou nejrozšířenější a používají se v oblastech s velkým větrným potenciálem; slouží výhradně pro komerční výrobu elektřiny. Podobně jako u sluneční energie se jedná o nestálý energetický zdroj, který je většinou doplňkem klasických zdrojů energie. Nevýhodou je obecná závislost na počasí, denní době a ročním období.
Základní části zařízení
Popis: 1 - rotor s rotorovou hlavici, 2 - brzda rotoru, 3 -planetová převodovka, 4 - spojka, 5 - generátor, 6 - servo-pohon natáčení strojovny, 7 - brzda točny strojovny, 8 - ložisko točny strojovny, 9 - čidla rychlosti a směru větru, 10 - několikadilná věž elektrárny, 11 - betonový armovaný základ elektrárny, 12 -elektrorozvaděče silnoproudého a řídícího obvodu, 13 - elektrická přípojka.
Přehled zařízení Využitelný potenciál energie větru velmi ovlivňuje typ navržené větrné elektrárny a její výkon. Větrné elektrárny se od sebe liší výtěžností pro určité parametry větru, což vyplývá z konstrukce rotoru, typu generátoru a zejména regulace. V současné době převládají dva typy regulace výkonu v závislosti na rychlosti větru: Regulace Stali (pasivní): Rotor elektrárny má pevné listy a pro regulaci využívá odtržení proudnice vzduchu od listu rotoru při určité rychlosti větru. Po odtrženi dojde ke snížení výkonu. Výhody jsou o něco vyšší výroba elektrické energie při vyšších rychlostech větru s větrnými nárazy a nižší pořizovací náklady. V současné době se používá i aktivní varianta regulace typu Stali, která spočívá v mírném pomalém aktivním natáčení listů v závislosti na okamžitých klimatických podmínkách, např. hustotě vzduchu. Regulace Pitch (aktivní): Využívá natáčení celého listu rotoru podle okamžité rychlosti větru tak, aby byl celkový náběh větrného proudu v daném okamžiku optimální (dosažení nejvyšší výroby). Výhodou je vyšší výroba elektrické energie zejména při nižších rychlostech větru, kdy se optimalizace projeví nejvíce. Nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady. Podle aerodynamického principu dělíme větrné motory na vztlakové a odporové. Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení. Ty pracují na vztlakovém principu, kdy vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Na podobném principu pracovaly již historické větrné mlýny, nebo tak pracují větrná kola vodních čerpadel (tzv. americký větrný motor). Při stejném průměru rotoru v zásadě platí nepřímá závislost počtu listů a frekvence otáčení. Moderní elektrárny mají obvykle tři listy, byly však vyvinuty i typy s jediným nebo se dvěma listy. Existují také elektrárny se svislou osou otáčení, některé pracují na odporovém principu (typ Savonius, jako misky anemometru) nebo na vztlakovém principu (typ Darrieus). Výhodou elektráren se svislou osou pracujících na vztlakovém principu je, že mohou dosahovat vyšší rychlosti otáčení a tím i vyšší účinnosti; není je třeba natáčet do směru převládajícího větru. Elektrárny se svislou osou otáčení se v praxi příliš neuplatnily, neboť u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, které značně snižuje jejich životnost. N e v ý h o d o u j e m a l á v ý š k a r o t o r u n a d t e r é n e m , tj. i menši rychlost větru. V praxi se téměř nepoužívají. Výkony mikroelektráren se pohybují od cca 50 do 1000 W. Elektřina se obvykle vyrábí pomocí synchronních generátorů buzených permanentními magnety, s výstupním napětím 12 nebo 24 V, které napájí malé spotřebiče (světla, TV, chladničky) a slouží pro nabíjeni akumulátorů (např. lodní palubní systémy). Elektrárny lze doplnit měničem, který dodává střídavý proud o napětí 220 V. Elektrárny velkých výkonů (300 až 3000 kW) jsou určeny k dodávce energie do veřejné rozvodné sítě. Mají asynchronní generátor, který dodává střídavý
proud většinou o napěti 660 V, a tudíž nemohou pracovat jako autonomní zdroje energie. Existuji i elektrárny se speciálním mnohapólovým generátorem, který nevyžaduje převodovou skříň. Většina elektráren má konstantní otáčky. Některé typy mají obvykle dvě rychlosti otáčení, případně proměnné otáčky podle okamžité rychlostí větru. V praxi se používají většinou větrné elektrárny s horizontální osou rotace. Velké elektrárny mají průměr rotoru 40 až 80 m a věž o výšce více než 80 metrů. Trendem poslední doby je zvětšování výkonu větrných elektráren a zvyšování stožárů. Nejnovější zařízení instalovaná ve světě pracují s generátorem o výkonu až 3 MW, který je na tubusu dosahujícím výšky kolem 100 metrů. Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a optimální využití lokalit, kterých je omezený počet. K zefektivnění provozu a snížení nákladů na projektování a výstavbu se velké elektrárny sdružují do skupin (obvykle 5 až 30 elektráren) tzv. větrných farem. Velké větrné elektrárny mohou kvůli vysokému stožáru a velkému průměru rotoru negativně narušit optický reliéf krajiny. U nových typů je konstrukce podřízena velmi přísným požadavkům omezení hlučnosti, a to jak mechanické (převodová skříň, generátor) tak aerodynamické (rotor). Obrázek 3: Větrná farma Naríao, Čina. (Zdroj: NEC Micon.)
Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování V případě vnitrozemských oblastí, tedy v podmínkách ČR, jsou příhodné lokality převážně ve vyšších nadmořských výškách, obvykle nad 500 m n. m. V nižších nadmořských výškách je roční průměrná rychlost větru nízká (kolem 2 až 4 m/s). K ohodnocení konkrétní lokality je nejvhodnější stanovení distribuční charakteristiky, což je rozdělení četnosti rychlostí větru zjištěné kontinuálním měřením rychlosti ve výšce osy rotoru. Ideální je alespoň roční měření porovnané s dlouhodobými údaji na blízkých meteorologických stanicích. Jednotlivě roky se od sebe mohou značně lišit. Z výše uvedeného vyplývá, že důležité jsou následující vstupní údaje: • měřené průměrné rychlosti větru včetně četnosti směru, • množství a parametry překážek, které způsobují turbulenci a brání laminárnímu proudění větru (porosty, stromy, stavby, budovy),
• • • • • • •
•
•
chod ročních venkovních teplot či jiných nepříznivých meteorologických jevů (např. námrazy způsobují odstávku), nadmořská výška (hustota vzduchu), možnost umístění vhodné technologie, únosnost podloží, kvalita podkladu a seismická situace, geologické podmínky pro základy elektrárny, dostupnost lokality pro těžké mechanismy, případně vhodnost pro vybudování potřebné zpevněné komunikace, vzdálenost od přípojky Vn nebo VVn s dostatečnou kapacitou, vzdálenost od obydlí, která by měla být dostatečná kvůli minimalizaci možného rušení obyvatel hlukem. (Podle hygienických předpisů MZ ČR, vyhl. č. 13/1977 Sb., je nejvyšší přípustná hladina hluku ve venkovním prostoru na obytném území příměstském u menších sídelních útvarů ve dne 50 dB a v nocí 40 dB. Podmínka je většinou splněna při vzdálenosti 200 m od obydlí.), míra zásahu do okolní přírody - zátěž při výstavbě elektrárny, zátěž budováním přípojky, zásah do vzhledu krajiny (umístění lokality v CHKO velmi komplikuje povolovací řízení), majetkoprávní vztahy ohledně pozemku, postoj místních úřadů, vlastnictví či dlouhodobý pronájem pozemků.
Z výše uvedených parametrů je možné stanovit množství vyrobené energie, které je nejvíce ovlivněno měřením a má největší vliv na ekonomiku projektu. Vzhledem k tomu, že se výkon elektrárny mění se třetí mocninou rychlosti větru, promítne se i malá odchylka v rychlosti větru výrazně. Moderní větrné elektrárny mají rozběhovou rychlost větru kolem 4 m/s. Pro zvýšení výroby jsou některé elektrárny vybaveny dvěma generátory (nebo jedním s dvojím vinutím). Při nízké rychlosti větru běží menší generátor, při vyšší rychlosti větru se přepne na větší generátor. Startovací rychlost pro snížený výkon je potom kolem 2,5 m/s. Aby se větrná elektrárna dostala z rozběhové části výkonové křivky do výrobní, musí být rychlost větru vyšší než startovací (záleží na typu a parametrech elektrárny). Pro praktické využití energie větru jsou zajímavé výšky 40 m a více nad zemským povrchem.
V tomto rozmezí závisí rychlost větru zejména na tvaru okolního terénu. Čím hladší je jeho povrch, tím vyšší je rychlost větru. Zalesněná krajina klade větru v přízemní vrstvě odpor, který se projevuje tvorbou turbulencí.
Použitá a doporučená literatura [1] Bednář, l, Zikmunda, O.: Fyzika mezní vrstvy atmosféry. Academia, Praha, 1985. [2] Větrná energie. Časopis ČSVE. Vychází 2x ročně. ČSVE, Boční II 1401/la, 141 31 Praha 4. [3] Koč, B.: Šance pro vítr. Ekocentrum, Brno, 1996. [4] Kol. autorů: Katalog firem 2002 - 2003, obnovitelné zdroje energie. EkoWATT, Praha, 2002. [5] Kol. autorů: Energie - kde ji vzít? EkoWATT, Praha, 1993. ISBN 87-87669-74-1. Dotisk EkoWATT, Praha, 1995. [6] Nosek, M.: Metody v klimatologii. Academia, Praha, 1972. [7] Rychetník, V., Pavelka, l, Janoušek, J.: Větrné motory a elektrárny. ČVUT, Praha, 1997 [8] Sládek, l., Rychetník, V.: Větrná situace v ČR. Praha, 1989. [9] Šeftěr, J. l.: Využití energie větru. SNTL, Praha, 1991. [10] Štekl, J. a kol: Perspektivy využití energie větru pro výrobu elektrické energie na území ČR. Výzkumná práce UFA AV ČR. Praha, 1993. [11] Štibranný, P.: Veterná energetika (rok a vydavatel neuvedeni).
ENERGIE VODY Vodní energie vzniká jako důsledek dopadající sluneční energie. Energii z vody je možno získat využitím jejího proudění (energie pohybová, kinetická) a jejího tlaku (energie potenciální, tlaková), nebo také obou těchto energií současně. Podle způsobu využívání potom rozlišujeme i používané typy vodních strojů.
Možnosti využití a přírodní podmínky Vodní elektrárny se na celkovém instalovaném výkonu v republice podílejí zhruba 17 % a na výrobě necelými 4 %. Česká republika se nachází na rozvodí tří moří a pramení zde řeky. Svou geografickou polohou je přímo předurčena k využiti vodní energie v malých vodních elektrárnách (MVE). Technicky využitelný potenciál řek ČR činí 3380 CWh/rok. Z toho potenciál využitelný v MVE je 1570 CWh/rok. Současně využitý potenciál v MVE činí přibližně 500 CWh/rok (cca 30 %). Z hlediska dispozice a rozloženi zdrojů MVE na našem území netvoří kompaktní skupinu, ale jsou rozptýleny po celém území. To je výhodné právě pro
připojování do energetické sítě, kde nezatěžují přenosovou soustavu. Celoplošné rozšíření elektrizační soustavy přitom umožňuje připojení téměř ve všech lokalitách s možnosti použití asynchronních generátorů. To je provozně jednodušší a levnější (není třeba nákladné a složité regulační části). Kinetická energie je ve vodních tocích dána rychlostí proudění; rychlost je závislá na spádu toku. Využití této energie je možné vodními stroji rovnotlakými, které jsou založeny na rotačním principu. Z vodních strojů jsou to hlavně vodní kola, turbíny typu Bánki a Pelton. Optimální využití však vyžaduje, aby obvodová rychlost stroje byla nižší než je rychlost proudění. Pokud je obvodová rychlost otáčeni stejná, lopatky pouze ustupují proudu bez možnosti převzetí energie a jakéhokoliv zatížení. Otáčky těchto strojů jsou pomalé - uvádějí se jako stroje s nízkou rychloběžností. U rovnotlakých strojů je tlak na lopatky vyvolaný poloviční obvodovou rychlostí než je rychlost proudění a je po celé cestě předávání energie stejný. Dalším znakem těchto strojů je částečný ostřik. Znamená to, že voda vstupuje do turbíny pouze v některé její části obvodu, nebo v některých určitých částech, ale nezahltí celý obvod plynule. Energie potenciální (tlaková) vzniká v důsledku gravitace. Voda teče vhodným přivaděčem přirozeným způsobem z vyšší úrovně hladiny na nižší úroveň. Rozdíl těchto dvou potenciálů potom vytváří tlak, který se využívá ve strojích, kterým říkáme přetlakové (reakční). Do této oblasti patří turbíny typu Kaplan, Francis, Reiffenstein, různé typy turbín vrtulových a vhodná čerpadla v turbínovém provozu. U tohoto typu přetlakových turbín se část tlaku vody přemění v rychlost pro zajištění požadovaného průtoku. Zbylá tlaková energie se postupně snižuje při průchodu lopatkami turbíny a v místě, kde ji opouští, je téměř plně využita. Společnou vlastností přetlakových turbín jsou otáčky oběžného kola turbíny, které jsou několikanásobně vyšší, než absolutní rychlost proudění.
PB-Kaplan
Francis
Obrázek 1: Typy nejčastěji používaných turbín. (Zdroj:ČKD Turbo Technics s.r.o.) Reiffenstein
Bánki
Základní části vodního díla a přehled zařízení Vzdouvací zařízení slouží ke vzdutí vodní hladiny v toku a usměrnění vody do přivaděče (přehradní hráze a jezy). Hráze se vyznačují obvykle větší výškou vzdutí, větším objemem zadržené vody a plochou zaplavovaného území. Jejich nová výstavba pouze za účelem provozování malých vodních elektráren je z ekologických a ekonomických hledisek většinou neúnosná, nicméně využití stávajících hrázi může být ekonomicky velmi výhodně. Například u základových výpustí nádrží je nutno mařit energii protékající vody, např. instalací rozstřikovacích uzávěrů, bez jakéhokoli využití této energie. Přitom tuto funkci může částečně přebrat vodní turbína. Další možností je instalace vodní turbíny na přivaděčích pitné vody. Jezy mají oproti hrázím nižší výšku vzdutí a podstatně menši objem zadržené vody. Náklady na jejich výstavbu rostou s jejich šířkou. U toku větší šířky nutnost využití speciální mechanizace navyšuje investice. U nížinných toků je zachovalý jez většinou nutnou podmínkou výstavby MVE. Přivaděče koncentrují spád do místa instalace vodní turbíny. Beztlakové přivaděče (náhony, kanály) se budují převážně výkopem v terénu. Náklady závisí na délce, příčné svažitosti terénu, typu zeminy a s tím souvisejícího druhu opevnění stěn koryta. Nejvýhodnější je oprava původního náhonu, případně volba stejné trasy z důvodu snadnějšího získání a zaměření pozemku. Tlakové přivaděče jsou nejčastěji zhotoveny z ocelových trub, případně z železobetonu. Měrné náklady na jejich výstavbu jsou vyšší než u přivaděčů beztlakových (náhonů), zejména u toků podhorských a horských. Ekonomicky mohou být výhodnější než beztlakové pouze při velkém podélném spádu toku, proto se realizují co nejkratší. Často se oba typy přivaděčů kombinují s cílem dosažení maximálního spádu a minimálních nákladů. Česle, zhotovované převážně jako mříž z ocelové pásoviny, zabraňují vnikání vodou unášených nečistot do turbíny. Obvykle jsou před turbínou nejméně dvoje: hrubé a jemné, často s automatickým čištěním. Ve strojovně je umístěno strojní a elektrotechnické zařízení elektrárny. Stavební částí turbíny rozumíme takové části vodní elektrárny, které spolu se strojní částí tvoří elektrárnu jako celek (například základy nebo betonová spirála). Při volbě typu turbiny je nutné zohlednit i rozměry a konstrukci stavební části, neboť dražší strojní vybavení může svojí kompaktností celkové investiční náklady snížit. Odpadní kanály vracejí vodu do původního koryta. Často jsou tak krátké, že náročnost jejich výstavby a náklady jsou vůči ostatním částem elektrárny bezvýznamné. Pro delší kanály se řídíme podobnými kritérii jako u beztlakových přivaděčů. Typy nejčastěji používaných turbín v závislosti na spádu a průtoku: Kaplan, Francis, Bánki, Pelton, Reiffestein, čerpadlo upravené v turbínovém chodu.
Vodní kolo je dnes už historický vodní motor, který může najit uplatnění zejména pro spády do 1 m a průtoky až do několika mys. Výroba je vždy individuální. Kaplanova turbína je klasická přetlaková turbína v základním provedení výborně regulovatelná, ale výrobně náročná. Dnes ji vyrábí řada firem v České republice s různými úpravami regulace i dispozičním uspořádáním (kolenové či přímoproudé turbíny). Jsou použitelné pro spády od 1 do 20 m, průtoky 0,15 až několik mys, individuálně až několik desítek m5/s. Je vhodná zejména pro jezové a říční malé vodní elektrárny. Francisova turbína je v minulosti nejpoužívanější přetlaková turbína pro téměř celou oblast průtoků a spádů malých vodních elektráren. Při rekonstrukcích je možné vidět Francisovu turbínu již od spádu 0,8 m. Její oprava se vyplácí zejména do spádu 3 m. Instalace nových turbín v MVE se dnes omezuje na spády od 10 m a pro větší průtoky (vyšší výkony). Bánkiho turbína je rovnotlaká turbína s dvojnásobným průtokem oběžného kola, výrobně nenáročná. Turbíny jsou podle velikosti použitelné pro spády 5 až 60 m a průtoky 0,01 až 0,9 m!/s. Peltonova turbína je rovnotlaká turbína vhodná pro spády nad 30 m. Využitelné průtoky jsou od 0,01 mys. Levnější náhradou mohou být v některých případech sériově vyráběná odstředivá čerpadla v reverzním chodu.
• • • •
•
Členění turbín podle uspořádání na vertikální, horizontální, šikmé, jezové, derivační, přehradové, věžové; podle způsobu přivádění vody na přímoproudé, kolenové, kašnové spirální, kotlové; podle spádu nízkotlaké (do 10 m), středotlaké (do 100 m) vysokotlaké (nad 100 m); podle vodního režimu průtočné, akumulační, vyrovnávací, přečerpávací; podle režimu práce základní, špičkové, pološpičkové.
Členění MVE Podle vyhlášky č. 214/2001 Sb. se za MVE považuje každá elektrárna do výkonu 10 MWe (dle směrnic EU do 5 MW). Podrobněji se podle výkonu dělí na: • průmyslové (od 1 do 10 MW);
• • •
závodní nebo veřejné (od 100 do 1000 kW); drobné nebo minielektrárny (od 35 do 100 kW); mikrozdroje nebo také mobilní zdroje (pod 35 kW). Obrázek 2: Základní charakteristika turbín podle průtoku a spádu.
Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování V České republice je stále ještě dostatek lokalit pro výstavbu nebo obnovu MVE. Nové lokality jsou však zejména na nízkých spádech, což je ekonomicky nevýhodné. Pro výstavbu MVE se přednostně využívají lokality, které byly v minulosti využívány pro energetické účely, například vodním mlýnem, hamrem či pilou. Zbytky bývalého vodního díla (odtokový kanál, jez apod.) mohou výrazně snížit náklady na výstavbu. Při tom je nezbytné, aby zejména na větším toku bylo v pořádku vzdouvací zařízení (jez). Rozhodujícími ukazateli k ohodnocení konkrétní lokality (pro využití hydro-energetického potenciálu) jsou dva základní parametry - využitelný spád a průtočné množství vody v daném profilu, který chceme využít. Kromě toho jsou důležité i následující údaje: • možnost umístění vhodné technologie, • vhodné geologické podmínky a dostupnost lokality pro těžké mechanismy, případně vhodnost pro vybudováni potřebné zpevněné komunikace, • vzdálenost od přípojky Vn nebo VVn s dostatečnou kapacitou, • minimalizace možného rušeni obyvatel hlukem, jinak je nutno provést odhlučnění, • míra zásahu do okolní přírody a vhodné začlenění do reliéfu lokality, předepsáno stavebním úřadem čí urbanistou, zátěž pří výstavbě elektrárny, zátěž budováním přípojky - (Umístění lokality v CHKO velmi komplikuje povolovací řízení.), • míra kontaminace vody ropnými produkty - (U nových technologii se předpokládá maximální využití samomazných ložisek a používání ekologicky nezávadných maziv na bázi rostlinných olejů. U starších technologií je vždy možné opatření, které nepoškodí přírodu.), • dodržování odběru sjednaného množství vody - (Využitím spolehlivých automatik v souvislosti s hladinovou regulací se vyloučí nevhodný vliv obsluhy MVE.), • způsob odstraňování naplavenin vytažených z vody - (Podle směrnice MŽP ČR je nutno zajistit odvoz a likvidaci z vody vytažených naplavenin, v žádném případě je nelze vracet do toku.), • majetkoprávní vztahy ohledně pozemku, postoj místních úřadů, vlastnictví či dlouhodobý pronájem pozemků.
Při dodržení všech uvedených aspektů nemůže MVE svým provozem narušit životní prostředí v lokalitě, naopak přispívá k revitalizaci místního říčního systému a kladně ovlivňuje režim vodního toku (čistí a provzdušňuje tok).
Spád Spád je výškový rozdíl vodních hladin. V praxi se většinou rozlišují dva druhy spádů: • hrubý (celkový) spád Hb (brutto) je celkový statický spád daný rozdílem hladin při nulovém průtoku vodní elektrárnou. Zejména u děl nízkotlakých je vhodné stanovit spád výškovou nivelací na úseku od vtokového objektu (obvykle nad jezem), po úroveň spodní hladiny na odpadu z turbíny. Pro hrubé odhady jej lze stanovit z mapy (poměrně spolehlivý pouze při navrhování vysokotlakých děl). Pro relativně přesný odhad není třeba nivelační přístroj, postačí lať s centimetrovým dělením. Pro vodorovnou záměru Obrázek 3: Určováni spádu bez nivelačniho přístroje. lze použít vodováhu, případně teodolit nebo hadicovou vodováhu. • užitný (čistý) spád H (netto), se liší od hrubého spádu odečtením hydraulických ztrát těsně před vodním motorem a za ním (v přivaděči a odpadu) vzhledem ke vzdutí spodní vody, poklesu hladiny horní vody při provozu, změnami směru a objemovými ztrátami (v česlích, v přiváděcím kanálu, v potrubí, atp.). Tím získáme spád pro turbínu užitný. M [dní] 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 S55 Q [m!/s] 2,7 1,9 1,5 1,2 1,0 0,85 0,75 0,6 0,5 0,4 0,34 0,25 Tabulka 1: Přiklad M-denní průtokové závislosti.
Průtok Průtok je průtočné množství vody v daném využitelném profilu. Přesný průtok lze zjistit za úplatu u Českého hydrometeorologického ústavu nebo Správy toku (Povodí), jako tzv. dlouhodobý průměrný průtok Qa, N-leté průtoky (čáry překročení průměrných ročních průtoků) a M-denní průtoky (čáry překročení průměrných denních průtoků). Pro využiti energie vody jsou nejdůležitější M-denní průtoky (křivka překročení průtoků v průměrně vodném roce čili roční odtoková závislost neboli M-denní odtoková závislost). Ty udávají průtok zaručený v daném profilu toku po určitý počet dní. Data se uvádějí číselně v obvyklém členění po 30 dnech v roce .
364 0,18
Vodní elektrárny se obvykle dimenzují na 90-ti denní až 180-ti denní průměrný průtok, což ovlivňuje technická úroveň technologie, zejména schopnost turbíny přizpůsobit se regulací změnám průtoku. Pro výpočet využitelného průtoku v elektrárně je potřeba počítat s minimálním hygienickým (sanitárním, Obrázek 5: Zjednodušené zjišťování průtoku. sanačním) průtokem původním korytem. Sanační množství bývá předepsáno při vodoprávním řízení a odpovídá obvykle 330, 355 nebo 364 dennímu průtoku vody, který je nutno ponechat v řečišti a nelze s ním kalkulovat pro využití.
Hodnocení kvality Pro předběžný odhad dosažitelného výkonu MVE lze použít zjednodušený vztah, kde je výkon uveden již v kW, protože ve vztahu je již brán zřetel na měrnou hmotnost vody, která je 1000 kg/m3: P=k*Q*H kde: P je výkon [kW] Q je průtočné množství vody, průměrný průtok [m!/s] H je spád využitelný turbínou [m] K je bezrozměrná konstanta uváděná v rozsahu 5 - 7 pro malé vodní elektrárny, 8 - 8,5 pro střední a velké; její velikost ovlivňuje účinnost soustrojí a technická úroveň použité technologie Výroba elektřiny ve vodní elektrárně potom bude: E = P*T kde: E je množství vyrobené energie během roku [kWh] P je výkon [kW] T je počet provozních hodin během roku [h] Počet provozních hodin během roku se stanoví podle počtu dní M, ve kterých může turbína se zvoleným regulačním rozsahem pracovat (alespoň 4000 h).
Obrázek 7: Kaplanova turbína. (Zdroj: HYDROHROM.)
Obrázek 8: MVE v Boršově nad Vltavou, pohled od horní vody, vpravo v pozadí jez.
Použitá a doporučená literatura [1] Bednář, 1: Malé vodní elektrárny 2. SNTL, Praha, 1989. [2] Gabriel, R, Čihák, R, Kalandra, R: Malé vodní elektrárny. ČVUT, Praha, 1998. [3] Kol. autorů: Co chcete vědět o malých vodních elektrárnách. ČEZ, a.s., Praha. [4] Kol. autorů: Katalog firem 2002 - 2003, obnovitelné zdroje energie. EkoWATT, Praha, 2002. [5] Kol. autorů: Hydrologické poměry Československa, 1. - 3. díl. ČHMÚ, Praha, 1970. [6] Kol. autorů: Obnovitelné zdroje energie. FCC Public, Praha, 1994, druhé upravené a doplněné vydání 2001. [7] Kol. autorů: Malé vodní turbíny, konstrukce a provoz. ČVUT, Praha, 1998. [8] Melichar, 1: Malé vodní turbiny. ČVUT, Praha, 1995. [9] Pažout, R: Malé vodní elektrárny. SNTL, Praha, 1990. [10] Škorpil, J., Kasárník, M.: Obnovitelné zdroje energie l. Malé vodní elektrárny. ZČU, Plzeň, 2000.
ENERGIE SLUNCE - VÝROBA ELEKTŘINY Sluneční energie je základní podmínkou života na Zemi. Sluneční záření lze přímo využívat k výrobě tepla, chladu a elektřiny, nepřímo jako energii vodních toků, větru, mořských vln, tepelnou energii prostředí (atmosféra, hydrosféra, lítosféra) a energii živé hmoty - biomasy (biochemická energie).
Možnosti a vývoj využití Díky fotoelektrickému jevu v polovodičích můžeme energii slunečního záření přeměnit v solárních článcích (fotovoltaických článcích) na elektrickou energií. Přeměna slunečního záření na elektřinu má široké pole použití. Se stejnými základními stavebními prvky (solární články) je možné realizovat aplikace s výkonem řádově od mW až po desítky MW. Energie vložená do výroby fotovoltaických panelů je těmito panely získána zpět v našich podmínkách během 2 - 4 let, přitom Obrázek 1: Schéma využiti solární energie. předpokládaná životnost je minimálně 20 let. Nevýhodou je závislost na denní době, ročním období a na oblačnosti v dané lokalitě. Přesto jde o energetický potenciál, který nelze přehlédnout. V posledních letech byly pro výrobu solárních článků vytvořeny další výrobní kapacity. Během dvou let (2000 - 2001) došlo ke zdvojnásobení celkové výroby solárních článků až na 394 MWp (instalovaný špičkový výkon). Nejvýrazněji k tomuto výsledku přispěly japonské společnosti silně podporované národním rozvojovým programem (pro rok 2001 - 170 MWp). Očekávaný meziroční přírůstek produkce v Japonsku je 53 %. Evropa se podílela na celkové produkci 86 MWp a meziroční nárůst je odhadován na 33 %. Ve Spojených státech amerických jsou k dispozici výrobní kapacity v objemu 106 MWp/rok a očekávaný meziroční nárůst je nižší - na úrovni 20 %. Ostatní země jsou schopny ročně produkovat solární články se souhrnným výkonem 32 MWp s nárůstem 28 %. Celkový instalovaný výkon ve světě nyní dosáhl přibližně 1,5 GWp. Tomu odpovídá ročně vyrobená elektrická energie cca 1,5 TWh. V Evropě a v Japonsku se využívá převážně integrace fotovoltaických systémů do budov. V rozvojových zemích připravují různé mezinárodní organizace programy pro instalace fotovoltaických systémů ostrovního typu v odlehlých vesnicích. Státy Evropské unie se zavázaly ke zvýšení podílu obnovitelných zdrojů ze 6 % v roce 1995 na 12 % v roce 2010. Pro fotovoltaické zdroje to představuje
dosažení instalovaného výkonu 3 CWp do roku 2010. V roce 1995 činil podíl fotovoltaické elektřiny na obnovitelných zdrojích 0,1 %, v roce 2010 má být zvýšen na 1 %. Zatím jsou v České republice fotovoltaické Systémy používány jen ojediněle a jejích přínos do celkové energetické bilance je v současnosti velmi nízký. Využívání je v počátcích svého možného vývoje, tedy ve fázi demonstračních projektů a zvyšování povědomí. Do konce roku 2002 byly v ČR nainstalovány fotovoltaické systémy s výkonem přibližně 0,2 MWp. Soukromí investoři se až na výjimky zaměřovali na malé ostrovní systémy. V posledních dvou letech bylo nainstalováno i několik větších Obrázek 2: Solární panely na pražském hotelu Panoráma. fotovoltaických systémů připojených (Zdroj: firma Solartec.) k rozvodné síti (tzv. síťové fotovoltaické systémy). Největší překážkou jsou zatím vysoké pořizovací náklady a u systémů připojených na síť nízké výkupní ceny elektrické energie prodávané do sítě.
Přírodní podmínky Průměrný počet hodin solárního svitu (bez oblačnosti) se v ČR pohybuje kolem 1460 h/rok (od 1400 do 1700 hodin za rok). Nejmenší počet hodin má severo-západ území. Směrem na jihovýchod počet hodin narůstá. Lokality se od sebe běžně liší v průměru o ±10 %. V některých ojedinělých případech je odchylka vyšší. Technický potenciál výroby elektřiny je omezen na plochy, kde lze fotoelektrické systémy instalovat s ohledem na stav sítě, možnosti připojení atd. Pro odhady se používá hodnota roční sumy globálního záření (průměr pro celou Českou republiku je kolem 1081 kWh/m2). Podle údajů firmy Solartec lze použít následující klíčová čísla pro odhad výroby elektrické energie. Jeden m2 fotovoltaického panelu s monokrystalickými články má špičkový Měsíc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Rok [Wh] výkon 110 - 120 Wp při Energie 80 138 213 302 383 390 408 360 265 179 83 60 87237 standardním osvětlení [Wh/den] 2 1000 W/m a slunečním Tabulka 1: Průměrné hodnoty elektrické energie [Wh/den], kterou lze spektru AM 1,5 (spektrální získat během jednoho dne ze solárního panelu s výkonem 110 Wp hustota zářivého toku při (cca 1 m2) dle měsíců. jasné obloze vztažená na
m2 vodorovné plochý). Ze solárního panelu s touto plochou je možné během jednoho roku získat až 80 - 120 kWh elektrické energie. (Pro ilustraci - monokrystalický solární článek s plochou 10 x 10 cm je schopen dodávat do zátěže proud okolo 3,2 A při napětí 0,5 V). Fotovoltaický systém s instalovaným výkonem 1 kW je schopen dodat ročně 800 1000 kWh elektrické energie v podmínkách ČR.
Základní části zařízení Základním prvkem zařízení pro přeměnu slunečního záření na elektrickou energii je solární článek. Solární článek je polovodičový velkoplošný prvek s alespoň jedním PN přechodem (v podstatě jde o polovodičovou diodu). Na rozhraní materiálů P a N vzniká přechodová vrstva P-N, v níž existuje elektrické pole vysoké intenzity. Toto pole pak uvádí do pohybu volné nosiče náboje vznikající absorpcí světla. Vzniklý elektrický proud odvádějí z článku elektrody. V ozářeném solárním článku jsou fotony generovány elektricky nabité částice (pár elektron - díra). Některé elektrony a díry jsou poté separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi "předním" (-) a "zadním" (+) kontaktem solárního článku. Zátěží (elektrospotřebičem) připojenou mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, jež je přímo úměrný ploše solárních článků a intenzitě dopadajícího slunečního záření.
Energetická účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii je u současných hromadně vyráběných solárních článků až 14 - 16 %. U experimentálních článků je dosahována účinnost až 28 %. Celková průměrná využitelnost systému s ohledem na jeho konstrukci a na pracovní podmínky je 7 -11 %. V současné době jsou nejrozšířenější solární články vyrobené z krystalického křemíku ve formě monokrystalu nebo multikrystalu (zastoupení 85 %) s účinností do 16 %. Své praktické uplatnění mají i tenkovrstvé solární články na bázi amorfního křemíku (zastoupení méně než 15 %) s účinností kolem 7 % (jsou levnější). Do výroby jsou již také zaváděný nové tenkovrstvé technologie CIS a CIGS struktury, které dosahuji účinnosti až 13 %. Ve fázi vývoje jsou mimo jiné i solární články na bázi organických materiálů nebo fulerenů. Sériovým nebo i paralelním elektrickým propojením solárních článků vzniká po jejich zapouzdření solární panel. Články jsou sérioparalelně elektricky spojeny tak, aby bylo dosaženo potřebného napětí a proudu pro přímé využití generované elektrické energie. Panel musí zajistit hermetické zapouzdření solárních článků, musí zajišťovat dostatečnou mechanickou a klimatickou odolnost (např. vůči silnému větru, krupobití, mrazu apod.). Konstrukce solárních panelů jsou značně Obrázek 6: Detail solárního panelu s rozmanité podle druhu použití. Panely jsou elektronikou. (Výstava: Wels, Rakousko.) instalovány zpravidla na jižní (případně JV až JZ) střechy a fasády budov, případně na volnou plochu nebo na technické stavby jako např. protihlukové bariéry.
Přehled zařízení Pro využití elektrické energie ze solárních panelů je potřeba připojit k panelu kromě elektrických spotřebičů další technické prvky – např. akumulátorovou baterii, regulátor dobíjení, napěťový střídač, indikační, zobrazovací, komunikační a měřicí přístroje, případně automatické sledovače Slunce. Sestava fotovoltaických panelů, podpůrných zařízení, spotřebiče a případně dalších prvků se nazývá fotovoltaický (solární) systém. Množství a skladba prvků fotovoltaického systému závisí na druhu aplikace.
Systémy nezávislé na rozvodné síti (gridoff), tzv. ostrovní systémy, jsou instalovány na místech, kde není účelné budovat elektrickou přípojku (náklady na vybudování a provoz přípojky jsou vyšší než náklady na fotovoltaický systém; cca od vzdálenosti k rozvodné síti více než 500 - 1000 m, vždy nutno potvrdit individuálně). Výkony se pohybují v intervalu 1 Wp -10 kWp špičkového výkonu (typicky 50 resp. 100 Wp). Je zde kladen důraz na minimální ztráty Obrázek 7; Schéma zapojeni ostrovního systému energie a na používáni energeticky úsporných spotřebičů. Investiční náklady na ostrovní systémy jsou v rozmezí 30 - 45 000 Kč/m2, což zhruba představuje 270 - 400 Kč/Wp. Systémy nezávislé na rozvodné sítí lze rozdělit na systémy s přímým napájením, systémy s akumulací elektrické energie a hybridní ostrovní systémy. Systémy s přímým napájením se používají tam, kde nevadí, že připojené elektrické zařízení je funkční jenom po dobu dostatečné intenzity slunečního záření. Jedná se pouze o propojení solárního modulu a spotřebiče. Příklad aplikace: čerpání vody pro závlahu, napájení oběhového čerpadla solárního systému pro přípravu teplé užitkové vody, napájení ventilátorů k odvětrání uzavřených prostor nebo nabíjení akumulátorů malých přístrojů - mobilní telefon, svítilna atd. Systémy s akumulací elektrické energie se používají tam, kde potřeba elektřiny nastává i v době bez slunečního záření. Z tohoto důvodu mají tyto ostrovní systémy akumulátorové baterie. Optimální nabíjení a vybíjení akumulátorové baterie je zajištěno regulátorem dobíjení. K ostrovnímu systému lze připojit spotřebiče napájené stejnosměrným proudem (napětí systému bývá zpravidla 12 nebo 24 V) a běžné síťové spotřebiče 230 V/-50 Hz napájené přes napěťový střídač. Příklad aplikace: zdroj elektrické energie pro chaty, penziony a rodinné domy, napájení dopravní signalizace, telekomunikačních zařízení nebo monitorovacích přístrojů v terénu, zahradní svítidla, světelné reklamy, camping a jachting. Hybridní ostrovní systémy se používají tam, kde je nutný celoroční provoz a kde je občas používáno zařízení s vysokým příkonem. V zimních měsících je možné získat z fotovoltaického zdroje podstatně méně elektrické energie než v letních měsících. Proto je nutné tyto systémy navrhovat i na zimní provoz, což má za následek zvýšení instalovaného výkonu systému a podstatné zvýšeni pořizovacích nákladů. Výhodnější alternativou proto je rozšíření systému doplňkovým zdrojem elektřiny, který pokryje potřebu elektrické energie v obdobích s nedostatečným slunečním svitem a při provozu zařízení s vysokým příkonem. Takovým zdrojem může být větrná elektrárna, elektrocentrála, kogenerační jednotka apod.
Přiklad aplikace: rozsáhlejší systémy pro napájeni budov s celoročním provozem. Systémy dodávající energii do rozvodné sítě (grid-on), tzv. síťové fotovoltaické systémy, se nejvíce uplatňují v oblastech s hustou sítí elektrických rozvodů. V případě dostatečného slunečního svitu jsou spotřebiče v budově napájeny vlastní "sluneční" elektrickou energií a případný přebytek je dodáván do veřejné rozvodné sítě. Při nedostatku vlastní energie je elektrická energie z rozvodné šité odebírána. Systémy tohoto typu fungují zcela automaticky díky mikroprocesorovému řízení síťového střídače. Připojeni k síti podléhá schvalovacímu řízení u rozvodných závodů. Špičkový výkon fotovoltaických systémů připojených k rozvodné síti je v rozmezí kWp až desítky MWp. Fotovoltaické panely jsou potom většinou integrovány do obvodového pláště budov. Převážná většina dnes budovaných fotovoltaických zdrojů elektrické energie v průmyslových zemích je připojena k rozvodně síti. V České republice je také již realizováno několik desítek systémů tohoto typu. Příklad aplikace: střechy rodinných domů 1 -10 kWp, fasády a střechy administrativních budov 10 kWp - 1 MWp, Obrázek 8: Schéma zapojeni systému protihlukové bariéry v okolí dálnic, dodávajícího energii do rozvodné sítě fotovoltaické elektrárny, posilovače koncových větví rozvodné sítě. Investiční náklady na síťové systémy jsou v rozmezí 23 - 35 000 Kč/m2, což zhruba představuje 200 - 350 Kč/Wp.
Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování Fotovoltaicky systém pracuje nejlépe pokud je navržen pro skutečné místní podmínky (dimenzování, umístění solárních článků a způsob využití). Pro dimenzování je důležité znát účel, uvažovanou spotřebu (výrobu) elektřiny, typ a provozní hodiny připojených spotřebičů, zda bude systém připojen do sítě či nikoliv, způsob napojení na doplňkový zdroj energie a další vstupní údaje: • počet hodin slunečního svitu a intenzita slunečního záření, která se mění podle znečištění atmosféry (město, venkov, hory), • orientace - ideální je na jih (případně s automatickým natáčením panelů za Sluncem), • sklon panelů - pro celoroční provoz je optimální 45° vzhledem k vodorovné rovině,
• •
množství stínících překážek - je nutný celodenní osvit Sluncem. Z výše uvedených parametrů je možné stanovit množství vyrobené energie z celého systému za rok. Pro podrobnější výpočty existují již počítačové programy, např. firemní programy výrobců.
Přehled nejvýznamnějších systémů v ČR Není-li uvedeno, jedná se vždy o fotovoltaický systém připojený k rozvodné síti. V rámci podpůrného programu Slunce do škol bylo ke konci roku 2002 v přípravě nebo ve fázi realizace 5 fotovoltaických systémů po 20 kWp. Program Slunce do škol je zaměřen na podporu alternativních zdrojů energie a na získání základních zkušeností u mladé generace. Finanční podpora je poskytována pro fotovoltaické systémy připojené k rozvodné síti ve třech velikostech: • systémy FVS200 s výkonem 0,11 kWp a 0,22 kWp jsou určeny pro základní školy a vyšší školy mimo elektro obory, • systémy FVS2001 s výkonem 1,2 kW p jsou určeny pro odborné střední školy (elektrotechnické, stavební apod.), • pro vysoké školy technického zaměření jsou určeny fotovoltaické systémy s výkonem od 3 kWp. Program byl vyhlášen Státním fondem životního prostředí v roce 2000, ale první systémy byly nainstalovány až v roce 2001.
Použitá a doporučená literatura [1] Krieg, B.: Elektřina ze slunce. HEL, Ostrava, 1993. [2] Vaniček, K. a kol.: Popis pole globálního záření na území České republiky v období 1984 -1993. Národní klimatický program České republiky, Praha, 1994. [3] Vaniček, K., Čeněk, J., Reichrt, J.: Sluneční záření na území ČSSR. MLVH ČSR ve spolupráci a DT ČSVTS Pardubice, Pardubice, 1985.
Vydal: EkoWATT, středisko pro obnovitelné zdroje a úspory energie Bubenská 6, 170 00 Praha 7 tel.: +420 266 710 247 fax: +420 266 710 248 e-mail:
[email protected] http://www.ekowatt.cz, www.energetika.cz Autoři textů: Jiří Beranovský, Karel Srdečný, Jan Truxa Spolupráce: Radim Bařinka, František Hrdlička, Evžen Přibyl, Libor Šamánek, Jiří Vašíček, Jaroslav Knápek Grafický návrh: Irena a Saša Mandić Realizace: Helvetica & Tempora, spol. s r. o., Pod Kaštany 8, Praha 6 © EkoWATT, 2002 Podrobnější informace lze získat také v celostátní síti Energetických informačních a konzultačních středisek České energetické agentury (EKIS ČEA), jejichž seznamy jsou uveřejněny např. na internetové adrese http://www.ceacr.cz. Publikace je určena pro poradenskou činnost a byla zpracována v rámci Státního programu na podporu úspor energie a využití obnovitelných zdrojů energie pro rok 2002 -část A. Byla vydána díky laskavé podpoře České energetické agentury a Nadace Partnerství.
