Obnovitelné zdroje energie Větrné elektrárny

tím, že elektrárny jsou dobrým orientačním bodem v krajině a jednak tím, že rotory mohou rušit dravé ptáky.

Přínosy Základním přínosem větrné elektrárny je snížení emisí CO2 a ostatních emisí z výroby elektřiny, jakož i množství souvisejících tuhých a radioaktivních odpadů. Na národní úrovni je důležité i snížení spotřeby fosilních paliv. Větrná elektrárna s výkonem 1 MW ušetří za rok asi 2 200 tun CO2 a vyrobí elektřinu pro zhruba tisícovku domácností.

Ke kolizím rotoru s ptáky a netopýry dochází zpravidla pouze v noci a za mlhy. Přesto nejsou nijak četné a rozhodně nedosahují rozměrů úmrtí na drátech elektrického vedení, silnicích nebo po kolizi s prosklenými plochami staveb. Větrná elektrárna by ovšem neměla nikdy stát v místě migračního tahu. Těmto oblastem se dá vyhnout.

Zajímavý je také rakouský model spolupráce investora s místními obyvateli, používaný při stavbě nových větrných parků. Investor nabídne místním občanům možnost vložit do výstavby své peníze, například formou akcií. Jejich výnos je vyšší než u běžných spořících účtů, ale zato časově omezený (např. po dobu 13 let). Z hlediska ekonomiky projektu je tento finanční zdroj málo důležitý, ale má značný význam z hlediska spolupráce s místní komunitou. Lidé, kteří jsou do projektu tímto způsobem osobně zapojeni, jsou na „svůj“ větrný park velmi hrdi.

Odstup elektráren od zástavby je někdy překvapivě malý (Rakousko). Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Větrné elektrárny a životní prostředí I když jsou větrné elektrárny často symbolem ekologické výroby elektřiny, jsou jim vytýkána i některá negativa. Obvykle neprávem – současné elektrárny jsou mnohem modernější, než byly před deseti lety. Hlučnost současných strojů je poměrně nízká. Elektrárny jsou navíc stavěny v dostatečné vzdálenosti od obydlí. Hluková studie bývá součástí dokumentace nutné ke stavebnímu povolení. U existujících instalací lze provést měření a na jeho základě případně omezit jejich provoz. To se týká jak slyšitelného zvuku, tak infrazvuku. Současné stroje produkují infrazvuk hluboko pod požadavky hygienických předpisů. Přestože je snížení hluku věnována v konstrukci moderních elektráren velká pozornost, může nevhodně umístěná elektrárna působit nepříjemnosti. Malé větrné elektrárny jsou rychloběžné (mají vysoké otáčky rotoru), a mohou být poměrně hlučné.

Elektrárna s vyhlídkovou gondolou láká turisty (Rakousko). Foto: František Macholda, EkoWATT

Obnovitelné zdroje energie Větrné elektrárny

Rušení televizního signálu může nastat. Závisí na pozici televizního vysílače, elektrárny a domů, které mají anténu. Týká se opět jen blízkého okolí elektrárny. Díky tomu, že v ČR je většina lokalit daleko od osídlení, jde o problém spíše teoretický. Pokud k rušení dojde, lze přejít na satelitní příjem.

Elektrárna sama o sobě nepřináší obci, v jejímž katastru se nachází, žádný přímý zisk (pokud není obec jejím majitelem). V ČR proto provozovatelé nabízejí obcím dobrovolný příspěvek v řádu desítek až stovek tisíc Kč ročně za jednu elektrárnu. Přínos pro obec však může být nepřímý – elektrárna je například zajímavý cíl pro cykloturisty nebo odborné exkurze. Zajímavým způsobem vyšli zájemcům vstříc v rakouském městě Bruck an der Leitha poblíž Vídně. Zde je na věži jedné z elektráren vyhlídková terasa.

Narušení krajinného rázu je nejspíše nejproblematičtější. Někomu se elektrárny líbí, někomu ne. V české krajině, kde lze jen s obtížemi najít panorama nerušené stožáry elektrického vedení či vysílači mobilních operátorů, představují větrné elektrárny další, zatím nezvyklý prvek. Paradoxně se u nich někdy dostává do konfliktu požadavek státní ochrany přírody na „nenápadnost“ elektrárny s požadavkem bezpečnosti leteckého provozu na umístění zábleskového zařízení na vrchol stožáru kvůli jeho dobré viditelnosti. Projevuje se i trend zvyšování instalovaného výkonu a tím i velikosti větrných elektráren. Elektráren tak může být v daném místě méně, ale současně budou vyšší a větší, a tím více viditelné. Elektrárny ale mohou také pomoci snížit počet různých stožárů v krajině. Na stožár jedné elektrárny lze umístit několik různých telekomunikačních zařízení (zejména vysílače mobilních operátorů), které bohužel často mají každý svůj vlastní stožár. Díky umístění ve větší výšce mohou pak vysílače pokrýt větší území. Důležité je, že po 20 letech ekonomické životnosti elektrárna nejspíše zmizí a investor i úřady se mohou znova rozhodnout, zda budou chtít stavět na původním místě novou, modernější elektrárnu, nebo ne.

Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Stroboskopický efekt (vrhání pohyblivých stínů, je-li slunce nízko nad obzorem) není v praxi závažný, zejména právě kvůli vzdálenosti instalací od lidských obydlí. Podobně i odraz slunce na lopatkách je díky matným nátěrům již minulostí.

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Rušení zvěře podle praktických zkušeností nenastává. Dokladem jsou ovce a krávy, ale i divoká zvěř pasoucí se v těsné blízkosti elektráren. Podle některých studií se v okolí elektráren zvýšil i počet hnízdících ptáků. Vysvětluje se to jednak

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto na obálce: EkoWATT. Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009.

Montáž větrné elektrárny (ČR). Foto: Jiří Beranovský, EkoWATT

www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

Větrné elektrárny

tak, aby při dodržení určitých parametrů byla návratnost investice 15 let. Pokud má elektrárna ve skutečnosti parametry lepší (např. nižší investiční náklady), vrátí se investice dříve a naopak.

Vítr je jedním z nejdéle využívaných obnovitelných zdrojů v historii lidstva. I dnes ještě pohání lodě. Častěji se však setkáme s větrnými elektrárnami. Vítr totiž lze na elektřinu přeměnit poměrně snadno. Využívání větru tak napomůže splnění národního cíle – pokrýt v roce 2020 z obnovitelných zdrojů 13 % konečné spotřeby energie. Návrh politiky ochrany klimatu zpracovaný MŽP ČR předpokládá, že do roku 2020 může být v ČR vyrobeno z větru 2,6 mil. MWh elektřiny. To je desetkrát více, než se vyrobilo v roce 2008, avšak v celkové bilanci to jsou jen 3 % celkové výroby elektřiny. Zpráva tzv. Pačesovy komise odhaduje potenciál větrné energie v ČR na 6 mil. MWh ročně. Je zřejmé, že větrné elektrárny nebudou v energetice ČR hrát většinovou roli. Přesto jde o významný potenciál čisté energie, který by bylo škoda nevyužít. Jde i o cestu ke snížení emisí CO2 a zvýšení energetické soběstačnosti.

EU celkem Německo Španělsko Itálie Francie Velká Británie Dánsko Portugalsko Nizozemsko Švédsko Irsko Rakousko Řecko Polsko Belgie Bulharsko Česká republika Finsko Maďarsko Estonsko Lucembursko Litva Lotyšsko Rumunsko Slovensko

I  když se v  ČR větrné elektrárny staví od devadesátých let, větší zájem vidíme až v posledních letech. Zájem investorů stoupnul po přijetí zákona o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů (v roce 2005), který investorům garantuje ekonomickou návratnost do 15 let. I když v minulosti existovaly různé dotační programy, ve skutečnosti byla většina českých elektráren postavena bez dotace. Díky výkupním cenám může mít větrná elektrárna přijatelnou návratnost i bez dalších podpor. Výkupní cena je nastavena

64 898 MW 23 903 16 740 3 736 3 404 3 241 3 180 2 862 2 225 1 021 1 002 995 985 472 384 158 150 143 127 78 35 27 27 10 3

Instalovaný výkon větrných elektráren koncem roku 2008 v evropských zemích. Zdroj: EWEA

Pro výrobu elektřiny je nejdůležitějším parametrem rychlost větru. Energie větru totiž roste se třetí mocninou rychlosti, takže např. vítr o rychlosti 5 m/s má dvakrát více energie než při rychlosti 4 m/s. Problémem je ale i příliš vysoká rychlost větru – při rychlosti kolem 20 m/s je obvykle nutno elektrárnu zastavit (zabrzdit vrtuli), aby nedošlo k havárii. Plného (jmenovitého) výkonu dosahuje elektrárna při rychlostech větru kolem 10, někdy až 15 m/s – podle typu a výrobce. Takto silný vítr fouká jen zřídka, elektrárna tedy většinu provozní doby běží na nižší výkon. Vítr je brzděn stromy, budovami a terénními nerovnostmi, ale i povrchem terénu (tráva, les, vodní hladina, sníh...). Platí tedy, že ve větších výškách je rychlost větru vyšší. Rychlost větru roste logaritmicky s výškou nad terénem. Je tedy velký rozdíl mezi rychlostí větru ve výšce 10 m a 100 m nad terénem. To je důvod, proč se staví stále vyšší elektrárny (běžně má stožár výšku 80 až 110 m). Trendem je výstavba stále větších strojů (běžně o průměru rotoru 80 až 100 metrů a výkonu 2 až 3 MW). Důvodem jsou nižší měrné náklady na výrobu energie a maximální využití lokalit, kterých je omezený počet. Na moři (poblíž pobřeží) se využívají turbíny s výkonem až 5 MW. Naopak starší vnitrozemské elektrárny s výkony do 200 kW se demontují a nahrazují silnějšími, i když jsou ještě provozuschopné. V ČR se však tyto repasované stroje nepoužívají, protože nemají nárok na výhodné výkupní ceny (ty platí pouze pro větrné elektrárny, které nejsou starší než 2 roky). Lze se setkat s tvrzením, že větrné elektrárny potřebují záložní zdroje, které budou dodávat proud do sítě v době, kdy vítr nefouká. Ve skutečnosti je v ČR z hlediska větrných elektráren současná kapacita záložních zdrojů více než dostatečná. Ke konci roku 2009 činil instalovaný výkon větrných elektráren 193 MW. Instalovaný

instalovaný výkon [MW]

180 135 90

Elektrárny zásobující českou polární stanici v Antarktidě. Foto: Kamil Láska

ticky úspornými spotřebiči. Autonomní systémy bývají často doplněny fotovoltaickými panely pro letní období, kdy je méně větru, ale více sluníčka. Elektrárna s vyhlídkovou plošinou láká turisty. Foto: EkoWATT

výkon všech zdrojů v ČR je 18 323 MW, tedy téměř stonásobek. Elektrická soustava ČR zvládá bez problémů náhodný výpadek 1 000 MW jednoho z bloků jaderné elektrárny Temelín, zvládla by tedy jistě stejně dobře nahradit i stejně velký výkon větrných elektráren – které ovšem nikdy nevypnou všechny najednou. Elektrárna uvedená do provozu po 1. 1. 2010 po 1. 1. 2009 po 1. 1. 2008 po 1. 1. 2007 po 1. 1. 2006 po 1. 1. 2005 po 1. 1. 2004 před 1. 1. 2004

Výkupní cena elektřiny do sítě Kč/kWh 2,23 2,39 2,61 2,68 2,73 2,99 3,14 3,48

Zelené bonusy Kč/kWh 1,83 1,99 2,21 2,28 2,33 2,59 2,74 3,08

Omezení Obvykle platí, že stavba větrné elektrárny má smysl tam, kde je průměrná roční rychlost větru ve výšce 100 m nad terénem minimálně kolem 6 m/s. To jsou lokality převážně ve vyšších nadmořských výškách, obvykle nad 500 m n. m. Mnoho lokalit s dostatečnou rychlostí větru ovšem leží v území, kde jsou i jiné zájmy, zejména ochrana přírody. Jinde je možno dostat se do konfliktu s požadavky na letecký provoz apod. Dalším problémem může být výstavba elektrického vedení mezi elektrárnou a místem připojení k síti. U větrných elektráren s výkonem nad 500 kW nebo se stožárem vyšším než 35 m je nutné provést tzv. zjišťovací řízení  podle zákona o EIA. V rámci tohoto řízení úřad rozhodne, zda uloží provést úplné posouzení vlivu na životní prostředí (tzv. „velká EIA“). To je obvykle vyžadováno u každého projektu. Hodnocen je především vliv na krajinný ráz, ptactvo a hlučnost.

Výkupní ceny za elektřinu z větrných elektráren pro rok 2010. Zdroj: ERÚ

45

09

08

20

07

20

06

05

20

04

20

03

20

02

20

01

20

00

20

99

20

20

98

19

97

19

96

95

19

94

19

19

19

19

93

0

Až na výjimky jsou větrné elektrárny připojeny do rozvodné sítě a  slouží pro komerční výrobu elektřiny. K zefektivnění provozu a snížení nákladů na projektování a výstavbu se velké elektrárny sdružují do skupin (obvykle 5 až 30 elektráren), tzv. větrných farem.

Graf instalovaného výkonu větrných elektráren v ČR. Zdroj: EkoWATT

Podmínky

Větrné elektrárny nejsou jediným prvkem, který narušuje krajinný ráz (ČR). Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Česká republika jako vnitrozemský stát nemá pro využití větru příliš dobré podmínky. Současné technologie, vyvinuté pro vnitrozemské elektrárny, si však umí dobře poradit i s kolísavou rychlostí větru, relativně častou změnou směru i námrazami.

Výsledné pole průměrné rychlosti větru v m/s ve výšce 100 m. Zdroj: ÚFA AV ČR

Systémy nezávislé na rozvodné síti (tzv. ostrovní systémy) obvykle používají mikroelektrárny s výkonem od 0,1 do 5 kW. Součástí ostrovního systému jsou i akumulátory a řídící elektronika. V objektu pak může být buď rozvod stejnosměrného proudu s nízkým napětím (12 nebo 24 V), nebo je v systému zapojen ještě střídač pro dodávku střídavého proudu 200 V. Podle toho je nutno objekt vybavit energe-

Větrný park Bruck an der Leitha (Rakousko). Foto: EkoWATT

Samozřejmostí by mělo být dostatečné odsávání a filtrace vzduchu z prostor, kde se tvoří zápach (vstupní a zpracovatelské prostory, jímky digestátu a další). Již při návrhu bioplynové stanice je třeba problém se zápachem řešit. Pokud jsou zjištěny problémy během zkušebního provozu, lze navrhnout další opatření, např. hermetické uzavření skladovacích jímek, doplnění biofiltru do větracího zařízení některých provozů atd.

Obnovitelné zdroje energie Bioplynové stanice

Pokud dojde k obtěžování obyvatelstva zápachem během provozu, může Česká inspekce životního prostředí a další kontrolní orgány nařídit opatření k nápravě, popřípadě provoz úplně zastavit! Problému se zápachem je nicméně třeba předejít stanovením jasných podmínek provozování, které se uvedou do provozního řádu v průběhu povolovacího procesu. Naprostá většina bioplynových stanic problémy se zápachem nemá, protože jsou správně navrženy a provozovány. Série kogeneračních jednotek spalujících bioplyn. Foto: Jiří Beranovský, EkoWATT

Problémy bioplynových stanic Nejčastějším problémem je zápach, který může mít různé příčiny. Zřídka je zdrojem zápachu vlastní unikající bioplyn. Častěji jde o zápach z nedostatečně rozložené biomasy. Pokud je biomasa ve fermentoru kratší dobu, výsledný digestát silně zapáchá. Správná doba zpracování se mění podle použitých surovin, je tedy potřeba pečlivě sledovat složení vstupní biomasy. Podle konkrétní technologie a místních podmínek je třeba nakládat i s digestátem, přičemž tyto podmínky by měly být vyřešeny již při návrhu bioplynové stanice. Pokud je digestát použit jako hnojivo, je třeba ho během roku skladovat. Doba, kdy je možno hnojit pole organickým hnojivem je totiž omezená. Dále je nutné, aby zpracovávaná surovina odpovídala dané technologii. Nejde jen o vlastní fermentační cyklus, ale o dopravu a skladování vstupní suroviny. Problematické jsou v tomto případě zejména jateční a podobné odpady, kde je třeba zajistit dostatečnou hygienu provozu.

Drcená kůra jako pachový filtr pro skladovaný digestát. Foto: František Macholda, EkoWATT

Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Dostatečně zpracovaný digestát nezapáchá. Foto: Jan Truxa, EkoWATT

Rozmělňovací zařízení na trávu, která se přidává do bioplynového reaktoru. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto na obálce: EkoWATT. Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009. www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

V bioplynové stanici se biomasa zahřívá na provozní teplotu ve vzduchotěsném reaktoru, kde zůstává pevně stanovenou dobu zdržení (většinou experimentálně ověřenou). Optimální teplotní pásma jsou vázána na různé kmeny bakterií.

Bioplynové stanice Biomasa je hmota, která na Zemi vzniká díky slunečnímu záření a fotosyntéze. Biomasu lze rozdělit na „suchou“ a „mokrou“. Pokud biomasa obsahuje příliš mnoho vody, nehodí se pro spalování. Mokrá biomasa, jako hnůj, kejda a další zemědělské a potravinářské odpady, vytříděný komunální bioodpad, případně některé plodiny jako kukuřice, lze dobře využít v bioplynových stanicích.

Zbytky z  procesu, tzv. digestát, lze většinou použít jako hnojivo. Při hnojení je samozřejmě nutné dodržovat příslušné předpisy, například zákaz hnojení v pásu 3 m od vodního toku. Pokud digestát nelze jako hnojivo použít, je nutné zlikvidovat jej pode zákona o odpadech.

Bioplynová technologie se již léta využívá v mnoha čistírnách odpadních vod. Získané teplo se z velké části používá pro čistící proces, elektřina se buď prodává do sítě, nebo slouží také pro vlastní provoz čističky. Získávání energie z biomasy nepřispívá ke globálním změnám klimatu. Při spalování biomasy se uvolňuje pouze CO2, které bylo rostlinami pohlceno při jejich předchozím růstu. Jde tedy o uzavřený cyklus. Spalování bioplynu dokonce skleníkový efekt snižuje, neboť spalovaný metan, který by při neřízeném vyhnívání unikl do ovzduší, má ještě 20krát vyšší vliv na skleníkový efekt, než CO2. Bioplyn vzniká při rozkladu organických látek (hnůj, zelené rostliny, kal z čističek) v uzavřených nádržích bez přístupu kyslíku. 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.

Ekonomika provozu Původní, primární funkcí bioplynových zařízení bylo snížit množství problematických odpadů, jako je kejda nebo tekuté komunální odpady. V současnosti, díky výhodným výkupním cenám elektřiny z bioplynu už může být ekonomická stránka hlavním důvodem k výstavbě bioplynové stanice. Bioplynová stanice zpracovávající kukuřici. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

V zemědělství se v největší míře využívá kejda (tekuté a pevné výkaly hospodářských zvířat promísené s vodou), případně slamnatý hnůj. V menší míře se zpracovává sláma, tráva, stonky kukuřice, bramborová nať. Zelené rostliny se obecně obtížněji zpracovávají – bioplynový reaktor musí nahradit rozklad, který by jinak proběhl v kravském žaludku. Bioplynový potenciál v hnoji závisí na obsahu sušiny a na složení a strávení potravy. V současnosti se nicméně v zemědělských bioplynových stanicích stále více prosazuje zpracování zelených rostlin (kukuřice atd.), kdy je ve vstupech kejdy málo (také proto, že klesá stav hospodářských zvířat).

Výkupní cena elektřiny do sítě Kč/kWh

Zelené bonusy Kč/kWh

bioplynové stanice, využívající cíleně pěstované plodiny, primárně určené k energetickému využití, bez dalšího zpracování

4,12

3,15

bioplynové stanice, využívající zemědělské a potravinářské odpady, dále kejdu, hnůj apod., dále trávu z veřejné zeleně, zbytky z kuchyní a další

3,55

2,58

Druh technologie

doucnu rozhodne třeba místo kukuřice pro bioplynovou stanici pěstovat obilí, což provozovateli bioplynové stanice způsobí potíže. Při návrhu nových stanic se někdy přeceňuje množství dostupné biomasy, například množství bioodpadu z  vytříděného komunálního odpadu. Změna ceny nebo kvality vstupní suroviny pak může ohrozit ekonomiku investice. Pokud bioplynová stanice prodává teplo, je třeba správně stanovit cenu tepla pro konečného odběratele. Pokud se na začátku odebírané množství tepla odhadne příliš vysoko a ve skutečnosti bude odběr menší, povede to ke zdražení tepla a následně dalšímu snižování odběru či odpojování uživatelů. Na realizaci bioplynových stanic je možno využít dotace z Operačního programu Životní prostředí (prioritní osy 3 a 4) a Programu rozvoje venkova.

Výroba elektřiny Bioplyn osahuje cca 55–70 objemových procent metanu, výhřevnost se proto pohybuje od 19,6 do 25,1 MJ/m3 (tj. asi o třetinu menší výhřevnost oproti zemnímu plynu). Bioplyn se pak spaluje v kogeneračních jednotkách. Nejčastěji jde o upravené pístové motory, které pohánějí asynchronní generátor. Část vyrobené elektřiny se může spotřebovat pro vlastní provoz, zbytek se dodává do sítě. Individuálně je třeba posoudit, zda není výhodnější dodávat do sítě veškerou produkci elektřiny a proud pro vlastní technologii nakupovat zvlášť. Kogenerační jednotky s pístovými motory přemění na elektřinu 30 až 40 % energie obsažené v bioplynu, asi polovina spotřeby bioplynu připadne na teplo. Výstupem je topná voda s teplotou až 90 °C, výjimečně i vyšší. Celková účinnost bioplynových stanic je při využití tepla přes 80 %.

Výkupní ceny za elektřinu z bioplynu pro rok 2010. Zdroj: ERÚ. Podrobná specifikace druhů biomasy viz vyhláška č. 482/2005 Sb. Pro dříve zprovozněná zařízení mohou platit jiné výkupní ceny.

Při návrhu bioplynové stanice je vhodné zohlednit i vznikající teplo. Pokud ho nelze smysluplně využít, zhoršuje se energetická i ekonomická efektivita zařízení. To je značné omezení – v zemědělských areálech a jinde, kde vzniká vhodná biomasa, lze často zužitkovat jen malou část vznikajícího tepla. Vybudovat teplovod k nejbližší obci je nákladné. Opačné řešení – vybudovat bioplynovou stanici poblíž obytných domů a biomasu dovážet, se setkává s obavami a odporem místních obyvatel. Současné výkupní ceny elektřiny z bioplynu jsou však natolik výhodné, že některé současné projekty s prodejem tepla vůbec nepočítají. Teplo, které nelze využít pro vlastní provoz bioplynové stanice (zahřívání fermentoru), se zčásti využije třeba pro dosoušení obilí, dřeva atd., z části se vypustí do ovzduší. Schéma bioplynové stanice, kontinuální systém. Zdroj: EkoWATT 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 jednotka, 11 – dmychadlo, 12 – elektřina z kogenerační jednotky

Bioplynová stanice jako součást kravína. Foto: Jiří Beranovský, EkoWATT

To, že velké projekty jsou relativně levnější, vede někdy investory ke snaze vybudovat obří zařízení s  výkonem stovek kW, pro které bude nutno svážet biomasu z velkého území. V praxi se pak může stát, že externí dodavatel biomasy se v bu-

Pístový motor v kogenerační jednotce s výkonem 250 kW. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

kdy je vyšší cena (MVE pracuje na vyšší výkon) a mimo špičku, kdy je cena nižší, výkon MVE snížit. Je-li MVE například součástí průmyslového areálu, je obvykle výhodnější elektřinu spotřebovat na místě a uplatnit tzv. zelené bonusy. Ty vyplácí lokální distributor elektřiny (ČEZ, E.ON), stejně jako výkupní ceny. Zelené bonusy lze uplatnit i v případě, že majitel MVE vyrobenou elektřinu spotřebuje v jiném svém objektu, musí však zaplatit za distribuci elektřiny veřejnou sítí. Existuje i možnost prodat elektřinu z MVE třetí osobě.

Obnovitelné zdroje energie Malé vodní elektrárny

Kč/kWh Výkupní cena elektřiny do sítě Zelené bonusy VT NT celodenní VT NT MVE uvedená celodenní do provozu po 1. 1. 2010 3,000 3,800 2,600 2,030 2,450 1,805 po 1. 1. 2008 2,760 3,800 2,240 1,790 2,450 1,445 po 1. 1. 2006 2,600 3,800 2,000 1,630 2,450 1,205 po 1. 1. 2005 2,350 3,470 1,790 1,380 2,120 0,995 před 1. 1. 2005 1,830 2,700 1,400 0,860 1,350 0,605 Výkupní ceny za elektřinu z MVE pro r. 2010. Zdroj: ERÚ

Až do roku 2013 by měly být k  dispozici peníze z  fondů EU. Podnikatelským subjektům je určen program EKO-ENERGIE, spravovaný agenturou Czechinvest (www.czechinvest.org). Obce a neziskové subjekty mohou využít Operační program Životní prostředí (www.opzp.cz).

Turbína s generátorem na přivaděči v úpravně pitné vody nahradí škrticí armatury. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Roční odtoková závislost a výkon dosažený v průběhu roku. Zdroj: EkoWATT

Ekonomika provozu Elektřinu z MVE je možno dodávat do sítě. Výkupní ceny předepisuje Energetický regulační úřad (www.eru.cz) pro každý rok zvlášť. Zákonem je garantováno, že tato cena se nezmění po dobu 30 let od uvedení MVE do provozu (resp. od její rekonstrukce). U průtokových MVE lze dodávat do sítě celý den za jednotnou cenu. Tam, kde je možné vodu zadržet, je výhodnější dodávku rozdělit na špičku,

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Obnova zastaralé technologie MVE sníží ztráty a zvýší produkci. Foto Karel Srdečný, EkoWATT Moderní strojovna MVE. Foto: Miroslav Veselovský

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto na obálce: EkoWATT (1, 3), Martin Eršil (2). Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009. www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

Legislativa provozu

Malé vodní elektrárny Využití vodní energie má u nás dlouhou tradici. Ještě v roce 1930 bylo v tehdejším Československu evidováno téměř 17 tisíc elektráren, mlýnů, pil, hamrů a dalších zařízení využívajících vodní energii. V  padesátých letech minulého století byla však většina z nich cíleně zlikvidována, protože představovala konkurenci centrálně řízenému socialistickému hospodářství. Počátkem osmdesátých let bylo v ČR pouze asi 135 malých vodních elektráren (MVE), během deseti let vzrostl tento počet zhruba na 900. V roce 2009 je v ČR evidováno 1354 malých vodních elektráren s výkonem do 1 MW. V ČR se za malou vodní elektrárnu (MVE) považují zařízení s výkonem do 10 MW, v EU pod 5 MW. Z celkové produkce elektřiny v ČR se v roce 2008 vyrobilo 2,8 % ve vodních elektrárnách, tj. 2,4 mil. MWh. Z  toho připadá asi čtvrtina na MVE s  instalovaným výkonem do 1 MW a zhruba stejné množství na MVE s výkonem od 1 do 10 MW. Technicky využitelný potenciál toků, využitelný v  MVE, je odhadován na 1,4 mld. kWh/rok. Dnes se využívají asi dvě třetiny tohoto potenciálu. Nevyužitý potenciál v MVE činí zhruba 30 %, tj. asi 500 mil. kWh/rok. V současnosti by tedy mělo existovat několik tisíc lokalit, vhodných k výstavbě MVE – na místech dnes zaniklých zařízení. Zásadním problémem je však ekonomika. Vodní díla – jezy, náhony, přivaděče – jsou dnes často zcela zničené. Jejich vybudování je velmi nákladné a často i administrativně složité. Přesto může mít smysl – původní díla obvykle maximálně využívala vodní potenciál daného toku. Bývá tedy výhodné dodržovat původní délky přivaděčů, výšku jezu atd. Omezením je také ochrana přírody – ne všude jde MVE obnovovat.

Výběr vhodných lokalit a zásady pro dimenzování

Pro provoz MVE je nutno získat licenci pro podnikání v energetice (živnostenský list se nevydává). Pokud nemá provozovatel vzdělání v oboru, je nutno absolvovat rekvalifikační kurz (pro MVE do 1 MW).

Výstavba velkých vodních elektráren přináší výrazný zásah do životního prostředí (přehradní hráze, zatopené oblasti, změna vodního režimu). Potenciál pro jejich stavbu už je u nás v zásadě vyčerpán. Naproti tomu MVE lze stále stavět. Další cestou je instalace moderních a účinnějších turbín a soustrojí ve stávajících MVE. Leckdy zde totiž fungují stroje staré kolem 100 let. To sice svědčí o fortelnosti práce našich předků, moderní technologie by ovšem umožnily využít vodní potenciál efektivněji (produkce může být až o několik desítek procent vyšší).

Současný vodní zákon a další předpisy vyžadují, aby provozovatel MVE zachovával tzv. minimální zůstatkový průtok v toku. To znamená, že se nikdy nesmí veškerá voda použít pro turbínu, ale část je nutno nechat protékat původním tokem, např. přes jez. Zůstatkový průtok se stanovuje obvykle jako množství vody, které protéká korytem nejméně 355 dní v roce, u menších toků dokonce 330 dní. Průtok stanovuje vodoprávní úřad individuálně pro každou MVE zvlášť. Někteří provozovatelé tento průtok nedodržují, aby zvýšili výrobu elektřiny. Nedodržování minimálního průtoku může být pokutováno nebo dokonce sankcionováno odebráním povolení pro nakládání s vodami, což znamená konec provozu MVE. Rybí přechod (vlevo) umožní překonat i větší spády. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Tím, že jsou MVE rozptýleny po celé republice, snižují se ztráty v rozvodech – elektřinu není třeba daleko přenášet. To snižuje zatížení přenosové soustavy. Případný výpadek některé z elektráren je z hlediska sítě, na rozdíl od výpadku velkého centrálního zdroje, nevýznamný.

Rozhodujícími ukazateli k ohodnocení konkrétní lokality (pro využití hydroenergetického potenciálu) jsou dva základní parametry – využitelný spád a průtočné množství vody v daném profilu, který chceme využít. Kromě toho jsou důležité i následující parametry: • •

MVE se obvykle dimenzují na 90-ti až 180-ti denní průměrný průtok, podle technické úrovně technologie – zejména schopnosti turbíny přizpůsobit se regulací změnám průtoku. Tento průtok je nutno vždy snížit o předepsaný zůstatkový průtok.

• • •

Obnova MVE v historických lokalitách nemusí mít jen energetický význam. Zajímavým příkladem je elektrárna v Písku, která funguje jako muzeum a informační centrum, a tak zvyšuje turistickou atraktivitu města. Obnova starého vodního díla na malém toku může vhodně podpořit jeho revitalizaci a zvýšit lokální biodiverzitu. Při povolovacím řízení ke stavbě MVE je vyžadováno zpracování biologického hodnocení.

• Rybí přechod formou biokoridoru. Foto Edvard Sequens

Dále je nutné zabránit vnikání ryb do turbíny, k tomu slouží jemné česle (mezera mezi pruty česlí může být široká max. 2 cm). Dále se používá elektronický odpuzovač na vtoku do náhonu.

• •

možnost umístění vhodné technologie, vhodné geologické podmínky a dostupnost lokality pro těžké mechanismy, případně vhodnost pro vybudování potřebné zpevněné komunikace, vzdálenost od elektrorozvodné sítě s dostatečnou kapacitou, minimalizace možného rušení obyvatel hlukem, jinak je nutno provést odhlučnění, míra zásahu do okolní přírody a vhodné začlenění do reliéfu lokality, předepsáno stavebním úřadem či urbanistou, zátěž při výstavbě elektrárny, zátěž budováním přípojky, ohrožení vodních živočichů, dodržování odběru sjednaného množství vody – využitím spolehlivého automatického řízení v souvislosti s hladinovou regulací se vyloučí nevhodný vliv obsluhy MVE, způsob odstraňování naplavenin vytažených z vody – je nutno zajistit odvoz a likvidaci zachycených naplavenin dle zákona o odpadech majetkoprávní vztahy k pozemku – vlastnictví či dlouhodobý pronájem pozemku, postoj místních úřadů.

Často se zdůrazňuje, že MVE okysličují vodu, a tak zvyšují její samočistící schopnost. Je třeba zdůraznit, že voda se okysličuje jen v některých turbínách (Peltonova, Bánkiho). U jiných naopak může docházet ke snížení obsahu vzduchu ve vodě. Významným prvkem pro okysličení vody je jez, kde se voda provzdušňuje při přepadu. Aby ovšem jez mohl vodu okysličovat, musí přes něj protékat voda. I proto je důležité dodržovat předepsaný minimální průtok. Vodu mohou okysličovat i některé typy rybích přechodů. Další povinností provozovatelů MVE je odstraňování naplavenin vytažených z vody. Listí, dřevo, plastové lahve a předměty zachycené na česlích je zakázáno pouštět zpět do toku.

Malá vodní elektrárna Hněvkovice s výkonem 9,6 MW. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Rekonstruovaná MVE v Písku funguje jako muzeum. Foto Karel Srdečný, EkoWATT

Rybí přechod. Foto Edvard Sequens

V současnosti se při stavbě nebo rekonstrukci MVE obvykle vyžaduje vybudování tzv. rybích přechodů. Je důležité, aby MVE nevytvořila na toku překážku nepřekonatelnou pro vodní živočichy. Rybí přechod znamená zvýšení nákladů na stavbu i údržbu MVE.

Nově vybudovaná elektrárna MVE. Foto: Miroslav Veselovský

systém ústředního vytápění odebírá teplo podle potřeby. Při vhodně nadimenzovaném systému vystačí během jarních či podzimních dní teplo v nádrži vytápět dům dva až tři dny, takže není nutno denně roztápět kotel. Pro období mimo topnou sezónu lze instalovat solární systém, který vodu ohřeje bez nutnosti roztápět kotel. Jinou možností je použít automatický kotel na dřevní nebo rostlinné peletky, případně obilí. Tyto kotle mají dobrou regulaci výkonu, akumulační nádrž tedy není nezbytná. Díky zásobníku paliva není potřeba přikládat i několik dní. Tyto kotle spalují biomasu přímo, mají tedy o něco horší účinnost než zplyňovací kotle na kusové dřevo.

Pro obce může být systém centrálního zásobování teplem z biomasy velmi zajímavou alternativou k plynofikaci. Atraktivní je i díky možnosti získat dotace na výstavbu. Nevýhodou jsou obvykle vyšší náklady, zejména systém rozvodů stavbu prodražuje. Tyto investiční náklady se promítají do konečné ceny tepla, což může vést k odpojování uživatelů. Při nižším než plánovaném odběru tepla se zhoršuje ekonomika výtopny.

Obnovitelné zdroje energie Využívání pevné biomasy

Kotle na štěpku se vyrábějí ve větších výkonových řadách a jsou také dražší. Spíše než pro rodinné domky se hodí pro větší objekty, používají se také v centrálních výtopnách.

Méně kvalitní obilí vlastní produkce se používá pro vytápění farmy. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Podpora lokálních ekonomik Energie z biomasy má ještě další výhodu: peníze, které by jinak odplynuly do kapes energetických gigantů, zůstanou v regionu. Palivové dříví (natož sláma) se až na výjimky nevyplatí převážet moc daleko. Zpracování paliva přináší také pracovní příležitosti na venkově. Dobře to pochopili třeba rakouští sedláci, kteří mají kromě polí i kus lesa. Několik takových dohromady postaví ve své obci výtopnu, do které vozí štěpku ze svých lesů. Nejen že se tak zbaví nekvalitního dřeva a dřevního odpadu, ale ještě navíc ho prodají ve formě tepla, a tedy s vyšším ziskem. Rakouští politikové to podporují legislativou i dotacemi, protože kromě ekologických přínosů v tom vidí cestu ke zvýšení energetické nezávislosti své země i k rozvoji venkova. V ČR existuje již mnoho projektů, které ukázaly praktické možnosti využití biomasy. Díky různým dotačním titulům je místní využití biomasy stále zajímavější.

Podobně se v rodinných domcích nesetkáme s kotli na slámu. Toto palivo vyžaduje speciální zařízení, které se nevyplácí vyrábět jako malý kotel.

Centrální výtopna nebo lokální kotle? Méně kvalitní biomasa (sláma, štěpky, dřevní odpad) vyžaduje speciální kotle, hodí se tedy pro velká zařízení. Například v obci může být centrální kotelna, z níž se potrubím rozvádí topná voda k jednotlivým objektům. Každý z nich má samostatnou výměníkovou stanici, která umožňuje individuální regulaci i měření spotřeby odebrané energie. Odběratelé napojení na kotelnu získají zdroj, který po nich nevyžaduje žádnou obsluhu, žádnou práci s přípravou paliva, vynášením popela atd. Komfort je tedy stejný jako při elektrickém nebo plynovém vytápění. Tento komfort však může přinést i komplikace: spotřeba tepla v domě se téměř vždy zvýší (zejména nebude-li regulace snižovat teplotu v noci), občanům vzrostou náklady na vytápění (např. hnědé uhlí je stále jedním z nejlevnějších paliv, i když je pracné a špinavé). Ztráty tepla v rozvodech by měla vyvážit nižší cena paliva a účinné spalování s kontrolovanými emisemi. Díky vyššímu komínu spalovny je lepší i rozptyl emisí.

Výtopna na dřevo doplněná solárním systémem pro letní provoz (Rakousko) Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Individuální kotel pro každý dům Centrální obecní výtopna volba kotle a paliva je individuální jeden kotel, jedno palivo kdo nechce, nemusí topit biomasou nezájem způsobí krach projektu zodpovědnost za provoz si nese každý sám zajištění provozu stojí čas a peníze spálí se kde co kontrola spalování, lepší emise údržba a reinvestice se hradí z privátních zdrojů zdroj si musí vydělat na provoz a obnovu úspory z provozu zvyšují bohatství obyvatel zisk z provozu vylepšuje obecní rozpočet produkuje se jen teplo lze získat teplo i elektřinu Srovnání individuálního kotle a centrální výtopny. Zdroj: EkoWATT

www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Spalovací zařízení Pro rodinné domky jsou k dispozici kotle na kusové dřevo nebo brikety, se zplyňováním paliva. Tato zařízení dokáží spalovat i menší podíl pilin a drobného dřevního odpadu. Výhodou je vysoká účinnost (80 až 90 %) a lepší emise. Populární krbové vložky nebo interiérová kamna spalují dřevo přímo. Důsledkem je horší účinnost (70 až 80%) a nutnost ručně přikládat a regulovat výkon. Některé krbové vložky mají teplovodní vložku, takže část výkonu lze použít pro ústřední vytápění. Problémem je však poměr výkonu: většina zařízení předává asi 2⁄3 výkonu do místnosti a jen ½ až 1⁄3 výkonu do ústředního topení. Výkon pak nemusí stačit pro vytopení ostatních místností v domě. Navíc je potřeba topit v místnosti s krbem, i když v ní nikdo není, jen proto, aby bylo teplo např. v ložnici a koupelně. Krbovou vložku proto nelze doporučit jako jediný a hlavní zdroj tepla v rodinném domě. Obvykle je výhodné doplnit do systému ústředního vytápění akumulační nádrž. Výhodou je to, že výkon kotle není třeba regulovat – po zatopení kotel pracuje na optimální výkon, s nejvyšší účinností a nejlepšími emisemi. Teplo je ukládáno do nádrže, z níž si

Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Kamna na dřevo v pasivním domě. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Elektrárna spalující dřevní odpad (Rakousko) Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto na obálce: EkoWATT (1, 2), Tereza Klinkerová (3). Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009. www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

Vliv vlhkosti na výhřevnost biomasy

Využívání pevné biomasy Energetické využití pevné biomasy je poměrně tradiční technologií – pálit dřevo dokázal i jeskynní člověk. Díky několika tisíciletím pokroku máme k dispozici i další způsoby. Pevná biomasa je pouze částí biomasy – hmoty, která na Zemi vzniká díky slunečnímu záření a fotosyntéze. Pro energetické účely se využívá buď dřevo, nebo cíleně pěstované rostliny. Zásadní výhodou je, že biomasa slouží jako akumulátor energie a lze ji poměrně jednoduše a dlouhodobě skladovat. Z hektaru pole získáme hmotu s energetickým obsahem 40 až 90 MWh, podle typu plodiny. To je méně než 1 % slunečního záření, které na tuto plochu za rok dopadne. Získávání energie z biomasy nepůsobí zesilování skleníkového efektu a nepřispívá tak ke globálním změnám klimatu. Rostliny při svém růstu pohlcují ze vzduchu CO2, který se pak při jejich spalování opět uvolní. Jde tedy o uzavřený cyklus. Spalování bioplynu dokonce skleníkový efekt snižuje, neboť metan (který by při neřízeném rozkladu odumřelých rostlin unikl do ovzduší) se spálením přeměňuje na vodu a CO2, které z hlediska skleníkového efektu nejsou tak nebezpečné. 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 hořlavých uhlovodíků – celulózy, hemicelulózy a ligninu). Výhřevnost silně závisí na obsahu vody.

Přímé 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, zejména při pálení dřeva v kotlích na uhlí. Vždy platí, že biomasu je třeba spalovat jen v kotli určeném pro daný typ paliva. Vyžaduje to i zákon o ochraně ovzduší. Například při spalování dřeva v kotli na uhlí je účinnost nízká, protože dřevo hoří delším plamenem než uhlí, takže teplosměnné plochy jsou menší a část tepla uniká do komína bez užitku. Podle typu paliva je třeba konstruovat i topeniště, aby hoření bylo co nejdokonalejší. Kromě vyšší účinnosti to má vliv i na množství emisí. Špatně seřízený kotel v rodinném domku je někdy velkým zdrojem škodlivin.

Peletky pro automatické kotle. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Centrální výtopna na dřevní štěpku. Foto: EkoWATT

Spalování se zplyňováním Při zahřívání 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 a vyšší účinnost. Dřevoplyn lze použít i pro výrobu elektřiny. Dřevoplyn se spaluje v upraveném pístovém motoru, který pohání generátor. Kvalita dřevoplynu závisí na vstupní surovině a ovlivňuje životnost motoru. Motor vyžaduje dobře vyčištěný dřevoplyn, bez vody a tuhých látek, což je obtížné zajistit. Kvůli relativně malé výhřevnosti dřevoplynu se tato technologie nehodí pro dynamický odběr, není tedy vhodná pro ostrovní provoz. Při návrhu je třeba zvážit možnost využití „odpadního“ tepla – jednak kvůli celkové energetické efektivitě, a jednak kvůli ekonomice provozu.

Kotel na dřevo může nahradit zastaralý kotel na uhlí. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Pěstování biomasy pro energetické účely

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.

Pokud bychom chtěli nahradit hnědé uhlí např. cíleně pěstovanými rychlerostoucími dřevinami, získáme z  hektaru energetický ekvivalent 6,5 až 9,5 tuny uhlí. Takovéto množství by stačilo pro roční vytápění nezatepleného rodinného domku. Pokud bychom tuto biomasu spálili v konvenční tepelné elektrárně, získáme zhruba 10 tis. kWh, což odpovídá spotřebě asi tří domácností.

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 %.

Druh energetické plodiny je určován mnoha faktory: druhem půd, způsobem využití a účelem, možností sklizně a dopravy, druhovou skladbou v okolí. Předem se musí porovnat náklady na pěstování a na výrobu (spotřebu energie) a výnosu (zisku) energie.

Jednotka plm

Název plnometr = m3

prm

prostorový metr = m3 p. o. (tedy „prostorového objemu“)

prms

prostorový metr sypaný

Význam krychle o hraně 1 m vyplněná dřevem bez mezer, 1 m3 skutečné dřevní hmoty („bez děr“) 1 prm = krychle o hraně 1 m vyplněná 0,6 až 0,7 plm částečně dřevem s mezerami, čili 1 m3 složeného dřeva štípaného nebo neštípaného („s dírami“), např. dřevo v lese složené do „metrů“ 1 prms = 1 m3 volně loženého sypaného cca 0,4 plm (nezhutňovaného) drobného nebo drceného dřeva

Z bylin jsou zajímavé rostliny produkující cukr, škrob nebo olej. Například brambory, cukrová řepa, slunečnice a zejména řepka (řepkový olej se zpracovává na naftu a mazadla, řepková sláma se použije ke spálení). Řepková sláma má vyšší výhřevnost 15–17,5 GJ/t oproti obilné slámě, u které počítáme s výhřevností 14,0–14,4 GJ/t.

Přepočet

Jednotky a termíny pro objemové značení dřevní hmoty. V praxi používaný výraz „kubík“ většinou znamená plm. Zdroj: EkoWATT

Skladování biomasy vyžaduje práci a prostor. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Z  víceletých rostlin je známá křídlatka sachalinská (Reynoutria sachalinensis Nakai), která dosahuje vysokých výnosů 30–40 t sušiny z hektaru. Velmi diskutovanou energetickou rostlinou je sloní tráva (Miscanthus sinensis). Výhodné je pěstování konopí 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 hektaru. Konopí je jednoletá rostlina, ale na stanovišti vydrží, pokud se vysemení, mnoho let (odtud např. Konopiště).

Využívání biomasy přináší pracovní místa. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Druh paliva

Listnaté dřevo Jehličnaté dřevo Borovice Vrba Olše Habr Akát Dub Jedle Jasan Buk Smrk Bříza Modřín Topol Dřevní štěpka Sláma obilovin Sláma kukuřice Lněné stonky Sláma řepky

Obsah vody

Výhřevnost

[%]

[MJ/kg]

15 15 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 30 10 10 10 10

14,605 15,584 18,4 16,9 16,7 16,7 16,3 15,9 15,9 15,7 15,5 15,3 15,0 15,0 12,9 12,18 15,49 14,40 16,90 16,00

Výhřevnost biomasy. Zdroj: EkoWATT

Měrné hmotnosti [kg/m3]=[kg/ [kg/prm] [kg/prms] plm] 678 475 278 486 340 199 517 362 212

685

480

281

670 455

469 319

275 187

Plodina/termín

Výhřevnost Vlhkost Výnos [t/ha] [MJ/kg] [%] min. prům. opt. Sláma obilovin (VII-X) 14 15 3 4 5 Sláma řepka (VII) 13,5 17–18 4 5 6 Energetická fytomasa – orná půda (X-XI) 14,5 18 15 20 25 Rychlerostoucí dřeviny – zem. půda 12 25–30 8 10 12 (XII-II) Energetické seno – zem. půda (VI;IX) 12 15 2 5 8 Energetické seno – horské louky (VI;IX) 12 15 2 3 4 Rychlerostoucí dřeviny – antropogenní 12 25–30 8 10 12 půda (XII-II) Jednoleté rostliny – antropogenní půda 14,5 18 15 17,5 20 (X-XI) Energetické rostliny – antropogenní 15 18 15 20 25 půda (X-XII) Orientační klíčová čísla pro výhřevnost, výnosy, dobu sklizně a sklizňovou vlhkost energetické fytomasy. Zdroj: VÚRV

120 100 140 100

210 (balíky) (balíky) (balíky) (balíky)

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 plantáže je 15–20 let. Speciální vyšlechtěné klony mají výtěžnost až 15–18 t sušiny na hektar, v našich podmínkách se dosahuje roční výtěžnosti 10 t/ha. Je však třeba respektovat zákon 114/92 Sb. o ochraně přírody a krajiny (cizí rostliny a dřeviny).

Druh biomasy Syrovátka Cukrová třtina Cukrová řepa Brambory Dřevo Melasa Pšenice Kukuřice Žito Triticale

Průměrná spotřeba na výrobu 100 l bioetanolu 4 000 l 1 181 kg 932 kg 1 211 kg 385 kg 360 kg 260 kg 268 kg 241 kg 251 kg

Obnovitelné zdroje energie Tekutá biopaliva

Spotřeba surovin na výrobu bioetanolu. Zdroj: VÚZT Praha

Výhodou použití etanolu je jeho ekologická čistota a antidetonační vlastnosti. Nedostatkem etanolu jako paliva je schopnost vázat vodu a působit korozi motoru, což lze odstranit přidáním antikorozních přípravků.

Kogenerace Biopaliva se primárně používají v dopravě, kde je ovšem nízká účinnost využití (motor má účinnost 25 až 35 %). V principu je lze použít také pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla v kogeneračních jednotkách a získaným teplem vytápět obytnou, administrativní či jinou budovu. Výhodou je využití tepla, které v automobilech odchází do vzduchu. Tím se výrazně zvýší celková účinnost využití paliva, až na 90 %. Existují stacionární motory speciálně určené pro spalování olejů, případně lze stacionární motory upravit pro spalování biopaliv podobně jako automobilové motory. V roce 2009 je výkupní cena elektřiny z biopaliv 3,46 Kč/kWh. Pokud je současně efektivně využito teplo, může být provoz zejména v zemědělských provozech zajímavý.

Dodatečně montovaná nádrž na rostlinný olej v traktoru. Foto: Pavel Hasík

Vliv na životní prostředí Rostoucí poptávka po biopalivech v celosvětovém měřítku je jednou z příčin, která vede ke zvětšování zemědělských ploch na úkor pralesů. To je v přímém rozporu se snahou o snižování emisí CO2, neboť prales pohlcuje mnohonásobně více CO2 než pole s cukrovou třtinou nebo sójou. Tyto změny jsou nevratné a vedou k vážným ztrátám biodiverzity. Produkce biopaliv je samozřejmě spojena i s dalšími dopady na životní prostředí – zejména se spotřebou vody, umělých hnojiv a pohonných hmot, a tedy nepřímo i s emisemi CO2. Proto také Evropská unie vyžaduje splnění určitých kritérií udržitelnosti pro biopaliva dodávaná na trh. Důsledná kontrola by měla tyto problémy zcela odstranit. Poptávka po biopalivech je také jedním z  faktorů, které zvyšují cenu potravin, avšak málo významným. Zásadně větší roli hrají výkyvy cen na burzách, rostoucí světová populace, rostoucí spotřeba masa, růst cen ropy nebo neúroda v některých oblastech.

Malý lis na rostlinný olej. Foto: europecon, s. r. o.

Vzhledem k rozporuplným informacím o environmentálním přínosu biopaliv se vede vážná debata i na půdě Evropské unie, a to především kvůli přijatému závazku dosáhnout do roku 2020 10% podíl biopaliv z celkové spotřeby paliv v dopravě v každé členské zemi (v roce 2010 má tento podíl podle platné směrnice dosáhnout 5,75 %). Jako řešení se navrhuje přijetí kritérií udržitelnosti biopaliv – prokazatelný domácí (evropský) původ biopaliva a minimálně o 35 % (od roku 2015 o 50 %) nižší emise CO2 během celého životního cyklu biopaliva ve srovnání s ropnými produkty. V našich podmínkách platí, že produkce biopaliv již v současnosti nabízí zemědělcům výhodnou alternativu k produkci potravin, kterých je v ČR i EU nadbytek. Pokud jsou dodrženy tzv. osevní postupy, není ohrožena ani kvalita půdy. Produkce biopaliv může být také jednou z cest k dosažení energetické soběstačnosti farem nebo malých obcí.

Z hlediska snahy o snižování emisí CO2 je rozhodující energetická náročnost výroby biopaliv. Nejnáročnější je z tohoto hlediska výroba bioetanolu, nejméně náročná je výroba rostlinného oleje. Různé studie se při odhadu energetické náročnosti výrazně liší. Uvádí se, že na jeden kilometr jízdy se u biopaliv první generace uspoří 20 až 50 % fosilní energie a emisí CO2.

Malá kogenerační jednotka pro vytápění a výrobu elektřiny pro rodinný dům, kde je palivem rostlinný olej. Foto: Jiří Beranovský, EkoWATT

Z  tohoto hlediska jsou důležitá již zmíněná biopaliva druhé generace, vyráběná z rostlinných zbytků – ze slámy, odpadního dřeva atd. Zavedení této technologie do běžné výroby je očekáváno s velkou nadějí. Biologicky rozložitelná část odpadů, které dnes končí na skládkách, by pak našla efektivní využití. U biopaliv druhé generace je úspora emisí CO2 oproti fosilním palivům až 80 %.

Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Technologie výroby bionafty z řepky. Foto: Jiří Beranovský, EkoWATT

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto na obálce: Pavel Hasík (1), EkoWATT. Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009. www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

Tekutá biopaliva Většina obnovitelných zdrojů se využívá pro získávání tepla nebo elektřiny. Tekutá biopaliva jsou (vedle obnovitelné elektřiny pro elektromobily a pohon vlaků, tramvají apod.) jednou z mála možností, jak obnovitelné zdroje využít v dopravě. Doprava je přitom významným spotřebitelem energie a spotřeba v tomto sektoru neustále stoupá. To je i jedna z příčin, proč je globální snižování emisí CO2 tak obtížné – nárůst emisí v dopravě do značné míry pohltí to, co se v jiných sektorech ušetří. Významnou výhodou biopaliv (nejen tekutých) je to, že slouží současně jako akumulátor energie, neboť je lze poměrně jednoduše a dlouhodobě skladovat. To se o teplu nebo elektřině říci nedá.

Druhy biopaliv Biopaliva se rozlišují podle způsobu získávání vstupní suroviny na biopaliva první a druhé generace. Do první generace patří paliva vyráběná z cíleně pěstovaných plodin. Může jít o etanol z obilí, bionafu a rostlinné oleje z řepky, slunečnice a jiných zemědělských plodin. Biopaliva druhé generace se vyrábí z nepotravinářských surovin, například ze slámy, dřeva a dřevních odpadů, papíru aj. Jejich produkce tedy nevyžaduje zemědělskou půdu, která by se mohla využít pro pěstování potravin. Energie pro získání vstupní suroviny je nižší. Vyžadují však náročnější technologii, proto se teprve začínají rozšiřovat. Tekutá biopaliva první generace lze rozdělit na tři druhy: Bionafta

Rostlinné oleje

Bioetanol

Bionafta

[mil. t CO2 eq]

Vstupní surovinou pro výrobu bionafty je olej, který se získává lisováním většinou řepkového semene, lze ale použít i jiné olejnaté plodiny, např. slunečnici, sóju. Použít se dá i upotřebený fritovací olej, palmový olej nebo jiné rostlinné oleje. Působením katalyzátoru a  vysoké teploty se řepkový olej mění na metylester řepkového oleje (MEŘO). 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. Cenu snižuje také osvobození biosložky od spotřební daně. Tyto produkty 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.

Bionafta se u nás do motorové nafty přimíchává od roku 2007. V roce 2009 se tento podíl zvýšil na 4,5 % (z původních 2 % v roce 2007). Cílem je, aby do roku 2020 nahradila v EU biopaliva 10 % fosilních pohonných hmot.

Rostlinné oleje Rostlinné oleje lze spalovat v  upravených dieselových motorech přímo. Oproti výrobě bionafty tak odpadá proces esterifikace. Zásadní nevýhodou je, že motor je třeba pro splování oleje upravit. Úprava spočívá především v doplnění tepelného výměníku, kde se olej zahřeje na cca 80 °C, aby tak klesla jeho viskozita a olej mohl vstoupit do vstřikovacícho čerpadla motoru. Upravené automobily startují na ropnou naftu a teprve po zahřátí motoru se přepne na provoz s olejem. Před ukončením jízdy je nutno opět přepnout na naftu, aby olej nezůstal ve vstřikovacím čerpadle. Existují i systémy, kde se nafta nepoužívá vůbec a olej je ohříván elektricky. U některých motorů se doporučuje míchat olej s naftou nebo bionaftou, aby se snížila viskozita.

Termo-chemická přeměna Bio-chemická přeměna Mechanickochemická přeměna

pyrolýza (produkce plynu, oleje) zplyňování (produkce plynu) fermentace, alkoholové kvašení (produkce etanolu) anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (produkce bioplynu) lisování olejů (produkce kapalných paliv, oleje) esterifikace surových bio-olejů (výroba bionafty a přírodních maziv) štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv)

Emise motoru provozovaného na olej mohou být vyšší i nižší než při provozu na naftu, záleží na typu motoru. Pouze emise polyaromatických uhlovodíků jsou vždy nižší. Nižší jsou samozřejmě i emise CO2.

Pro výrobu olejnatých biopaliv se nejčastěji používá řepka. Foto: Monika Kašparová, EkoWATT

Využití rostlinných olejů jako paliva však naráží na přístup výrobců motorů vozidel, kteří pro své motory doporučují provoz pouze s naftou (s podílem MEŘO do 5 %) nebo s bionaftou (podíl MEŘO 30 %). Podle silničního zákona lze vozidlo provozovat jen s pohonnými hmotami předepsanými výrobcem, palivo musí vyhovovat příslušným normám. Z tohoto pohledu je provoz většiny automobilů na olej problematický. Rostlinný olej Výhřevnost [MJ/l] Viskozita při 20 °C [mm2/s] Viskozita při 70°C [mm2/s] Obsah síry [%]

Malá továrna na bionaftu (Německo). Foto: Jiří Beranovský, EkoWATT

Výhodou bionafty je, že se dá bez problémů míchat s ropnou naftou. Při nízkém podílu bionafty není třeba upravovat motory vozidel. Bionafta při provozu vozidla snižuje kouřivost a motor má nižší emise. Při úniku je mnohem méně nebezpečná pro životní prostředí, mnohem lépe se biologicky odbourává. Pro využití bionafty rovněž není třeba budovat speciální čerpací stanice.

Kukuřice je oblíbenou plodinou pro výrobu bioetanolu. Foto: iStockphoto

Z hlediska provozovatele vozidla je důležitým Tankovací stojan na rostlinný olej. důvodem přechodu na olej jeho nižší cena Foto: EkoWATT oproti motorové naftě. Od 1. 7. 2009 jsou rostlinné oleje pro pohon motorů osvobozeny od spotřební daně, která je u nafty 9,95 Kč/l. Náklady na přestavbu osobního automobilu jsou běžně do 30 tis. Kč. Při rozdílu ceny 8 až 10 Kč/l je návratnost přestavby okolo 40 až 60 tis. km. Pro zemědělce a  větší spotřebitele pohonných hmot může být zajímavá výroba oleje pro vlastní potřebu. Z hektaru řepky lze získat asi 1 200 litrů oleje. Jako palivo lze použít i upotřebený fritovací olej z restaurací. Vždy je však důležité, aby olej byl dobře přefiltrován a neobsahoval vodu.

Emise CO2 v ČR. Zdroj: Eurostat

Z energetického hlediska lze energii z biomasy získávat téměř výhradně termo-chemickou přeměnou, tedy spalováním. Výhřevnost paliva je dána množstvím tzv. hořlaviny (tj. organická část bez vody a popelovin, směs hořlavých uhlovodíků – celulózy, hemicelulózy a ligninu). U biopaliv nejde nikdy o přímé spalování biomasy, ale o spalování kapalných produktů jejího zpracování. Spalovat lze i plynné produkty (bioplyn). S jeho použitím v dopravě a zemědělství se experimentovalo, ale nyní se bioplyn používá výhradně ve stacionárních zdrojích.

Výkon motoru se přechodem na olej mění jen málo nebo vůbec, taktéž i jeho spotřeba. Nutno je však častěji měnit motorový olej, jinak hrozí poškození motoru. Palivový olej totiž proniká do motorového oleje a zhoršuje jeho vlastnosti. Krátce po přestavbě vozidla na olej se také doporučuje vyměnit palivový filtr, protože olej rozpouští usazeniny z nádrže a palivového systému.

35,1 78,7 7 < 0,001

Bionafta (MEŘO) 32,7 19 5 < 0,02

Nafta 35,9 3,08 3,2 < 0,035

Srovnání paliv. Zdroj: europecon, s. r. o.

Bioetanol Schéma motoru s provozem na rostlinný olej a naftu. Zdroj: Biom.cz

Bioetanol (biolíh) lze získat z mnoha zemědělských plodin: z obilí, brambor, cukrové řepy, kukuřice a dalších. Čím více sacharidů nebo škrobu rostlina obsahuje, tím je

výnos etanolu vyšší. Etanol lze získat i ze slámy a dalších rostlinných zbytků, dřeva a celulózových odpadů, dokonce i ze starého papíru. Výhodou je, že jejich výroba nekonkuruje produkci potravin a nezvyšuje jejich ceny. Etanol se získává destilací zkvašených cukernatých roztoků. Kvašením se glukóza rozkládá na etanol a CO2. Cukernaté plodiny se kvasí přímo, v případě škrobnatých plodin (brambory) je nutno škroby nejprve enzymaticky rozložit na cukry a vodu. Při použití lignocelulózových surovin (dřevo, sláma, papír), je enzymatický rozklad technologicky složitější, a zatím poměrně drahý. Teoreticky lze z 1 kg cukru získat 0,65 l čistého etanolu. V praxi je však energetická výtěžnost 90 až 95 %, u lignocelulózových surovin ještě výrazně nižší. Fermentace cukrů může probíhat pouze v mokrém (na vodu bohatém) prostředí. Vzniklý alkohol je nakonec oddělen destilací a následně se musí zbavit vody a dalších příměsí. Z jednoho hektaru obilí lze v podmínkách ČR získat asi 1 600 l etanolu. Etanol se používá jako palivo pro benzínové motory. Nepoužívá se čistý, ale ve směsi s benzínem. V současnosti se lze setkat s palivem označovaným jako E85, které tvoří směs 85 % bioetanolu a 15 % benzínu. V ČR jej nabízí jen málo čerpacích stanic, v jiných zemích EU je rozšířen více , běžný je ve Švédsku. Na trhu jsou automobily vyrobené speciálně pro pohon směsí bioetanolu a benzínu (s podílem bioetanolu do 85 %). Tyto automobily lze provozovat i na čistý benzín. Jindy lze naopak motor upravit tak, že spaluje pouze čistý etanol, což se v minulosti používalo třeba v Brazílii. Pokud je podíl etanolu v benzínu malý, motor žádné úpravy nepotřebuje. V současnosti se v ČR podle zákona do benzínu přimíchává 3,5 % bioetanolu. Palivo E85 je v ČR o málo levnější než benzín, avšak při změně sazby spotřební daně může být výrazně levnější. Je ale třeba počítat s  tím, že vozidla s  tímto palivem mají vyšší spotřebu kvůli nižšímu energetickému obsahu bioetanolu oproti benzínu.

Obnovitelné zdroje energie Fotovoltaická zařízení

Schéma zapojení systému dodávajícímu energii do rozvodné sítě. Zdroj: EkoWATT

Samostatné (ostrovní) systémy Fotovoltaiku lze využít i tam, kde jsou náklady na vybudování a provoz elektrické přípojky vysoké nebo zřízení přípojky není možné. Může jít o chatu, jachtu nebo obytný automobilový přívěs, kde díky fotovoltaickým panelům získáme komfort elektrického osvětlení, chladničky a dalších spotřebičů. Setkat se můžeme i s fotovoltaikou napájeným veřejným osvětlením, nouzovými telefonními budkami u dálnic, výstražnou dopravní signalizací nebo parkovacími automaty. Takové zařízení lze kdykoli snadno přemístit, bez nutnosti rozkopávat chodník pro napojení k síti. U připojených spotřebičů se pak klade důraz na nízkou spotřebu energie – čím menší spotřeba, tím menší a levnější je i fotovoltaický systém. Pro toto použití nabízí trh nejrůznější spotřebiče konstruované na stejnosměrný proud, od zářivek, přes chladničky, televize až třeba po vodní čerpadla.

Schéma zapojení ostrovního systému. Zdroj: EkoWATT

Ekonomika fotovoltaických zařízení Ekonomika závisí na způsobu provozu. U větších zařízení je třeba zvážit i náklady na obsluhu, pojištění a údržbu. U malých systémů na rodinném domku se tyto náklady leckdy zanedbávají.

Fotovoltaická elektrárna na budově Ministerstva životního prostředí. Foto: Jakub Kašpar, MŽP

Elektřinu je možno dodávat do sítě. Výkupní ceny předepisuje Energetický regulační úřad (www.eru.cz) pro každý rok zvlášť. Zákonem je garantováno, že tato cena se nezmění po dobu 20 let od uvedení do provozu. Pokud se elektřina spotřebuje v domě (ev. ji výrobce prodá třetí osobě), může dostat tzv. zelené bonusy. Při ceně elektřiny pro domácnost okolo 4,50 Kč/kWh je druhý způsob výnosnější – celková suma je v součtu vyšší než přímá výkupní cena. Elektrárna uvedená do provozu po 1. 1. 2010, do 30 kW po 1. 1. 2010, nad 30 kW

Výkupní cena elektřiny do sítě [Kč/kWh] 12,25 12,15

Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Zelené bonusy [Kč/kWh] 11,28 11,18

Výkupní ceny elektřiny z fotovoltatiky pro rok 2010. Pro dříve zprovozněné systémy platí ceny jiné. Zdroj: ERÚ Elektrárna na svahu bývalé skládky komunálních odpadů. Foto: Karel Murtinger, EkoWATT

Fotovoltaika na rodinném domku. Foto: Atrea

Je zřejmé, že pro dosažení národního cíle pokrýt v roce 2010 nejméně 8 % spotřeby elektřiny z obnovitelných zdrojů solární elektrárny výrazně nepřispějí. To se ovšem týká jen nejbližší budoucnosti. Ceny fotovoltaiky neustále klesají a vyvíjejí se nové technologie, které umožní přeměňovat sluneční paprsky na elektřinu stále levněji. Vzhledem k tomu, že slunečního záření je dost a dost, může být ve vzdálenější budoucnosti fotovoltaika jedním z rozhodujících energetických zdrojů.

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto na obálce: EkoWATT. Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009. www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

Sluneční záření je zdrojem většiny energie, kterou máme k dispozici. Energie, která dopadá na území ČR je mnohonásobně vyšší, než je veškerá naše spotřeba paliv a energií. Fotovoltaické panely se v kosmickém průmyslu využívají přes padesát let. Výrobní cena této technologie neustále klesá. Za posledních 30 let klesly náklady na kilowatthodinu vyrobenou z fotovoltaiky téměř desetkrát. Naproti tomu cena elektřiny ze sítě v této době několikanásobně vzrostla. Předpokládá se, že v roce 2030 bude elektřina z fotovoltaiky stejně drahá jako z konvenčních zdrojů.

Energie vložená do výroby fotovoltaických panelů je v našich podmínkách těmito panely získána zpět zhruba během dvou let, přitom předpokládaná životnost je minimálně 20 let. Monokrystalický běžná účinnost 14–17 %

max. laboratorní účinnost 25 %

Panel z článků z monokrystalického křemíku

krystalický Polykrystalický

Typy panelů Doposud všechny fotovoltaické systémy pracují na bázi křemíku. Vyvíjejí se zařízení na bázi organických polymerů, nanostruktur a další. Komerčně dostupné křemíkové články můžeme rozdělit na tři druhy:

běžná účinnost 13–16 %

Články z monokrystalického křemíku jsou vývojově nejstarším typem s nejvyšší účinností. Typickým poznávacím znakem je to, že panely jsou složeny ze čtvercových článků s kulatými rohy (to je dáno výrobní technologií, kdy se destičky řežou z válcové tyče křemíku. Články z polykrystalického křemíku mají o něco horší účinnost, ale nižší cenu díky tomu, že nevyžadují tak čistý křemík jako monokrystalické články. Panely jsou složeny z destiček čtvercového tvaru s jasně viditelnou kontaktní mřížkou.

Pro zvýšení výnosu se někdy používají natáčecí systémy. Zařízení sleduje pohyb slunce po obloze, takže na panely dopadá energie vždy kolmo. Natáčecí nosná konstrukce (tracker) je však dražší a náročnější na údržbu. Existuje i systém s jednoosým natáčením, kde je tracker konstrukčně jednodušší. Může být doplněn také zrcadlem, které odráží sluneční paprsky na fotovoltaické panely, a tím dále zvyšuje výnosy.

max. laboratorní účinnost

Odhad produkce fotovoltaického panelu. Zdroj: EkoWATT

3401 - 3500 3501 - 3600 3601 - 3700 3701 - 3800 3801 - 3900 3901 - 4000 4001 - 4100

Fotovoltaika jako stínící prvek. Foto: Petr Kotek, EkoWATT

20 %

Panel z článků z polykrystalického křemíku

Amorfní

Panely z amorfního tenkovrstvého křemíku mají zhruba poloviční účinnost oproti monokrystalickým článkům. Spotřeba materiálu je mnohonásobně nižší než u předchozích technologgií, což snižuje cenu. Další výhodou je možnost aplikace na ohebné materiály, zejména střešní fólie. Panely jsou na pohled tvořeny jednolitou tmavou plochou, s nevýraznou kontaktní mřížkou.

Průměrné roční sumy globálního záření v MJ/m2. Zdroj: ČHMÚ

běžná účinnost 5–7 %

Výkon článků závisí pochopitelně na okamžitém slunečním záření. Proto se udává jejich výkon jako tzv. špičkový, tedy při dopadajícím záření s intenzitou 1 000 W/m2 při definovaném spektru. Článek s účinností 17 % má při ploše 1 m2 špičkový (peak) výkon 170 Wp.

max. laboratorní účinnost

Systémy připojené k síti

Systém s jednoosým natáčením a zrcadlem. Foto: Vladislav Poulek

12 %

Fotovoltaika v budovách  Panel z amorfního křemíku Účinnost jednotlivých typů fotovoltaických článků. Zdroj EkoWATT

Stavba elektráren

Kapesní nabíječka tužkových akumulátorů. Foto: EkoWATT

Solárním elektrárnám je někdy vytýkáno, že zabírají zemědělskou půdu. Často se staví skutečně doslova na zelené louce. V současnosti se však zdá, že zemědělské půdy je v EU přebytek, a solární elektrárny tak spíše tuto půdu konzervují pro budoucí využití. Nosná konstrukce panelů nevyžaduje velké základy, takže se v budoucnu dá poměrně snadno odstranit. Mnoho elektráren žádné pevné spojení s terénem ani nemá, konstrukce je jen zatížena betonovými patkami či panely, aby ji neodnesl vítr. Stále častěji se pro solární elektrárny využívají tzv. brownfields. Zde je výhodou snadné připojení k síti a často i další infrastruktura.

kWh / m2

Fotovoltaická zařízení

Plocha potřebná pro daný výkon fotovoltaické elektrárny závisí na účinnosti panelů, u krystalických je to 6 až 8 m2 na kW, u amorfních asi dvojnásobek. U elektráren na ploché střeše nebo na terénu, kde je nutno dát panely na nosné konstrukce v několika řadách, je nutno ponechat odstup mezi jednotlivými řadami panelů. Tím vzroste požadavek na zábor plochy na dvoj- až trojnásobek.

Významnou výhodou fotovoltaiky je to, že ji lze začlenit do budov, takže není nutno zabírat další plochu. Podmínkou je vhodná orientace a tvar budovy a vstřícný přístup architekta a památkářů. Integrace do fasády není příliš vhodná. Na jižní svislou plochu dopadá asi o 30 % slunečního záření méně než na skloněnou plochu. Protože účinnost panelů klesá s jejich teplotou, je také nutno zajistit dostatečné odvětrání fotovoltaické fasády. To může narušit tepelnou izolaci stěny domu. Stejný problém nastává při integraci panelů do střešní krytiny. Zajímavou alternativou jsou pásy střešní krytiny s integrovanou fotovoltaikou z amorfního křemíku. Na plochých střechách nejsou vidět, nenarušují vzhled budovy a díky nízké hmotnosti ani nepřitěžují střechu. Nehodí se však příliš na členité střechy nebo tam, kde jsou na střeše komínky, větrací šachta a jiné prostupy.

Fasáda z fotovoltaických panelů. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Na území ČR dopadá 900 až 1 100 kWh/m2 sluneční energie za rok. Fotovoltaický systém s instalovaným výkonem 1 kWp je schopen v podmínkách ČR dodat ročně 800–1 000 kWh elektrické energie. Při nevhodné orientaci nebo zastínění to může být výrazně méně.

Kromě velkých elektráren dodává do sítě i většina menších systémů na rodinných domcích. Pokud je systém na budově, je výhodnější spotřebovat část produkce pro vlastní potřebu. Pokud slunce svítí a v budově je odběr, vyrobená elektřina se ihned spotřebovává a provozovatel budovy tak ušetří za elektřinu, kterou by jinak musel nakoupit ze sítě. V noci a vždy, když je spotřeba větší než okamžitá dodávka z fotovoltaické elektrárny, budova normálně odebírá proud ze sítě za běžné ceny. Pokud naopak slunce svítí a v budově není odběr, dodává se elektřina do sítě. Za veškerou elektřinu, kterou systém vyrobí (pro vlastní potřebu i dodanou do sítě) získá provozovatel zelené bonusy. Je to obvykle výhodnější, než prodávat veškerou elektřinu do sítě za výkupní cenu. Součástí systému je vždy střídač, který přemění stejnosměrný proud z fotovoltaického článku na střídavý. Jeho životnost je obvykle kratší než u zbytku systému, a je tedy nutno počítat s reinvesticí. Systémy připojené k síti fungují zcela automaticky díky mikroprocesorovému řízení. Připojení k síti podléhá schvalovacímu řízení u distributora elektřiny (ČEZ, E.ON, PRE) a je nutné dodržet dané technické parametry.

Topný faktor tepelného čerpadla Protože geotermální energie na území ČR poskytuje jen nízkopotenciální teplo, je často potřeba použít tepelné čerpadlo. To dokáže přečerpat teplo z nižší teplotní hladiny (např. 10 °C z vrtu) na vyšší teplotu, např. 45 °C, kterou už lze použít třeba pro vytápění budov. Podle fyzikálních zákonů k tomu potřebuje další energii, nejčastěji elektřinu. Elektřina pohání motor kompresoru tepelného čerpadla a je nutná i pro pohon oběhových čerpadel a dalších zařízení. Z čerpací studny se čerpá teplá pozemní voda a po ochlazení vypouští do vsakovací studny. Zdroj: EkoWATT

Aby bylo možno vodu využívat, nesmí být příliš mineralizovaná, aby nezanášela výměník tepelného čerpadla. Je tedy nutný chemický rozbor. Vydatnost vrtu je nutné ověřit dlouhodobou čerpací zkouškou. V praxi se jen zřídka vyskytne dostatečně vydatný zdroj podzemní vody poblíž vytápěného objektu. Pokud je třeba provést vrt pro čerpání podzemní vody, je nezbytné provést odborný hydrogeologický průzkum. Na jeho základě lze získat od vodoprávního úřadu (součást krajských úřadů) povolení k provedení vrtu a povolení k čerpání a vypouštění podzemních vod. Může se pochopitelně stát, že úřad vrt nepovolí, například kvůli riziku ohrožení zdrojů pitné vody. Čerpání vody pro účely ochlazení v TČ zpoplatněno není. Výkon odebíraný z vody (chladicí výkon) kW 3 5 8 10

kW 4,0 6,7 10,7 13,3

Obnovitelné zdroje energie Geotermální energie a tepelná čerpadla

Princip TČ je stejný jako u chladničky, která odebírá teplo potravinám a předává jej zadní stranou chladničky do místnosti. Podobně i TČ využívá nízkopotenciálního tepla zdroje k odpaření chladicí kapaliny. Tato pára je poté kompresorem stlačena a díky dodané práci dochází k uvolnění tepla o vyšší teplotě, které je předáno topnému médiu. Z hlediska vlivu na životní prostředí i ekonomiky provozu je klíčové zjistit, kolik elektřiny tepelné čerpadlo ke svému chodu potřebuje a kolik tepla dodá. To se vyjadřuje topným faktorem. Čím je vyšší, tím účinněji tepelné čerpadlo pracuje, a tím menší má dopad na životní prostředí. Srovnání emisí CO2 tepelného čerpadla s dalšími zdroji. Emise TČ odpovídají emisím z konvenční výroby elektřiny po-

Topný faktor ε = Q/E

třebné pro pohon TČ, vč. ztrát při přenosu. Zdroj: EkoWATT

Q = teplo dodané do vytápění [kWh] E = energie pro pohon TČ [kWh]

Tepelný Tepelný Průtok vody Průtok vody výkon TČ výkon TČ s topným při ochlazení o 4 K při ochlazení o 6 K s topným faktorem 3,0 faktorem 4,0 kW 4,5 7,5 12,0 15,0

Na výši topného faktoru má vliv nejen vstupní teplota (např. z vrtu), ale i výstupní (topná voda do topení). Zatímco vstupní teplota závisí na přírodních podmínkách, výstupní teplotu může uživatel ovlivnit. Ekonomicky výhodné je provozovat vytápěcí systém s co nejnižší teplotou. Typicky může jít o podlahové topení, kde stačí teplota do systému okolo 35 °C. U vytápění s radiátory je nutná teplota 50 °C i vyšší, což topný faktor tepelného čerpadla zhorší a až dvojnásobně zvýší provozní náklady.

litr/min m3/hod litr/min m3/hod 11 0,6 7 0,4 18 1,1 12 0,7 29 1,7 19 1,1 36 2,2 24 1,4

Potřebná vydatnost zdroje podzemní vody. Zdroj: EkoWATT

Toky energií pro elektrické tepelné čerpadlo. Zdroj: EkoWATT

Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo může být, vedle uvedených geotermálních zdrojů, také okolní venkovní vzduch, odpadní vzduch odváděný z budovy nebo povrchová voda v říčním toku nebo rybníku. Každý z těchto zdrojů vyžaduje trochu jinou technologii a má i odlišné vlastnosti a možnosti využití.

Topný faktor tepelných čerpadel využívající geotermální energii z vrtů je obvykle vyšší než 4 a v příznivých případech dosahuje až hodnoty 6. Naproti tomu například tepelná čerpadla ochlazující venkovní vzduch mají topný faktor obvykle nižší než 4, někdy dokonce jen 2.

Srovnáním emisí CO2 (viz graf) je zřejmé, že tepelné čerpadlo s celoročním topným faktorem 3 je na úrovni kotle na hnědé uhlí; při použití TČ s topným faktorem okolo 5 klesnou emise z produkce elektřiny na úroveň srovnatelnou s  plynovým kotlem. Použití kotle na uhlí ovšem znamená na lokální úrovni výrazně horší emise ostatních znečišťujících látek (oxidů síry, dusíku a další), zejména když je kotel špatně seřízený. Nemluvě o emisích při nezákonném spalování odpadků v takovémto kotli. Z tohoto hlediska je použití TČ vždy přínosné.

Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto a obrázek na obálce: Marek Bláha (1), EkoWATT (2), ZOO Ústí nad Labem (3). Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009. www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

Geotermální energie Geotermální energie je jeden z mála obnovitelných zdrojů, který nemá původ ve sluneční energii. Jde o teplo z hlubin Země, které proniká na povrch. Nejznámějším příkladem jsou geotermální prameny, hojně využívané na Islandu. Z hlediska využití se rozlišují čtyři kategorie: • • • •

energie z hydrotermálních zdrojů vysoké teploty (>130 °C) pro výrobu elektrické energie, energie tepla hornin („suché zemské teplo“) vysoké teploty (>130 °C) pro výrobu elektrické energie, energie z hydrotermálních zdrojů vyšší teploty (<130  °C) pro výrobu tepla, geotermální energie pro nízkoteplotní systémy (tepelná čerpadla).

Průměrný tepelný tok (množství tepla, které projde jednotkovou plochou na zemském povrchu) na Zemi je 60 +/- 10 mW/m2. Lokality s nejvyšší hustotou zemského tepla v ČR mají až 90 mW/m2 (např. Ostravsko, okolí obce Boží Dar v Krušných horách).

tlakem z gejzírů a horkých pramenů. Lze je ale stavět i jinde – vrty pak dosahují hloubky až 5 km, kde je teplota 150 až 180 °C. Hydrotermální zdroje, kde se využívá přímo podzemní voda, vyžadují specifické geologické podmínky. Nevyskytuje-li se v hloubi vrtu voda, musí být vháněna pod tlakem do sousedního vrtu (metoda Hot-dry-rock nebo Fractured-dry-rock). Vrt přebírá úlohu kotle používaného v běžné elektrárně. Voda se ohřívá o horkou horninu a vzniklá pára pohání turbíny, které vyrábí elektřinu. V ČR se připravuje stavba geotermální teplárny v Litoměřicích, kde se pracuje na provedení tří vrtů s hloubkou 4 až 5 km. Instalovaný elektrický výkon bude asi 5 MW, tepelný výkon použitý pro městskou teplárenskou síť bude 47 MW. Kromě Litoměřic uvažují o výstavbě geotermálních tepláren i další města. Výhodou geotermální teplárny jsou nízké provozní náklady – teplárna nepotřebuje žádné palivo a energie z podzemí by měla vydržet nejméně 30 let. Nevýhodou jsou vysoké investiční náklady a zejména vysoké náklady na zkušební vrty, které nakonec nemusí potvrdit vhodnost výstavby v daném místě.

Jedním z příkladů v ČR je využití podzemní teplé vody v Děčíně. Voda vytéká samovolně z hloubky 550 m a má teplotu 30 °C. To je pro přímé využití nízká teplota. Pomocí tepelných čerpadel se podzemní voda ochlazuje na 10 °C a poté se používá jako pitná voda pro město. Získané teplo se využívá v městské teplárně, kde jako další zdroje tepla jsou ještě kogenerační jednotky a kotle na zemní plyn. Dalším příkladem je ZOO v Ústí nad Labem, kde je využívána podzemní voda s teplotou 32 °C z vrtu hlubokého 515 m. I zde se voda ochlazuje pomocí tepelných čerpadel. Díky relativně vysoké teplotě vstupní vody je celoroční topný faktor velmi dobrý, dosahuje hodnoty více než 6. To znamená, že pro vytápění je využito asi 84 % tepla ze země a jen 16 % elektřiny potřebné pro provoz zařízení.

Vlastní vrt má obvykle průměr 130 až 220 mm. Ihned po odvrtání se do vrtu zasune svazek polyetylenových hadic kolektoru. Většinou je kolektor tvořen čtyřmi hadicemi, u starších často jen dvěma. V hadici kolektoru proudí nemrznoucí směs, nejčastěji vodní roztok monopropylénglykolu nebo monoetylénglykolu. Vrt se pak musí utěsnit cementovou nebo jílocementovou směsí. Nepřípustné je zasypání pískem nebo vytěženým materiálem. Důvodem je riziko, že vrt narazí na zásobárnu podzemní vody, do níž by se neutěsněným vrtem mohla dostat znečištěná voda povrchová, případně že vrt spojí oblasti v různých hloubkách a naruší tak hydrogeologické poměry.

Geotermální zdroje teplé vody Jako geotermální zdroje se obvykle využívají podzemní vody, které se nacházejí v zemských dutinách a zemských zvodnělých vrstvách. Jsou zahřáté zemským teplem natolik, že jejich teplota po výstupu na zemský povrch je vyšší než průměrná roční teplota vzduchu v dané lokalitě. Část geotermálních vod je klasifikována jako vody lázeňské a je podrobena zvláštnímu režimu využití – jejich čerpání pouze pro energetické využití není přípustné.

Tepelná čerpadla s vrty či půdním kolektorem Geotermální energii lze využívat i pomocí relativně mělkých vrtů, s hloubkou 60 až 150 m. Takovéto vrty jsou pochopitelně mnohem méně nákladné než vrty do hloubky několika km. Využívají se pro vytápění rodinných domků i větších objektů. V hloubce okolo 100 m je celoročně teplota 8 až 12 °C. Vrty tedy slouží jako zdroj nízkopotenciálního tepla pro tepelná čerpadla (TČ).

Plošná klasifikace České republiky z hlediska využití zemského tepla. Zdroj: Geomedia

Geotermální elektrárny a teplárny

Tepelná čerpadla pro využití geotermální energie v ZOO v Ústí nad Labem. Foto: Marek Bláha

Měrný výkon

3,0

3,5

W/m.K

W/m

m/kW

m/kW

Suché nezpevněné horniny

< 1,5

20

33

36

Pevné horniny nebo vodou nasycené

1,5 až 3,0

50

13

14

Pevné horniny s vysokou tepelnou vodivostí

>3,0

70

9,5

10

Štěrky, písky, suché

0,4

<20

>33

>33

Pokud je kvůli větší potřebě tepla nutno provést více vrtů, měly by mít od sebe odstup minimálně 10 m (resp. 10  % délky vrtu), aby se vzájemně neovlivňovaly. Na 1 kW výkonu tepelného čerpadla je potřeba 12 až 18 m hloubky vrtu, podle místních geologických podmínek. Tepelné čerpadlo o výkonu 10 kW vyžaduje tedy přibližně 140 m hluboký vrt. Obecně je lépe zvolit jeden hlubší než dva kratší vrty.

Štěrky, písky, zvodnělé

1,8 až 2,4

55 až 65

10 až 12

11 až 13

Hlíny a jíly, vlhké

1,7

30 až 40

17 až 22

18 až 24

Vápenec, masivní

2,8

45 až 60

11 až15

12 až 16

Pískovec

2,3

55 až 65

10 až 12

11 až 13

Žuly

3,4

55 až 70

9,5 až 12

10 až 13

Čediče

1,7

35 až 55

12 až 19

13 až 20

Ruly

2,9

60 až 70

9,5 až 11

10 až 16

Parametry pro dimenzování hloubky vrtu. Zdroj: G-term, s r. o.

Teplo z vrtu se čerpá výměníkem uloženým ve vrtu. Zdroj: EkoWATT

Často se lze setkat také s tepelnými čerpadly. které jako zdroj tepla využívají výměník uložený v půdě v hloubce 1,2 až 1,5 m. I když z hlediska provozovatele tepelného čerpadla jde o systém velmi podobný zemním vrtům, využití geotermální energie je v tomto případě zanedbatelné. Spíše lze hovořit o velkém kolektoru, shromažďujícím solární energii, která dopadá na pozemek a zahřívá půdu (buď přímo, nebo prostřednictvím ohřevu vzduchu nad terénem).

Hloubka vrtu pro tepelné čerpadlo s topným faktorem

Tepelná vodivost

Hornina

ZOO v Ústí nad Labem vytápěné geotermální energií. Foto: Marek Bláha

V současnosti existuje po celém světě několik geotermálních elektráren s celkovým výkonem 2 300 MW. Tyto elektrárny se staví zejména ve vulkanicky aktivních oblastech, kde využívají k pohonu turbín horkou páru stoupající pod

Skutečná délka vrtu závisí na konkrétních geologických podmínkách v místě a jeho návrh by měl zpracovat odborník. Vrt je považován za vodní dílo dle zákona o vodách, je třeba mít zvláštní povolení k jeho provedení a také k nakládání s vodami (i pro vrty, z nichž se voda nečerpá). Aby nedošlo k ohrožení podzemních vod, je někdy nezbytné provést hydrogeologický průzkum. Vrty s hloubkou větší než 30 m může provádět jen firma s patřičným oprávněním Českého báňského úřadu. Provádění vrtů v I. a v II. ochranném pásmu lázní a minerálních vod je navíc upravené zvláštními předpisy.

Tepelné čerpadlo s půdním kolektorem využívá geotermální energii jen velmi málo. Zdroj: EkoWATT

V některých případech je možno z vrtu čerpat vodu, která se ochlazuje ve výměníku tepelného čerpadla. Ochlazená voda se musí vracet do podloží vsakovacím vrtem, Podloží přitom musí být schopno vodu trvale přijímat. Vypouštění ochlazené podzemní vody do potoka nebo do kanalizace se nepovoluje.

Další části solárního systému Potrubí by mělo být co nejkratší s kvalitní tepelnou izolací, navržené na odpovídající požadovaný průtok, teplotu a tlak teplonosné kapaliny v solárním okruhu. Nejčastěji se používá měď, nedoporučují se plasty. 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 řízení a optimální výkon systému, chrání ho před poškozením a umožňuje potřebnou regulaci tepla mezi spotřebiči. Pro celoroční provoz je jako teplonosnou kapalinu nutné použít nemrznoucí směs, která by měla mít podobné fyzikální vlastnosti jako voda (kromě bodu tuhnutí). Tomu vyhovují kapaliny na bázi roztoku vody a propylenglykolů s inhibitory koroze. Je také možno použít systém drain-back, kdy je v systému obyčejná voda. Pokud je teplota na absorbéru příliš nízká, voda se z kolektoru automaticky vypustí do zásobníku v budově. Kolektor je zavzdušněn a nehrozí tedy zamrznutí. Při zvýšení venkovní teploty čerpadlo opět napustí do kolektoru vodu a zapne cirkulaci. Obdobně systém funguje i při vysokých letních teplotách, kdy není odběr teplé vody a hrozilo by vyvaření vody v kolektorech.

Zásady pro dimenzování Solární sytsém by měl být vždy navržen pro skutečné místní podmínky, aby byl energeticky i ekonomicky efektivní. Je třeba respektovat umístění systému a případné zastínění. Klíčovou hodnotou je správně zjistit spotřebu teplé vody. Pokud je požadavek na přitápění, je potřeba tepla obvykle mnohem vyšší než dokáže solární systém dodat. Pro případný ohřev bazénu se využívají obvykle jen energetické přebytky. Spotřeba teplé vody je velmi proměnným parametrem, neboť zásadně závisí na chování lidí v budově. U existujících objektů lze vyjít ze spotřeby v minulých letech, u novostaveb nezbývá než použít směrná čísla nebo normové hodnoty. V posledních letech se spotřeba teplé vody v bytech snižuje, což vychází ze zdražování energií i z použití modernějších zařízení, jako jsou pákové vodovodní baterie. Část spotřeby teplé vody na mytí nádobí se stále více přesouvá do spotřeby elektřiny; myčka je stále běžnější součástí domácnosti. Z  praxe vychází spotřeba teplé vody na osobu v  rodinném domě 40 až 55 l/den, tj. 18 až 20 m3/rok. Pokud se spotřeba stanovuje podle normy ČSN 060320, vychází cca 4,3 kWh na osobu a den. Tato hodnota velmi dobře odpovídala spotřebě v panelových domech před více než deseti lety, kde větší počet osob vyrovnal odchylky dané individuálním chováním, a kde byly poměrně výrazné ztráty v cirkulačních rozvodech. Úsporná domácnost může mít spotřebu nižší, jen okolo 1,6 kWh na osobu a den. Této hodnotě odpovídá i spotřeba uvedená v TNI 730329 (pro energetické hodnocení pasivních domů), kde se uvažuje spotřeba 550 kWh na osobu za rok.

Dle ČSN 060320 Běžná spotřeba Úsporná domácnost

spotřeba energie pro ohřev TV [kWh/os.den] 4,3 2,2 až 2,9 1,6

1,40 až 2,00 Kč/kWh. Je zřejmé, že bez dotace má solární systém dlouhou návratnost; současné dotace však snižují cenu solárního tepla zhruba na polovinu. U rodinných domků je pak návratnost deset až patnáct let, u bytových domů může být i kratší. K delší návratnosti solárního zařízení přispívá také to, že do ceny energie z konvenčních zdrojů nejsou započítány tzv. externality, tedy náklady na poškození životního prostředí a zdraví lidí, které ve výsledku hradí celá společnost.

Obnovitelné zdroje energie Solárně termické kolektory

Sluneční energie dopadající na různě skloněnou plochu. Zdroj: EkoWATT Ministerstvo životního prostředí Státní fond životního prostředí České republiky

spotřeba vody s teplotou 55 °C [l/os.den] cca 80 40 až 55 cca 30

www.opzp.cz zelená linka 800 260 500 [email protected]

Denní spotřeba teplé vody a energie pro ohřev teplé vody v různých typech domácností. Zdroj: ČSN, EkoWATT

Ekonomika provozu

Střecha vytvořená z fotovoltaických panelů a solárně termických kolektorů. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Slunce svítí zadarmo a dosud nezdaněně, energie ze solárního systému ale zcela zadarmo není. Pokud porovnáme množství tepla, které solární systém dodá za 20 let své životnosti s náklady na pořízení a dvacetiletý servis systému, vyjde nám reálná cena získaného tepla. Při měrných nákladech 15 až 20 tis. Kč na m2 solárního systému a ročním zisku 350 až 420 kWh/m2 vychází cena solárního tepla od 1,70 až 2,50 Kč/kWh. Cena tepla např. ze zemního plynu je 0,98 až 1,11 Kč/kWh, z elektřiny je to

Spolufinancováno z Prioritní osy 8 – Technická pomoc financovaná z Fondu soudržnosti.

Solární systém na domově pro seniory. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Autoři textů: EkoWATT – Karel Srdečný, Jan Truxa, Jiří Beranovský, Monika Kašparová. Foto na obálce: EkoWATT. Tištěno na přírodním recyklovaném papíru EKO PRINT. Vydalo Ministerstvo životního prostředí, 2009. www.mzp.cz/oze Bílá linka pro obnovitelné zdroje energie: 267 312 002

Solárně termické kolektory Potenciál solární energie je z perspektivy současných potřeb nevyčerpatelný. Na území ČR dopadá stokrát více energie, než je současná spotřeba primárních energetických zdrojů. Sluneční záření lze přeměňovat přímo na elektřinu (pomocí fotovoltaických zařízení), nebo na teplo. Přeměna na teplo je technicky jednodušší – leckdy stačí jen sud natřený na černo. Teplo pro vytápění budov lze nejsnáze získat tak, že jižními okny vpustíme slunce do interiéru. Aby zase rychle neuteklo, potřebujeme dobře izolující okna a ještě mnohem lépe izolující stěny, strop a podlahu. Na tomto principu fungují tzv. pasivní domy, které jsou z větší části vytápěny právě sluncem. Tyto tzv. pasivní solární zisky se využívají i jinde v architektuře.

Solární systémy v budovách Solární systémy s kolektory lze integrovat na většinu nových i stávajících budov. Překážkou je někdy nevhodná orientace budov nebo zastínění. Umisťování solárních systémů na budovy v památkově chráněných zónách je třeba pečlivě zvažovat.

Získanou energii je možné 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 (několikadenní) spolu s pružnými otopnými systémy, které sníží výkon okamžitě, jsou-li v místnosti solární zisky prosklením. Pro krátkodobou akumulaci se využívá obvykle beztlaková vodní nádrž (tlakové nádoby jsou dražší). Solární systémy mohou být i teplovzdušné. V tomto případě nehrozí zamrzání nebo vyvaření média a teplý vzduch z kolektorů lze přivádět přímo do místností. Systém pracuje s nižšími teplotami, čímž roste účinnost. Nevýhodou je potřeba větších potrubí a hluk ventilátorů, který se může šířit do místností. Akumulace je zde mnohem obtížnější než u kapalinových systémů.

Solární systém na historickém objektu poblíž památkové zóny v Třebíči. Foto: Karel Srdečný, EkoWATT

Obecně platí, že v ČR je během zimy solární energie tak málo, že i s vysoce účinnými kolektory potřebujeme poměrně velké plochy pro pokrytí potřeb. Naopak během léta bývá solární energie značný přebytek, takže i málo účinné kolektory získají energie dost. To je třeba zohlednit při hodnocení ekonomické efektivity systémů.

Solární systém ozvláštňující budovu. Foto: Monika Kašparová, EkoWATT

Přírodní podmínky V ČR dopadá na povrch za rok průměrně 1 100 kWh/m2 energie. Pomocí kapalinových kolektorů můžeme získat 300–800 kWh/m2 za rok. Zisk se však v jednotlivých měsících značně liší; pro letní přebytky často není využití. Pro reálné odhady hrubé výroby energie v průměrných solárních zařízeních lze v podmínkách ČR uvažovat průměrnou roční výrobu 380–420 kWh/m2 kolektorové plochy za rok. 3401 - 3500 3501 - 3600 3601 - 3700 3701 - 3800 3801 - 3900 3901 - 4000 4001 - 4100

Systémy s kapalinovými kolektory se využívají zejména k celoroční přípravě teplé vody (TV), ohřevu bazénové vody a k přitápění budov pomocí teplovodního vytápění.

Pokud se solární energie využívá i pro přitápění, je potřeba větších ploch kolektorů, a tím i větších objemů zásobníku (až několik m3). Pro snížení nákladů se používají beztlakové zásobníky zhotovené např. z plastu nebo betonu. Teplá voda se pak připravuje v „plovoucí“ nádrži ponořené v zásobníku nebo průtočně pomocí spirály uložené v zásobníku. Nevýhodou je, že je potřeba další výměník pro okruh vytápění, což zvyšuje potřebný teplotní spád, a tím i ztráty. Důležité je využít stratifikaci – teplotní rozvrstvení, aby kolektor dodával teplo do odpovídající hladiny. Jinak je teplota na absorbéru zbytečně vysoká, což zhoršuje účinnost. Do akumulační nádrže lze připojit i další zdroj tepla, např. kotel na biomasu. Tento zdroj se připojuje v horní části, aby dolní část zásobníku zůstala dost chladná pro ohřev sluncem.

účinnost klesá s rozdílem teplot velmi prudce, takže je téměř nemožné ohřívat v nich vodu v zimě na více než 80 °C.

byla osvětlena sluncem. Slunce pak ohřeje vzduch mezi absorbérem a krycím sklem, takže sníh odtaje a sjede dolů. Ve vakuových kolektorech není vzduch, který by se mohl ohřívat, povrch skleněné trubice tedy zůstává studený a sníh neodtává. Možnosti krytí potřeby tepla solárním systémem různé velikosti. Zdroj: EkoWATT

Kolektor Základním stavebním prvkem slunečního kolektoru 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 tzv. skleníkového efektu. Z hlediska teplonosného média dělíme kolektory na kapalinové a vzduchové resp. kombinované.

Kvalitní kolektory mají absorbér opatřený spektrálně selektivní vrstvou (speciální černá barva nebo galvanické pokovení), díky tomu mají vyšší účinnost a dokáží zpracovat i difúzní záření. Většina současných kolektorů používá měděný plech s pokovením TiNOx. Rovněž zasklení je ze speciálního skla, které má nízkou pohltivost slunečního záření a má zvýšenou mechanickou pevnost.

Průměrné roční sumy globálního záření v MJ/m2. Zdroj: ČHMÚ

Sluneční absorbéry přeměňují zachycené sluneční záření na tepelnou energii (dlouhovlnné záření). Ta je pomocí teplonosného média (kapalina, vzduch) odváděna do místa okamžité spotřeby nebo do akumulačního zásobníku.

U koncentračních kolektorů se sluneční záření koncentruje na malou absorpční plochu. Používají se lineární Fresnelovy čočky nebo zrcadlové plochy, obvykle žlabová zrcadla. Dosáhne se tak vyšších teplot a vyšší účinnosti. Poloha slunce, a tím i ohnisko, se během dne mění, proto je potřeba polohovací zařízení, které natáčí (nebo u lineárních kolektorů posunuje) kolektor nebo jeho absorbér za sluncem. Některé typy se žlabovými zrcadly fungují i bez natáčení, ale ne tak efektivně.

Účinnost kolektorů závisí zejména na rozdílu teplot absorbéru (resp. teplonosné kapaliny) a okolního vzduchu. Čím vyšší teplotu požadujeme (např. 55 °C pro přípravu teplé vody), tím horší bude účinnost. U vakuových kolektorů, kde je absorbér účinně izolován vakuem, se účinnost mění jen málo, takže uspokojivě pracují i v mrazivých dnech. Naopak u jednoduchých plochých kolektorů

Kolektory dělíme podle tvaru na ploché a trubicové (mají absorbér uložen ve vakuové trubici). Vakuum snižuje tepelné ztráty a zvyšuje účinnost při dosažení vyšších výstupních teplot, používá se také u některých plochých kolektorů. Výhodou vakuových kolektorů je jejich vyšší účinnost, hlavně za nízkých teplot. Hodí se tedy třeba pro vysokohorské podmínky. Trubicové kolektory je nutno montovat tak, aby k  nim byl dobrý přístup. V  zimě je nutno odstraňovat z nich sníh. U plochých kolektorů stačí, aby část plochy

Slouží pro přípravu teplé vody, doplňkově se při nedostatku sluneční energie ohřívá tepelnou energií z ústředního vytápění či elektřinou. Objem zásobníku musí odpovídat ploše kolektorů, aby i v létě akumuloval zachycenou energii a nedošlo k poškození systému.

Solární výměník tepla v zásobníku je 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. V poslední době se lze i v ČR setkat s velkoplošnými systémy, zejména pro ohřev vody v internátech, domovech pro seniory a jinde. Ve veřejných budovách je efektivita solárního systému snižována termickou dezinfekcí vody. Aby se ve vodě nerozmnožily bakterie Legionella, ohřívá se celý zásobník vody např. jednou týdně na 70 °C nebo se trvale provozuje s teplotou nad 55 °C. To zhoršuje účinnost solárního systému, který pracuje nejefektivněji s nižšími teplotami vody (pro mytí stačí voda okolo 40 °C). Řešením je například průtočný ohřev vody pomocí spirály uložené v hydraulicky odděleném zásobníku. Velké systémy vyžadují velký objem akumulačních nádrží. Standardní tlakové nádrže systém prodražují, proto se používají otevřené nádrže, např. z plastů nebo z betonu.

Solární zásobník

Princip stratifikace teplot v solárním zásobníku. Zdroj: EkoWATT