VYUŽITÍ POPELOVIN ZE SPALOVÁNÍ SMĚSNÉHO KOMUNÁLNÍHO ODPADU JAKO SLOŽEK BETONU

Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad

VYUŽITÍ POPELOVIN ZE SPALOVÁNÍ SMĚSNÉHO KOMUNÁLNÍHO ODPADU JAKO SLOŽEK BETONU Michal Šyc1), Petr Svora2), Christian John Engelsen3), Pavel Reiterman4), Martin Keppert4) 1) Ústav

chemických procesů AV ČR, v.v.i., Rozvojová 135, 165 02 Praha 6, ČR anorganické chemie AV ČR, v.v.i., Řež 1001, 250 68 Řež, ČR 3) SINTEF Byggforsk, Forskningsveien 3B, 0314 Oslo, Norsko 4) Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT v Praze, Třinecká 1024, 273 43 Buštěhrad, ČR 2) Ústav

ANOTACE Spalování je nejrozšířenějším a technologicky nejschůdnějším způsobem energetického využití směsného komunálního odpadu (SKO). Jeho význam v tuzemsku nadále poroste tak, jak budou v nejbližších letech omezovány skládky SKO. Při spalování SKO vznikají dva dominantní materiálové proudy – škvára a APC (Air Pollution Control) residua („popílky“ a produkty jejich úpravy). Složení těchto popelovin se významně liší od popelovin ze spalování uhlí, což jejich využití komplikuje. Ve stavebnictví nachází z více důvodů využití zejména škvára. Byl charakterizován vliv drobné frakce škváry, použité jako kamenivo, na konzistenci betonové směsi, na pevnost betonu a jeho odolnost vůči zmrazovacím cyklům.

SUMMARY Incineration is the most widespread and technologically most viable method of energy recovery of mixed municipal solid waste (MSW). Its importance in Czech Republic will continue to grow as there will be constrained landfilling of MSW in the next few years. The MSW incineration produces two dominant streams of material – bottom ash and APC (Air Pollution Control) residues ("fly ashes" and products of their treatment). The composition of these ashes varies significantly from those from coal combustion which complicates their utilization. The bottom ash utilization in construction is more favorable for several reasons compared to APC residues. The influence of bottom ash used as aggregates to the consistency of concrete mixtures, the strength of concrete and its resistance to frost cycles was studied.

ÚVOD V ČR je ročně vyprodukováno asi 3,2 mil. t komunálního odpadu [1], z nějž je zhruba 55 % skládkováno, po 20 % připadá na recyklaci a spalování a zbývající jednotky procent na kompostování. V současnosti v ČR pracují tři spalovny SKO (ZEVO Praha Malešice, SAKO Brno, Termizo Liberec), které disponují roční zpracovatelskou kapacitou (v tomto pořadí) 300, 230 a 100 tis. tun odpadu. Tomu odpovídá i dnešní, výše zmíněné, množství spalovaného odpadu. V roce 2016 bude zprovozněna spalovna v Chotíkově u Plzně, rovněž s kapacitou 100 tis. t. Při spalování SKO platí, že dojde k redukci objemu materiálu na 10 % a hmotnosti na 30 – 35 %. Z jedné tuny spáleného SKO tak vznikne 250-300 kg škváry a 25-30 kg APC residuí, v závislosti na složení odpadu a technologii spalování. V ČR tak ročně bude vznikat (po započtení téměř dokončeného Chotíkova) cca 200 tis. t SKO škváry a 20 tis. t APC residuí ročně. V současnosti jsou tyto materiály z větší části skládkovány. Do budoucna, v souvislosti s ambiciózním plánem ukončit skládkování SKO do roku 2022, lze očekávat výstavbu dalších spaloven v oblastech hustě zalidněných (Ostravsko, severní Čechy). Jistě vzroste i podíl recyklace a kompostování,

301

ale jak ukazují statistiky [2], i ve vyspělých evropských zemích činí podíl spalování na likvidaci SKO 30-50 %. Lze tedy predikovat, že za 10 let bude v ČR vznikat cca 400 tis. t SKO škváry ročně. Za zmínku stojí i fakt, že v rámci ČR je ročně energeticky využito i cca 65 tis. t zdravotnických a průmyslových odpadů [3] v malých spalovnách, provozovaných v průmyslových podnicích a nemocnicích. Zde produkované popeloviny ale, ze zřejmých důvodů, jako stavební materiál v úvahu nepřipadají. Vlastnosti APC residuí se pohybují ve velmi široké oblasti v závislosti na technologickém uspořádání spalovny, resp. linky na čištění spalin [4]. Ve srovnání s uhelnými popílky obsahují spalovenská APC residua vysoký podíl ve vodě rozpustných solí alkalických kovů a hygienicky závadných těžkých kovů, což znemožňuje jejich přímé využití jako příměsi do betonu (nebo směsného cementu), známé u uhelných popílků. Pro zajištění jejich recyklovatelnosti je tedy třeba využít některou z mnoha technologií úpravy na mokré cestě nebo za vysoké teploty [5]. Využitelnost škváry je vyšší díky méně nepříznivému složení. Neupravená škvára se skládá jednak z částic vzniklých při spalování na roštu a roštem buď propadlých, nebo nepropadlých a dále z různě rozměrných nespalitelných částic – složek odpadu (kovové předměty a jejich pozůstatky, střepy skla a keramiky), ale i z předmětů spalitelných (textil, kůže, guma, kosti), ovšem prošlých kotlem tak rychle, že nestihly shořet. Potenciálně zajímavou složku škváry představují drobné částice, obsahující vysoké koncentrace kovů (Al, Cu, Zn), částečně v elementárním stavu. Zatímco separace železného šrotu je technicky snadná a ekonomicky zajímavá, ostatní nespálené složky zůstávají obvykle ve škváře. Po opuštění kotle se škvára zpravidla zkrápí vodou pro snížení teploty a prašnosti, tudíž spalovnu opouští vlhká. Distribuce velikosti částic škváry je velmi široká, od prachových částic po struskové spečence několik desítek cm velké. Materiálové využití škváry se logicky odvíjí od jejího složení a vlastností, do jisté míry podobných přírodnímu křemičitému kamenivu. Kromě užitných vlastností produktu je třeba sledovat i zdravotní a environmentální nezávadnost takové aplikace. Nejširší pole využití spalovenské škváry se nabízí ve stavebnictví. V některých zemích (Německo, Nizozemsko, Dánsko) se běžně škvára používá do podkladních vrstev silnic, parkovišť apod. Posouzením dopadu této aplikace na životní prostředí bylo zjištěno, že je toto využití bezpečné, přestože probíhá jisté vyluhování složek škváry. Environmentální dopad zimní údržby pomocí CHRL je však řádově vyšší [6], nicméně vypírkou škváry lze omezit vyluhování rozpustných solí [7]. V práci [8] byla testována úprava škváry na mokrém zařízení určeném původně pro dekontaminaci půdy, doplněném o zařízení na separaci neželezných kovů. Takto byly získány různé frakce kameniva a koncentráty neželezných kovů, využitelné jako hutnické suroviny. Ekonomická motivace takového komplexního zpracování spočívá jednak v prodeji vyzískaných cenných složek (barevné kovy, železo, příp. skleněné střepy), jednak ve snížení stupně nebezpečnosti škváry jako skládkovaného odpadu. Tato komplexní úprava dále zlepšuje i užitné vlastnosti škváry pro použití jako kameniva v betonu, kde zejména přítomné barevné kovy, ve své elementární formě, mohou způsobovat problémy vývojem vodíku v alkalickém prostředí betonu, které vedou k objemovým změnám betonu a jsou považovány za nejvýznamnější komplikaci používání SKO škváry v betonu [9]. Řešením tohoto problému je vystavení škváry alkalickému prostředí, v němž dojde ke zreagování přítomného kovového hliníku a zinku; výhodné je využití vlastního vysokého pH škváry tak, že dojde k jejímu mokrému pomletí a odležení vzniklé suspenze; takto upravená škvára funguje i jako náhrada cementu [10]. Podobně funguje i odležení nemleté škváry na skládce [11].

302

EXPERIMENTÁLNÍ PROGRAM Provedený experimentální program byl zaměřen na zjištění využitelnosti drobné frakce (0/4 mm) škváry ze spalovny Liberec jako kameniva v betonu. Čára zrnitosti (Obr. 1) se blíží písku, jenž byl škvárou v betonové směsi nahrazován. Sypná hmotnost použité škváry byla 1180 kg/m3. Prvkové, resp. oxidové složení škváry (Tab. 1) se liší od přírodních kameniv na bázi křemičitanů vyšším obsahem železa, jehož přítomnost jak v kovové formě, tak jako oxidu (koroze) je ve škváře běžná. Znepokojivý je vysoký obsah síranů a chloridů, který se vymyká normovým požadavkům na kamenivo do betonu. Pokud si však uvědomíme, že cement sám obsahuje několik % SO3 ve formě sádrovce, nezdá se být požadavek na obsah síranů v kamenivu (max. 1 % jako S, tj. 2,5 % jako SO3) úplně odůvodněný (při umírněném dávkování škváry). K výrobě betonu byl použit cement CEM I 42,5 R a přírodní kamenivo (Tab. 2). Vzorky betonu byly po odformování uloženy do stáří 28 dní ve vodě a následně byla stanovena jeho pevnost v tlaku a objemová hmotnost (vysušené vzorky). 100 BA

Celkové propady [%]

80

Písek

60

40 20 0 0.0

0.1

1.0

10.0

Velikost oka síta [mm]

Obr. 1 Čára zrnitosti škváry (BA) a písku použitých pro výrobu betonu. Tab. 1 Oxidové složení škváry (hm. %). SiO2

33.5

Al2O3

15.8

Fe2O3 CaO MgO SO3

8.4 19.4 2.0 9.3

P2O5

1.5

Na2O

3.6

K2O

1.9

TiO2 Cl

1.5 1.1

303

Tab. 2 Složení betonových směsí. cement

škvára

kamenivo 4/8

0/4 % 0 5 10 15

kg/m 400 400 400 400

3

kg/m 0 30 61 91

3

kg/m 607 577 546 516

3

kg/m 260 260 260 260

3

w/c 8/16 kg/m3 867 867 867 867

0.52 0.52 0.52 0.52

Na Obr. 2 je znázorněn vliv škváry na konzistenci čerstvé betonové směsi; tato byla charakterizována měřením sednutí Abramsova kužele. Je zřejmý obrovský vliv přítomné škváry na konzistenci směsi, který je možné vysvětlit porozitou částic škváry, které absorbují záměsovou vodu. Je nutné poznamenat, že připravené betonové směsi neobsahovaly žádný plastifikátor, což je v rozporu s dnešní betonářskou praxí. Použitím plastifikátoru by bylo možno konzistenci směsi výrazně upravit i při využití škváry jako kameniva. 140

Sednutí kužele (mm)

120 100 80 60 40 20 0 0

5 10 15 Náhrada drobného kameniva (%)

Obr. 2 Konzistence betonových směsí vyjádřená hodnotou sednutí kužele. Z výsledků měření pevnosti (Obr. 3) je zřejmé pozitivní zjištění, že k ovlivnění pevnosti betonu došlo jen v omezené míře; při dávkování do 10 % náhrady písku je možné vliv na pevnost zanedbat. Pozitivním poznatkem je, že nedošlo k viditelnému „napěnění“ čerstvé betonové směsi kvůli vývoji vodíku, jak je často popisováno v literatuře při použití SKO škváry v betonu. Vliv měl zřejmě fakt, že škvára byla před použitím několik týdnů skladována v barelu, kde došlo ke spotřebování přítomného hliníku. Došlo sice k jistému poklesu objemové hmotnosti betonu, ten je však možno přičíst poréznímu charakteru částic škváry. Častým problémem při použití spalovenských popelovin jako složek betonu je prodloužení doby tuhnutí čerstvé směsi kvůli přítomným chloridovým a síranovým iontům a iontům těžkých kovů (zejména Zn, Cu, Pb), které mají retardační účinek na hydrataci. Vliv studované škváry na kinetiku tuhnutí byl posuzován měřením počátku a konce tuhnutí cementové kaše

304

normální hustoty, kde škvára byla míchána v poměru s cementem zřejmým z obr. 4. Měření bylo prováděno standardně pomocí Vicatova přístroje. Poměr škváry a cementu v betonové směsi s 10% náhradou písku odpovídá zhruba 15% obsahu škváry v cementové kaši. Nebyl pozorován výrazný retardační efekt studované škváry, byť k mírnému prodloužení tuhnutí došlo. 60

2000

Objemová hmotnost [kg/m3]

Pevnost v tlaku [MPa]

50 40 30

1900

20 Pevnost v tlaku 10

Objemová hmotnost

0

1800 0

5

10

15

Náhrada drobného kameniva [%]

Obr. 3 Pevnost betonu v tlaku a objemová hmotnost. 500

Čas (min)

400 300 200 počátek 100

konec

0 0

5

10

15

Obsah škváry (%)

Obr. 4 Vliv škváry na počátek a konec tuhnutí cementové kaše normální hustoty.

ZÁVĚR Popeloviny ze spalování komunálního odpadu představují velmi různorodé materiály, které svým složením neodpovídají „klasickým“ stavebním surovinám, nicméně svým celosvětově rostoucím množstvím představují alternativu k přírodním surovinám. Zpracování APC residuí je, v porovnání se škvárou, komplikovanější kvůli vysokému obsahu rozpustných solí a těžkých kovů. Složení škváry je obecně příznivější, více se složením a vlastnostmi blíží zavedeným

305

stavebním surovinám. Budoucnost pravděpodobně náleží komplexnímu zpracování škváry, kdy dochází k separaci tržně uplatnitelných složek (barevné kovy, železo, skleněné střepy) a zbývající podíl – vlastní silikátové částice škváry – jsou použitelné jako stavební kamenivo. Experimentálně bylo testováno využití frakce škváry 0/4 mm ze spalovny Liberec jako složky betonu – náhrady drobného přírodního kameniva (písku). 10% náhrada písku škvárou se ukázala jako rozumná, bez negativního vlivu škváry na vlastnosti betonu.

LITERATURA [1]

Predikce, využití a odstranění odpadů [online]. Český statistický úřad [vid 6.11.2014]. Dostupné z: http://www.czso.cz/csu/2013edicniplan.nsf/p/2001-13 [2] Waste statistics [online]. Eurostat [vid 22.11.2012]. Dostupné z: http://epp.eurostat.ec.europa.eu/statistics_explained/index.php/Waste_statistics [3] MINISTERSTVO PRŮMYSLU A OBCHODU ČR. Statistika energetického využívání odpadů 1905–2009. Praha, MPO, 2010. [4] International Ash Working Group (IAWG). Municipal solid waste incineration residues. Copenhagen: Studies in Environmental Science, Vol. 67, 1997. [5] SABBAS, T., POLETTINI, A., POMI, R., ASTRUP, T., HJELMAR, O., MOSTBAUER, P., CAPPAI, G., MAGEL, G., SALHOFER, S., SPEISER, C., HEUSS-ASSBICHLER, S., KLEIN, R., LECHNER, P. Management of municipal solid waste incineration residues. Waste Management, 2003, Vol. 23, pp. 61-88. [6] BIRGISDÓTTIR, H., PIHL, K.A., BHANDRE, G., HAUSCHILD, M.Z., CHRISTENSEN, T.H. Environmental assessment of roads constructed with and without bottom ash from municipal solid waste incinertion. Transportation Research Part D, 2006, vol. 11, p. 358368. [7] FORTEZA, R., FAR, M., SEGUI, C., CERDA, V. Characterization of bottom ash in municipal solid waste incinerators for its use in road base. Waste Management, 2004, Vol. 24,p p. 899-909. [8] REM, P.C., DE VRIES, C., VAN KOOY, L.A., BEVILACQUA, P., REUTER, M.A. The Amsterdam pilot on bottom ash. Minerals Engineering, 2004, Vol. 17, pp. 363-365. [9] MÜLLER, U., RÜBNER, K. The microstructure of concrete with municipal waste incinerator bottom ash as an aggregate component. Cement Concrete Research, 2006, Vol. 36, pp. 1434-1443. [10] BERTOLINI, L., CARASANA, M., CASSAGO, D., CURZIO, A.Q., COLLEPARDI, M. MSWI ashes as mineral additions in concrete. Cement and Concrete Research, 2004, Vol. 34, pp. 18991906. [11] WILES, C.C. Municipal solid waste combustion ash: State-of-the-knowledge. Journal of Hazardous Materials, 1996, Vol. 47, p. 325-344.

PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ve spolupráci s AV ČR a se společností SINTEF.

306

Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad

PŘEHLED ENVIRONMENTÁLNÍCH HODNOCENÍ SOLÁRNÍCH TERMICKÝCH SOUSTAV V EVROPĚ Petra Tvrdá1), Stanislav Frolík2) 1)

2)

Laboratoř vnitřního prostředí, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad katedra technických zařízení budov, Fakulta stavební, ČVUT, Praha

ANOTACE Článek se zabývá hodnocením solárních termických soustav v Evropě z hlediska množství zabudované energie. V první části je proveden přehled dostupných informací z evropských publikací, další část se věnuje databázím a programům pro environmentální hodnocení. Na závěr je provedeno vyhodnocení solární soustavy pro bytový dům v České republice. Veškeré informace vycházejí z disertační práce autorky [14]. Práce se nezabývá ekonomickým hodnocením.

SUMMARY The paper deals with the evaluation of solar thermal systems in Europe in terms of embodied energy. The first part of the paper summarizes available information from European publications. The next part is focused on databases and software for environmental assessment. Finally, the work deals with the evaluation of a residential building in the Czech Republic. All information is based on the author’s doctoral thesis. Economic aspects are not studied in this paper.

ÚVOD Doba návratnosti zabudované energie ukazuje na skutečný přínos solárních termických soustav pro trvale udržitelný rozvoj. Vyhodnocení však i v dnešní době naráží na nedostatek informací o zabudované energii v kolektorech i celých solárních systémech. Proto se tomuto tématu podrobně věnovala disertační práce Návratnost energie solárních termických systémů [14], některé výstupy z práce jsou uvedeny v tomto článku.

HODNOCENÍ SOLÁRNÍCH SOUSTAV V EVROPĚ V příspěvku jsou zpracovány informace z odborných publikací [1-5,7-9], které se věnují solárním termickým systémům v Evropě. Autoři se zabývají množstvím zabudované energie v kolektorech a solárních systémech, analýzou životního cyklu (LCA - life cycle assessment) různých typů soustav nebo vyhodnocením návratnosti zabudované energie. Na obrázku 1 jsou znázorněny lokality, pro které jsou soustavy hodnoceny. Článků, které řeší soustavy s podobnými klimatickými podmínkami jako v České republice, není mnoho. Z tohoto pohledu nám nejvíce odpovídají systémy instalované v Německu. V ostatních zemích jsou rozdíly jak v množství slunečního záření, tak v teplotách vzduchu ovlivňujících spotřebu tepla v budovách. V zemích, kde není nutné řešit ochranu proti mrazu, se často instalují solární soustavy s odlišnou konstrukcí. Příprava teplé vody ve Würtzburgu V knize Solární zařízení [8] jsou rozebírány ekologické aspekty solárních soustav na základě studie z roku 1997 pro lokalitu Würtzburg v Německu. Popsány jsou tři varianty malé solární

307

soustavy se zásobníkem o objemu 400 l. Soustavy se liší použitým typem kolektoru. První je tvořena plochým kolektorem s hliníkovým rámem o ploše 6 m2, ve druhé soustavě je plochý kolektor s plastovou skříní také o ploše 6 m2 a ve třetí je vakuový trubicový kolektor o ploše 5 m2. Kromě solárních kolektorů jsou do hodnocení zahrnuty další části soustavy: zásobník, kompaktní stanice, potrubní systém a čerpadlo/regulace. Výsledná energetická amortizace, pokud je soustava určena pro přípravu teplé vody, je 7 měsíců až 3 roky. Pokud by byla soustava využívána pro ohřev bazénové vody, klesne podle této publikace amortizace na 5 měsíců až 1 rok.

Obr. 1 Studované zahraniční solární systémy, zdroj: [14] Combi-systém ve Stuttgartu Příspěvek z roku 2004 [9] je zaměřen na malé solární systémy. První část hodnotí využití solárního tepla na přípravu teplé vody, druhá část se zabývá kombinovaným systémem na teplou vodu a vytápění. Objem zásobníku na přípravu teplé vody je 300 l. Hodnoceny jsou dva druhy plochých solárních kolektorů s plochou absorbéru 5 m2, které se liší použitými materiály v kolektorech i v nosných konstrukcích a také integrací do střešní konstrukce. Do hodnocení je zahrnuto vyhodnocení celého systému včetně dopravy, montáže a zprovoznění soustavy, údržby, provozní náročnosti oběhového čerpadla a regulace. Výsledky ukazují, že energetická návratnost pro systémy na přípravu teplé vody bude 1,4 let až 2,1 let. Kombinovaný systém je hodnocen pro čtyři různé varianty soustav, které se liší použitými kolektory, plochou kolektorů a využitím zaintegrovaného nebo samostatného kotle na plyn nebo topný olej. Energetická návratnost těchto systémů se pohybuje v rozmezí 2,2 až 3,9 let. Příprava teplé vody v Anglii V článku [1] se autoři zabývají solárním systémem pro přípravu teplé vody v rezidenčním sektoru pro domácnost o 1 - 4 členech. Hodnoceny jsou různé lokality od skotského Aberdeenu až po Plymouth v jižní Anglii. Soustava se skládá z plochého solárního kolektoru o ploše 2,8 m2 připojeného do stávajícího zásobníku na teplou vodu, který není ve studii hodnocen. Solární oběhové čerpadlo je poháněno fotovoltaickým panelem. Množství teplé vody zohledněné ve studii je buď 110 nebo 150 l/domacnost∙den. Stupně solárního pokrytí soustav jsou v rozmezí 28 - 42 %. Výsledná hodnota návratnosti energie pro základní případ bez uvažování vlivu nahrazovaného zdroje tepla vychází na 2,9 - 5,2 let. Dále je energetická návratnost určována pro různé stávající zdroje tepla (elektřina, plynový kotel a kotel na

308

topný olej): podle výsledků této studie pak budou hodnoty návratnosti 0,7 – 2,4 let. Při použití hliníku recyklovaného z 50 % se celková doba návratnosti ve všech případech sníží přibližně o 16 %. Vytápění a příprava teplé vody na Kypru Pro lokalitu v Nikósii na Kypru byl publikován další článek [7] týkající se přínosů malé solární soustavy pro životní prostředí. Hodnoceny jsou dva typy soustav. První případ hodnotí systém s plochými kolektory o ploše 3,8 m2 a velikostí zásobníku 160 l. Druhá soustava je dimenzována jak pro přípravu teplé vody, tak pro vytápění a skládá se z 19 m2 plochých kolektorů a zásobníku o objemu 1 500 l. V obou případech je množství teplé vody dimenzováno pro jednu domácnost se čtyřmi osobami: celkem 120 l/den. První soustava dosahuje solárního podílu 89 %. Energetická návratnost se pak bude pohybovat pod 1,2 let. V případě s kombinací přípravy teplé vody a vytápění je solární podíl 57 % a výsledná návratnost energie je 3,7 let. Příprava teplé vody v Lyonu Další příspěvek [5] se zabývá systémem na přípravu teplé vody pro čtyřčlennou domácnost instalovaným ve francouzském Lyonu. Předpokládaná spotřeba teplé vody v celé domácnosti je 140 l/den. Použito je 4,4 m2 plochých kolektorů a zásobník o objemu 300 l. Solární pokrytí je 50 %. Při hodnocení případu, kdy je sekundárním zdrojem tepla plynový kotel, je podle této studie návratnost zabudované energie 1,5 let. Pokud by se nahrazoval zdroj tepla na elektřinu, sníží se tato návratnost pod 1 rok. Samotížná soustava v Palermu Asi nejpodrobněji byla vypracována analýza samotížné soustavy v Palermu [2,3], pro jejíž zpracování byly využity i údaje o energetické náročnosti výroby z továrny, které jiné práce nezohledňují. Hodnocený systém je kompaktní funkční jednotka tvořená solárním kolektorem o ploše 2,13 m2, nosnou konstrukcí a zásobníkem umístěným naležato nad horní hranou kolektoru (viz obr. 2 vlevo). Tento způsob přípravy teplé vody se běžně používá v jižních státech, kde nehrozí zamrznutí vody. Hodnocen byl celý životní cyklus: výroba, instalace, údržba a servis, doprava a likvidace. Návratnost energie tohoto systému je velice nízká: méně než 2 roky. V rámci citlivostní analýzy byl také proveden výpočet pro variantu s nižší účinností systému o 40 %, ke které může dojít během provozování soustavy v důsledku řady problémů: např. degradace selektivní vrstvy absorbéru, koroze ocelových částí, poškození polyuretanové izolace, znečištění zasklení kolektoru, usazeniny v potrubí a výměníku. I po započítání těchto vlivů bude stále celková energetická návratnost velice dobrá: nižší než 4 roky.

Obr. 2 Kompaktní funkční jednotka samotížné soustavy v Palermu (vlevo) a Princip integrovaného solárního kolektoru v Římě (vpravo), zdroje [1,4,15]

309

Integrovaný solární kolektor v Římě Publikace [4] popisuje další systém používaný v jižních zemích, kde nehrozí zamrznutí kapaliny v kolektoru. Zabývá se hodnocením solárního termického systému s integrovaným zásobníkem teplé vody. Kolektor se skládá z jedné až čtyř větších trubek, které umožňují až šedesátkrát zvětšit vodní objem kolektoru. Proto již není nutný externí solární zásobník. Princip kolektoru je znázorněn na obrázku 2 vpravo. Plocha kolektoru je 1,44 m2 (resp. 1,68 m2 - celková vnější plocha), vodní objem kolektoru je 100 l. Řešeny byly případy, kdy je nahrazovaným zdrojem tepla plynový kotel nebo elektrokotel. Návratnost energie tohoto systému je velice dobrá: 5 až 16 měsíců. Hodnoticí databáze a programy Informace o množství energie, která je nutná k výrobě jednotlivých materiálů, je možné najít v různých pramenech. Publikované studie nejčastěji využívají švýcarskou databázi Ecoinvent [12]. Jedná se pravděpodobně o nejpřesnější a nejrozsáhlejší nástroj, který je v současné době k dispozici. Volně dostupná je rozsáhlá anglická databáze materiálů: Inventory of carbon and energy (ICE) [6]. Kromě množství zabudované energie obsahuje také informace o emisích oxidu uhličitého. V databázi je zpracováno velké množství údajů z různých let, jednotlivé typy materiálů jsou zpracovány velmi podrobně v mnoha variantách, např. ocel je uvedena v deseti různých variantách. Dalším dostupným zdrojem dat jsou publikace od rakouského autora T. Waltjena [10, 11], které však neobsahují všechny druhy materiálů používané v solárních termických soustavách. Dále je pro analýzu LCA často využíván německý program umožňující modelovat veškeré procesy životního cyklu: GEMIS (Global Emissions Model for integrated Systems) [13]. Ostatní zdroje dat, které byly využity ve výše zmíněných publikacích, mají spíše okrajový význam. Italské práce využívají hodnoty z vlastní národní databáze pro hodnocení životního cyklu LCA: ANPA - Italien Agency for the Protection of the Environment. Studie z Kypru [7] využila hodnoty z novozélandské databáze z roku 1995: Embodied energy coefficients of building materials (Alcorn J.). Využití tohoto pramene v evropských podmínkách je však diskutabilní, protože těžba, zpracovávání a zejména doprava surovin na Novém Zélandu se může od evropských značně lišit. V rámci citlivostní analýzy italské práce [3] byla provedena analýza kvality dat. Byly prokázány velké rozdíly u údajů, které se týkají zabudované energie v hliníku, mědi, nemrznoucí kapalině a pozinkované oceli. Podle této citlivostní analýzy se může množství primární energie celé funkční jednotky, která byla v práci hodnocena, lišit o ±20 % podle použitého zdroje dat o materiálech. Nejdůležitější je pak použití kvalitních dat u hliníku, který má největší dopad na hodnocení LCA celé soustavy, což bylo prokázáno i v dalších publikacích např. [1].

ČESKÁ REPUBLIKA V disertační práci [14] bylo provedeno vyhodnocení solární soustavy v podmínkách České republiky. Pro analýzu byl zvolen teoretický případ bytového domu, pro který bylo navrženo 5 soustav – každá s jiným typem kolektoru. Výpočty byly provedeny pomocí nově vytvořeného kalkulačního nástroje NESTS, popsaného v disertační práci. K vyhodnocení byly využity tři zdroje dat a byla zohledněna různá míra recyklace hliníku v konstrukcích. Výsledek znázorňuje obr. [3]. Při použití nerecyklovaného hliníku je nejdelší návratnost energie u soustavy s plochým kolektorem 02 vyhodnoceném pomocí údajů z publikací T. Waltjena: 5,7 let. Nejnižší

310

návratnost je při vyhodnocení s pomocí databáze Ecoinvent u druhého trubicového kolektoru: 1,1 roků. Je vidět, že doba návratnosti energie soustav s vakuovými trubicovými kolektory je o několik let nižší než u soustav s plochými kolektory. Použitím recyklovaných surovin při výrobě soustav můžeme výsledky značně zlepšit. Při použití běžné míry recyklace hliníku se návratnost energie pohybuje mezi 1 až 4 roky. Pokud použijeme 100% recyklovaný hliník v celé soustavě, je možné dosáhnout snížení návratnosti energie o 30 až 60 % a dosáhnout tak hodnot návratnosti zabudované energie 0,7 až 2,6 let.

Obr. 3 Návratnost zabudované energie vyhodnocená podle tří různých databází (Waltjen, ICE a Ecoinvent) s různou mírou recyklace použitého hliníku, zdroj dat: [14]

ZÁVĚR Jak je vidět z výše citovaných publikací, doba návratnosti energie pro solární termické soustavy v Evropě se pohybuje v řádu měsíců až několika let: od pěti měsíců v případě kolektoru s integrovaným zásobníkem v Římě po pět let v případě anglické přípravy teplé vody. Využití solárních kolektorů pro přitápění sice zvyšuje dobu návratnosti energie oproti samostatné přípravě teplé vody, ale ne příliš výrazně. Výsledky v jednotlivých lokalitách se liší v důsledku rozdílné intenzity slunečního záření, účinnosti uvažovaných soustav a uvažované spotřeby tepla v budovách. Nezanedbatelný vliv má také odlišný způsob hodnocení i míra podrobnosti zpracování všech energeticky náročných procesů v jednotlivých publikacích. V teoretickém případu českého bytového domu jsou výsledné hodnoty návratnosti energie mezi 0,7 až 5,7 let v závislosti na zvoleném typu kolektoru, míře recyklace hliníku použitého v konstrukcích a na databázi použité pro hodnocení. Tyto výsledky odpovídají zahraničním publikacím a dokládají tak, že solární termické systémy jsou obnovitelné zdroje tepla s rychlou návratností zabudované energie, které za svoji životnost několikanásobně vrátí energii vloženou do výroby.

LITERATURA [1]

ALLEN, S.R., G.P. HAMMOND, H.A. HARAJLI, M.C. MCMANUS a A.B. WINNETT. Integrated appraisal of a Solar Hot Water system. Energy. 2010, vol. 35, issue 3, s. 1351-1362. DOI: 10.1016/j.energy.2009.11.018.

311

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8] [9]

ARDENTE, Fulvio, Giorgio BECCALI, Maurizio CELLURA a Valerio LO BRANO. Life cycle assessment of a solar thermal collector. Renewable Energy. 2005, vol. 30, issue 7, s. 1031-1054. DOI: 10.1016/j.renene.2004.09.009. ARDENTE, Fulvio, Giorgio BECCALI, Maurizio CELLURA a Valerio LO BRANO. Life cycle assessment of a solar thermal collector: sensitivity analysis, energy and environmental balances. Renewable Energy. 2005, vol. 30, issue 2, s. 109-130. DOI: 10.1016/j.renene.2004.05.006. BATTISTI, Riccardo a Annalisa CORRADO. Environmental assessment of solar thermal collectors with integrated water storage. Journal of Cleaner Production. 2005, vol. 13, 13-14, s. 1295-1300. DOI: 10.1016/j.jclepro.2005.05.007. DE LABORDERIE, Alexis, Clément PUECH, Nadine ADRA, Isabelle BLANC, Didier BELOINSAINT- PIERRE, Pierryves PADEY, Jérôme PAYET, Marion SIE a Philippe JACQUIN. Environmental Impacts of Solar Thermal Systems with Life Cycle Assessment. In: The World Renewable Energy Congress 2011. Linköpings universitet: Linköping University Electronic Press, 2011, s. 3678-3685. ISBN 978-91-7393-070-3ISSN 1650-3740. Dostupné z: http://solarthermalworld.org/content/environmental-impacts-solarthermal-systems-life-cycle- assessment-2011 HAMMOND, Geoff a Craig JONES. Inventory of carbon and energy (ICE) [online]. UK: Sustainable Energy Research Team, Department of Mechanical Engineering, University of Bath, 2008 [cit. 2014-06-21]. KALOGIROU, Soteris A. Environmental benefits of domestic solar energy systems. Energy Conversion and Management. 2004, vol. 45, 18-19, s. 3075-3092. DOI: 10.1016/j.enconman.2003.12.019. LADENER, Heinz. Solární zařízení. 1. vyd. Praha: Grada, 2003, 267s. ISBN 80-247-0362-9. STREICHER, E., W. HEIDEMANN a H. MÜLLER-STEINHAGEN. Energy payback time–A key number for the assessment of thermal solar systems. In: Proceedings / EuroSun 2004; 14. Intern. Sonnenforum. Freiburg: PSE, 2004, s. 20-23. ISBN 9783980965606ISSN 3980965600. Dostupné z: http://www.tzs.unistuttgart.de/abteilungen/tzs/literatur/Eurosun04_es.pdf

[10] WALTJEN, Tobias a Hildegund MÖTZL. Ökologischer Bauteilkatalog: bewertete gängige Konstruktionen. Wien [u.a.]: Springer, 1999. ISBN 9783211833704. [11] WALTJEN, Tobias. Passivhaus-Bauteilkatalog: Ökologisch bewertete Konstruktionen = Details for passive houses: a catalogue of ecologically rated constructions. 3rd revised ed. Wien: Springer Verlag Wien, 2009. ISBN 978-321-1994-962. [12] ECOINVENT. The life cycle inventory data [online]. Swiss Center for Life Cycle Inventories. Dostupné z: http://www.ecoinvent.ch/ [13] GEMIS software. Global Emission Model of Integrated Systems [online]. Oko- Institut (Institute for Applied Ecology), Darmstadt. Dostupné z: http://www.www.gemis.de [14] TVRDÁ, P. Návratnost energie solárních termických systémů. Praha, 2014. Disertační práce. ČVUT v Praze, Fakulta stavební, Katedra technických zařízení budov.

Tato práce byla vytvořena za podpory projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

312

Energeticky efektivní budovy 2015 sympozium Společnosti pro techniku prostředí 15. října 2015, Buštěhrad

SYSTÉMY PRO EFEKTIVNÍ VYUŽÍVÁNÍ OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ V MALÝCH A STŘEDNÍCH INSTALACÍCH Jan Včelák, Petr Wolf, Jan Šmídek, Matheus Clavel Monitorování diagnostika a inteligentní řízení budov, UCEEB, ČVUT, Buštěhrad

ANOTACE Příspěvek ukazuje možnosti zefektivnění využívání energie z lokálně instalovaných obnovitelných zdrojů v budově. Popisuje čtyři základní topologie fotovoltaických systémů pro efektivní využívání energie z lokálních zdrojů a vyhodnocuje jejich slabé a silné stránky. V příspěvku jsou uvedeny základní komponenty systémů, které jsou zapotřebí pro efektivní a bezpečné řízení. Zároveň je prezentována a popsána výkonová bilance systému včetně investičních nákladů a odhadované doby návratnosti. Dále jsou v příspěvku zhodnoceny možnosti použití předpovědních služeb pro další zefektivnění využívání energie a zásobníku energie.

SUMMARY The paper shows possibilities of effective renewable energy sources usage in the buildings with installed RES. There are four basic PV system structures presented with described advantages and disadvantages. The basic necessary components of the systems are listed also in order to achieve efficient and safe energy flow control. There are also new PV forecasting services presented and a way how to use them to enhance the performance of the system is explained.

ÚVOD Fotovoltaické systémy doznaly v posledních 10 letech značných změn. Solární boom v České republice v letech 2007-2009 se projevil primárně nárůstem počtu středních a větších instalací (20 kWP - 5 MWP). Zrušení dotační politiky (zelených bonusů a garantované výkupní ceny) pro nové instalace v roce 2010 způsobilo, že se zastavily nové instalace fotovoltaických elektráren takřka úplně. Důvodem byla extrémně dlouhá doba návratnosti (bez další finanční podpory) v řádech několika desítek let a investiční náročnost systémů. I přesto ale v posledních letech doznávají malé a střední systémy renesanci a dnes již cca 50 % novostaveb využívá některý z obnovitelných zdrojů pro výrobu tepla-chladu nebo elektrické energie. Struktura malých fotovoltaických systémů se ale prudce mění a v dnešní době je stále větší poptávka po systémech s efektivním využitím energie z obnovitelných zdrojů přímo v místě jejich výroby. Změnu struktury fotovoltaických systémů v posledních 5 letech iniciovaly zejména následující důvody: -

zrušení podpory pro nově instalované FV systémy;

-

snížení nákladů na instalace PV systémů, které se dnes pohybují v rozsahu od 25 000 - 40 000 Kč/kWP;

-

nízké výkupní ceny silové energie (0,6 - 0,8 Kč/kWh);

-

zpřístupnění komponent pro lokální monitoring a řízení FVE.

Nové inteligentní systémy jsou navrhovány s ohledem na následující kritéria:

313

-

vyrobit maximální množství obnovitelné energie;

-

minimalizovat odběr energie z distribuční sítě;

-

časově optimalizovat odběr z distribuční sítě vzhledem k platnému tarifu;

-

minimalizovat množství dodané energie do distribuční sítě (maximálně vyrobenou energii využít pro lokální spotřebu);

-

minimalizovat investiční náklady na systém.

TOPOLOGIE INTELIGENTNÍCH FV INSTALACÍ Systémy pro dodávku energie do sítě V tomto případě se nejedná o inteligentní systém (viz obr. 1), ale je třeba takové systémy také zmínit, protože se velmi často vyskytují právě z doby, kdy byly zavedeny tzv. zelené bonusy. Jejich cílem je lokálně vyrobenou energii dodávat přímo do distribuční sítě. Výhodou je jednoduchá, finančně nenáročná instalace systému, systém je zároveň schopen vyrobit maximální možné množství energie pomocí FV pole a dodat ji do distribuční sítě. Systém nepotřebuje žádné řízení a tudíž vychází investičně nejpříznivěji: 25 000 - 35 000 Kč/kWp. Nevýhodou je, že bez podpory výkupu energie z obnovitelných zdrojů je návratnost takového systému v řádech několika desítek let daleko za životností vlastní technologie. Výkupní ceny silové energie závisí na dohodě s obchodníkem s energií a pohybují se v rozmezí od 0,6 do 0,8 Kč/kWh. V dnešní době se nové instalace takových systémů prakticky nevyskytují. Platná legislativa vyžaduje pro provoz takových systémů licenci ERU a živnostenské oprávnění. Pro bilanci výkonu v systému platí Pgrid(t) = ηinv PFV(t)

(1)

kde PFV(t) je okamžitý výkon fotovoltaického systému na stejnosměrné straně stringu, Pgrid(t) je okamžitý výkon dodávaný do distribuční soustavy (přetok) a ηinv je účinnost solárního měniče.

Obr. 1 Topologie systému pro dodávku elektrické energie do sítě Systémy pro krytí vlastní spotřeby a dodávku přebytků do sítě Fotovoltaické systémy dodávající energii do vnitřní domovní sítě (viz obr. 2) vynikají jednoduchostí opět bez nutnosti řízení. Hlavní distribuční elektroměr je čtyřkvadrantový,

314

schopný měřit energii tekoucí oběma směry. Primárně je krytá přímá spotřeba budovy. V momentech, kdy je výroba FV energie vysoká a budova ji není schopna spotřebovat, dochází lokálně k přetoku energie do sítě. Prodej energie touto formou není finančně výhodný a výkupní ceny se shodují s předchozím případem. Tím, že dochází primárně ke krytí vlastní spotřeby (drahé energie nakupované ze sítě) a snižování odebrané energie z distribuční sítě je ekonomická návratnost takového systému lepší než v předešlém případě. Systém nepotřebuje žádné řízení a tudíž vychází investičně podobně jako předchozí systém: 25 000 - 35 000 Kč/kWP. Platná legislativa opět vyžaduje pro provoz takových systémů licenci ERU a živnostenské oprávnění. Výkonovou bilanci systému lze popsat vztahem: Pgrid(t) = ηinv PFV(t) - Pnon-reg(t),

(2)

kde Pnon-reg(t) je okamžitý výkon neregulovatelné zátěže v budově.

Obr. 2 Topologie systému pro krytí vlastní spotřeby a prodej přebytků do sítě Systémy s přizpůsobením zátěže aktuálnímu výkonu FV systému Systémy s přizpůsobením zátěže budovy aktuálnímu výkonu FV systému (viz obr. 3) jsou první s inteligentním řízením. Řídicí systém monitoruje aktuální výkon FV systému a přetok do distribuční sítě a podle toho přizpůsobuje elektrickou zátěž v budově. Nutnou podmínkou je mít v domě nainstalovány prvky pro řízení a vlastní regulovatelné zátěže. Regulovatelnou zátěží mohou být přímotopné systémy, patrony v zásobnících TUV nebo OTV, regulovatelná tepelná čerpadla nebo jednotky chlazení. Výhodné jsou zátěže, které umožňují proporcionální řízení. Prvky proporcionálního řízení mohou být tyristorové nebo triakové regulátory. Vzhledem k tomu, že jsou tyto systémy velmi často připojeny do vnitřní sítě budovy a přetoky energie do sítě nejsou finančně zajímavé, je nutné tyto přetoky monitorovat a regulovat zátěže na nulový přetok do sítě. K monitorování přetoků slouží indikátory přetoku do distribuční sítě. Výstup z indikátoru přetoku do sítě slouží jako vstupní veličina algoritmu řízení a v ideálním případě slouží jako nulový indikátor. Na základě informace o přetoku algoritmus moduluje výkon lokální zátěže v budově.

315

Díky schopnosti maximálně využít lokálně vyrobenou energii jsou tyto systémy investičně zajímavé s dobou návratnosti v rozsahu 15 - 20 let. Rovněž instalace a prvky řízení nepředstavují finanční bariéru a zásadně se nepromítají do celkové ceny investice. Investičně tyto systémy vycházejí velmi podobně jako předchozí systém 27 000 - 37 000 Kč/kWp. Tím že dochází primárně ke krytí vlastní spotřeby (drahé energie nakupované ze sítě) a snižování odebrané energie z distribuční sítě, je ekonomická návratnost takového systému mnohem lepší než v předešlém případě. Výkonovou bilanci systému lze popsat následující rovnicí: Pgrid(t) = ηinv PFV(t) - Preg(t) - Pnon-reg(t),

(3)

kde Preg(t) je okamžitý výkon regulovatelné zátěže v budově. V případě ideální regulace je přetok do distribuční sítě Pgrid(t) = 0 a systém reguluje zátěž přesně tak, aby lokálně spotřeboval veškerou energii z připojených obnovitelných zdrojů. Zároveň je ze vztahu patrné, že se systém musí rychle vyrovnávat se změnou neregulovatelné, nepředvídatelné zátěže Pnon-reg(t) v domě nebo s rychlou změnou generovaného výkonu PFV(t) vlivem proměnné oblačnosti.

Obr. 3 Topologie systému s přizpůsobením zátěže aktuálnímu výkonu FVE systému Jak je patrné z denních průběhů na obr. 4, fotovoltaický systém začíná vyrábět energii po východu slunce (A). Během rána systém vykrývá spotřebu neregulovatelné zátěže Pnon-reg a případný nadbytečný výkon maří v elektrické patroně v zásobníku tepla (1500 W) Preg. Časový okamžik (B) ukazuje nepredikovatelné zvýšení odběru neregulovatelné zátěže Preg, například sepnutí zátěže v domácnosti (sepnutí topné patrony v pračce nebo jiného spotřebiče). Systém okamžitě reaguje snížením výkonu regulovatelné zátěže. Časová fáze (C) v čase 11 - 17 hod ukazuje časově proměnný výkon FV systému způsobený proměnlivou oblačností. Algoritmus přizpůsobení zátěže kopíruje svým průběhem výkon fotovoltaického systému. Systém je připraven a lokálně využívá technologie Demand Response (přizpůsobení odběru aktuální výrobě energie).

316

Denní průběh výkonu FV systému PFV

2500

2000

Výkon PV [W]

B C

1500

1000 500

A

0 -500

4:48

7:12

9:36

12:00

14:24

16:48

19:12

Denní průběh výkonu přizpůsobené zátěže Preg (topná patrona 1500W)

800

B Výkon patrona [W]

600

C

400 200

A

0 4:48

7:12

9:36

12:00

14:24

16:48

19:12

-200

Denní příkon domácnosti Preg+Pnon-reg

4000

B 3000

Výkon dům[W]

2000

C

1000

A

0 4:48

7:12

9:36

12:00

14:24

16:48

19:12

Obr. 4 Denní průběhy výkonů v systému s přizpůsobením zátěže aktuálnímu výkonu FVE Systémy s akumulací energie, predikcí FV výroby a přizpůsobení lokální zátěže aktuálnímu výkonu FVE systému Tyto systémy patří mezi nejkomplexnější a nejinteligentnější systémy současnosti (viz obr. 5). Využívají předpovědní služby výroby FV a dle této informace hospodaří s energií a případně nabíjí, resp. vybíjí akumulátory. U hybridních měničů nelze v tomto případě zanedbávat fixní ztráty měniče Pinv(t) jako v předchozích případech. Do výkonové bilance rovněž vstupuje výkon odebíraný nebo dodávaný do baterie Pbat(t). Pro celkovou výkonovou bilanci je pak možné napsat následující vztah Pgrid(t) = ηinv PFV(t) - Preg(t) - Pnon-reg(t) - Pinv(t) + ηinv Pbat(t)

317

(4)

Systém je připraven pro technologie typu Demand Response nebo Load Shifting (časový posuv zátěže). Investičně ale systém vychází velmi nepříznivě z důvodu vysoké pořizovací ceny akumulátorů. Investiční náklady jsou v rozmezí 100 000 – 150 000 Kč/kWp. Investice nemá reálnou návratnost z důvodu omezené životnosti baterií.

Obr. 5 Topologie systému s akumulací energie, predikcí FV výroby a přizpůsobení lokální zátěže aktuálnímu výkonu FV systému

ZÁVĚR V příspěvku byly prezentovány čtyři různé varianty topologie fotovoltaických systémů vhodných pro malé a střední instalace. Byla zhodnocena investiční náročnost jednotlivých variant a případná odhadovaná doba návratnosti investice. Byl představen i systém s inteligentním řízením zátěže a hybridní systém s úložištěm energie v bateriích. U systému s přizpůsobením zátěže byla prezentována reálná funkce systému na denním průběhu regulace a jeho reakce na variabilní odběr, nepredikovatelné zvýšení zátěže a na proměnlivý výkon fotovoltaického systému. Z hlediska investiční náročnosti a předpokládané doby návratnosti investice bylo ukázáno, že akumulátorové systémy nejsou v současné době návratné s ohledem na vysokou cenu a omezenou životnost akumulátoru. Situace se však výrazně změní, pokud dojde k výraznému snížení pořizovací ceny akumulátoru nebo pokud není distribuční síť k dispozici, je nespolehlivá či cena její energie je vyšší nežli obvyklá cena v Česká republice.

LITERATURA [1]

Staněk K. Fotovoltaika pro budovy, Grada 2012, ISBN 978-80-247-4278-6.

[2]

Šmídek J. Prediktivní řízení malých hybridních solárních systémů, ČVUT - Diplomová práce 2014.

[3]

Hošek M. Fotovoltaické zdroje a akumulační systémy, TZB Haustechnik 2013, viz http://www.asb-portal.cz/tzb/fotovoltaika/fotovoltaicke-zdroje-a-akumulacni-systemy

PODĚKOVÁNÍ Tento příspěvek vznikl za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpI č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

318