Dojde k renesanci elektrického akumulačního vytápění?

V současné době se neustále zvyšuje podíl elektrické energie vyráběné z obnovitelných zdrojů: výroba elektřiny u těchto zdrojů značně kolísá v závislosti na přírodních podmínkách (sluneční osvit, rychlost větru). V souvislosti s aplikací Smart Grids a Smart Metering se hledají spotřebiče, jejichž odběr elektřiny lze řídit podle situace v elektrizační soustavě.

Počítá se s postupnou instalací „chytrých“ spotřebičů, jejichž chod lze dálkově ovládat (pračky, myčky, sušičky). Další oblast spotřeby představují spotřebiče pro ohřev vody a pro vytápění a to jak přímotopné, tak i akumulační.

Zejména akumulační tepelné spotřebiče mohou být významným prvkem, který umožní regulaci odběru elektrické energie. V článku budou uvedeny základní typy akumulačních spotřebičů pro vytápění a přípravu teplé vody, zásady pro jejich dimenzování a možnosti regulace jejich provozu.

Základními zdroji elektrické energie v České republice jsou uhelné a jaderné elektrárny, které pokrývají základní pásmo v denním diagramu zatížení. Instalovaný výkon těchto elektráren je přibližně 75 % z celkového instalovaného výkonu.

Výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie v roce 2013 činila 9,2 TWh a na hrubé domácí spotřebě se podílela 13,17 %. Česká republika tak splnila cíl, který přijala podle plánu EU pro rok 2020. Pro další období do roku 2030 se předpokládá zvýšení podílu na 18 %.

Produkce elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie je velmi proměnlivá. Ve fotovoltaických a větrných elektrárnách se vyrábí v době, kdy pro ni není uplatnění. Elektrickou energii vyrábíme a spotřebováváme v jiné době, než ji můžeme využít (spotřebovat). Proto potřebujeme vytvořit lokální zásobu elektrické energie – krátkodobou zálohu pro překlenutí výpadku hlavního zdroje nebo nadřazené sítě.

Mezi základní principy akumulace energie patří:

• tepelná s využitím klasických či přírodních materiálů (pevné materiály, slané roztoky),
• mechanická (setrvačníky, přečerpávací vodní elektrárny, akumulace stlačeného vzduchu),
• elektrická – kondenzátory, super kondenzátory, supravodivé technologie,
• elektrochemická – klasické akumulátory, elektrochemické palivové články, palivové články,
• chemická – vodík.

Výroba elektrické energie z OZE

Elektrické vytápění dnes málokdo doporučuje. V porovnání s topením plynem nebo pevnými palivy je dnes provozně dražší a produkuje více oxidu uhličitého, ne sice v místě spotřeby, kde se elektrická energie mění v teplo, ale v místě výroby elektrické energie. Na další vývoj elektrického vytápění jsou rozporuplné názory mezi energetiky, ale i v renomovaných energetických institutech.

Německý institut pro teplo a techniku topných olejů (IWO Hamburg) vidí budoucnost vytápění v elektrickém vytápění. Důvodem pro toto doporučení je skutečnost, že v roce 2013 se v Německu výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů podílela 24 % na celkové výrobě elektřiny.

Tento podíl se stále zvyšuje, v roce 2020 by vzrostl 35 % a v roce 2050 dokonce na 80 %. Převažujícími zdroji budou větrné a fotovoltaické elektrárny, které neprodukují žádné emise CO₂ (Obr. 1, 2).

Obr. 1 Vývoj výroby elektřiny z OZE a její podíl na hrubé domácí spotřebě v ČR (TWh)

Obr. 2 Podíl druhů OZE na celkové výrobě elektrické energie z OZE (9,2 TWh v roce 2013)

Akumulace elektrické energie v topných zařízeních

Aby bylo možno proměnlivou výrobu elektrické energie, danou závislostí na povětrnostních podmínkách efektivně využívat, je nutno vyrovnávat kolísavou výrobu hospodárnou akumulací přebytečné energie a jejím zpětným využitím.

Přebytky elektrické energie, které nebude možno uplatnit na trhu s elektrickou energií, se v elektrických topných zařízeních přemění na teplo a akumuluje se v akumulačních nádržích v topných soustavách a v akumulačních zásobnících pro přípravu teplé vody.

Elektrická topná zařízení mohou být dálkově ovládána provozovateli distribučních sítí, a tak pružně reagovat na potřeby distribuční sítě a využívat elektrickou energii s výhodou v době, kdy jí bude přebytek.

Tím by se zvýšila akumulační kapacita sítě, a tak by se mohla vyrovnávat bilance vyráběného a odebíraného elektrického výkonu a do značné míry by se omezila závislost obnovitelných zdrojů na počasí. Operativně by se mohly využívat přebytky elektrické energie z vlastních domácích fotovoltaických elektráren.

Současný trend vývoje pomalu směřuje k elektrickému vytápění, přestože někteří odborníci poukazují na to, že topná zařízení využívající elektrickou energii vykazují málo účinné využití primárních energetických zdrojů dané účinností výroby elektrické energie v tepelných elektrárnách.

Elektrická topná zařízení omezí závislost na trhu s plynem a dalšími palivy. Oproti jiným topným systémům mají tato zařízení daleko nejnižší pořizovací náklady a minimální náklady na údržbu. Přenos a rozvod elektrické energie lze realizovat při nejmenším průřezem mezi všemi možnými nosiči energie, nevyžadují tepelnou izolaci, nešíří kolem sebe za provozu žádný jiný zbytkový odpad.

Bohužel trh s elektřinou není na tuto změnu připraven. Tarify pro elektrické vytápění u distribučních společností neslouží k podpoře tohoto druhu využívání elektrické energie. Rozdíly mezi cenou elektrické energie ve vysokém a nízkém tarifu nemotivují zákazníky k tomu, aby si pořizovali ve větší míře elektrické topné spotřebiče.

Využití chytrých sítí pro elektrické vytápění

Zavedení chytrých sítí povede ke zvýšení spolehlivosti elektrizační soustavy, umožní integraci velkého počtu obnovitelných zdrojů energie, jejichž prostřednictvím se získá velký objem elektrické energie, kterou bude možno spotřebovávat v místní spotřebě. Smart Grids jsou nezbytné pro rozvoj trhu s elektrickou energií a pro zvýšení účinnosti při využívání elektrické energie.

Zavádění inteligentních sítí je spojeno s velkými investicemi do síťové infrastruktury a to nejen silové (vedení, rozvodny, transformátory), ale zejména do komunikační infrastruktury. Protože tyto investice budou hrazeny platbami za přenesenou elektrickou energii od zákazníků, bude nutno provést optimalizaci projektu tak, aby náklady byly pro zákazníky únosné.

Základním principem chytrého měření (Smart Metering) je vzájemná oboustranná komunikace mezi zdroji (distribuce) a zákazníky. Ta umožní, aby se zákazníci mohli rozhodovat o provozu elektrospotřebičů podle aktuální situace v síti.

Zákazníci budou moci nastavit intervaly spínání topných spotřebičů (vytápění, ohřev teplé vody), dalších energeticky náročných spotřebičů (pračky, myčky, sušičky) tak, aby jejich provoz byl co nejhospodárnější a šetrný k síti.

K tomu budou potřebovat informace o možnostech sítí (přetížení, výroba z OZE) a o tarifech (dynamické tarify). V těchto sítích by mohlo vyšší nasazení elektrického vytápění sehrát stabilizující roli při zajišťování rovnováhy mezi výrobou a spotřebou elektrické energie (Obr. 3).

Obr. 3 Denní diagram zatížení podle skupin elektrických spotřebičů

Dimenzování elektrického vytápění

Základním údajem pro návrh elektrického akumulačního vytápění jsou tepelné ztráty místností vytápěného objektu stanovené podle ČSN EN 12831. Dále je třeba znát režim vytápění daného objektu. Dimenzování akumulačních topidel uvedeme na příkladu elektrických akumulačních kamen.

Během nabíjecí doby je třeba naakumulovat teplo pro celodenní provoz. Nabíjení probíhá po dobu 8 hodin. Tato doba může být souvislá nebo dnes častěji rozdělena na dvě časová pásma, např. 5 hodin v noční době a 3 hodiny v odpolední mimošpičkové době.

Příkon akumulačních kamen P pro jednotlivé místnosti se stanoví ze vztahu:

P = Q_d . k_v . 10^-3                    (1),

kde k_v je součinitel provozu.

Denní potřeba tepla Q_d se stanoví:            

Q_d = Q_c . T_v                        (2),

kde T_v je součinitel provozního režimu vytápění v hodinách.

Závěr

Podle NAP se má v České republice do roku 2040 zvýšit celkový instalovaný výkon malých fotovoltaických elektráren o cca 5 000 MW. Instalovaný výkon jedné fotovoltaické elektrárny na rodinném domku je podle zkušeností distribučních společností 5 kW.

Tyto výkony bude možno připojit k síti bez licenčního řízení. Distribuční společnosti však požadují, aby veškerá vyrobená elektrická energie byla spotřebována v příslušném domku a dodávka do sítě by byla nulová. Akumulace energie v tepelných zařízeních je jednou z cest, jak tento požadavek naplnit.

Text byl publikován ve Sborníku konference Alternativní zdroje energie, Kroměříž 2016.

Literatura
[1] Sborník konference EGU Praha Engineering, 2011
[2] Materiály ERÚ, ČEZ Distribuce

Text: Ing. František Vybíralík, CSc.
Autor je odborníkem na rozvodné sítě a energetické zdroje.

Foto: isifa/Shutterstock

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 1/2017.