Porovnání možností efektivního využití tepelných čerpadel a solární energie v podmínkách SR

Energetická efektivnost jakéhokoliv systému transformace energií se všeobecně definuje jako množství získané energie na jednotku dodané pohonné energie k zabezpečení provozu daného systému. Systém s vyšší hodnotou energetické efektivnosti je z hlediska spotřeby pohonné energie nepochybně hospodárnější. Toto hledisko však pro uživatele není rozhodující.

Energetická efektivnost
Energetická efektivnost jakéhokoliv systému transformace energií se všeobecně definuje jako množství získané energie na jednotku dodané pohonné energie pro zabezpečení provozu daného systému. U tepelných čerpadel, která pracují na principu chladicích oběhů, se tento poměr nazývá výkonovým číslem a označuje se COP. Systém s vyšší hodnotou energetické efektivnosti je z hlediska spotřeby pohonné energie nepochybně hospodárnější. Takto definovaná energetická efektivnost je hodnotou daného systému transformace energie, ale z hlediska jeho uživatele není rozhodující. Pro uživatele je výhodnější ten systém, který má vyšší hodnotu využité (užitečně spotřebované) energie z daného zařízení na porovnatelnou jednotku dodané pohonné energie. Rozdíl v kvantitě získané (vyrobené) a využité energie často není zanedbatelný a může významně ovlivnit i ekonomickou efektivnost daného energetického systému.

V souvislosti s uvedenou všeobecnou definicí energetické efektivnosti libovolného systému transformace energií si musíme uvědomit, že ji lze použít jen pro kvantitativní porovnávání energetických systémů se stejným druhem pohonné energie (mechanické nebo tepelné). U různých druhů pohonné energie (například mechanické pro kompresorový a tepelné pro absorpční chladicí oběh) je třeba při kvantitativním porovnávání takových systémů vyjádřit pohonnou energii ekvivalentem primární energie, tedy tepelné energie získané spalováním fosilního paliva, která je potřebná na výrobu dané pohonné energie.

Tepelná čerpadla
Porovnáváme-li obě dvě technologie výroby tepla z hlediska dosažitelné energetické efektivnosti, musíme vzít v úvahu, že pro tepelná čerpadla projektovaná do nových nevýrobních budov není třeba zavádět jako alternativu ještě i klasický způsob výroby tepla. Tepelná čerpadla jsou schopna energeticky efektivně zabezpečit celoroční potřebu tepla na vytápění a přípravu teplé vody (TV), samozřejmě za předpokladu realizace velkoplošných vytápěcích systémů s  teplotní úrovní vytápěcího média 35 až 45 °C. Tepelná čerpadla lze použít i v letních měsících na výrobu chladu (například pomocí reverzního chladicího oběhu pro účely klimatizace a teplovzdušného vytápění pomocí zpětného získávání tepla z větracího vzduchu), lze je tedy využívat v celoročním provozu. Ilustrační schéma znázorňující hlavní komponenty a funkci oběhu kompresorového tepelného čerpadla je na obr. 1.

Obr. 1 – Schéma zapojení komponentů a funkce kompresorového tepelného čerpadla

Solární kolektory
Výroba tepla solárními kolektory nemůže zabezpečit celoroční potřebu tepelného výkonu k vytápění ani k přípravě TV bez využití alternativního systému výroby tepla, protože energeticky efektivní využívání solárních kolektorů v měsících říjen až březen by vyžadovalo mimořádně velké akumulační zásobníky (nutno počítat i s více než desetidenními výlukami slunečního svitu). Kromě toho dosažení požadované teplotní úrovně například ohřívané TV by vyžadovalo použití speciálních, investičně náročných druhů slunečních kolektorů. Výroba tepla ze solární energie může být tedy v klimatických podmínkách SR jen alternativním, doplňkovým zdrojem tepla.

Jako příklad možnosti využívání slunečních kolektorů můžeme uvést energetické údaje z (4), kde se z celoroční výroby tepla s hodnotou 183 GJ pomocí instalovaných slunečních kolektorů vyrobí v měsících říjen až březen (čili za půlroční provozní období) jen 29 % z uvedené hodnoty. Systém má akumulační zásobník s objemem jen 1 000 l a předehřívá pitnou vodu pro přípravu TV z 15 na 45 °C. Uvedené výstupní teploty však dosahuje jen v době nejvyššího slunečního záření, tedy v měsících duben až srpen. Je celkem zřejmé, že takový systém nemůže zabezpečit přípravu TV během roku bez klasického systému ohřevu a jeho energetická efektivnost výrazně závisí na tom, pro jaké parametry ohřevu (hlavně dosažitelnou teplotní úroveň) je dimenzován a pro jaký měsíc v roce se navrhuje kolektorová plocha zabezpečující celkový tepelný výkon systému.

Všeobecně lze konstatovat, že solární systémy nemohou zabezpečovat dostatek tepelného výkonu během celého roku bez alternativních systémů výroby tepla a jejich dimenzování na přechodné období (jaro, podzim) přináší nadbytečnou, nevyužitelnou produkci tepla v měsících duben až srpen. Tato nadprodukce tepelné energie by se dala, samozřejmě teoreticky, využít pomocí absorpčních chladicích zařízení k výrobě chladu – například pro klimatizační účely. Výroba chladu z absorpčních zařízení s pohonnou tepelnou energií získanou ze slunečních kolektorů však pro rodinné domy a byty prakticky nepřipadá v úvahu. Malá absorpční chladicí zařízení s výkony maximálně několik desítek kW mají totiž velmi nízkou energetickou efektivnost, prakticky nejsou dostupné na trhu (až na několik výjimek – v USA a Japonsku, ty však využívají k vytápění generátory spalování zemního plynu) a vyžadují teplotní úroveň vytápěcího média minimálně 90 °C a výše, což i v letních měsících lze zabezpečit jen mimořádně investičně náročnými slunečními kolektory.

Energetický potenciál porovnávaných systémů
Celkový energetický potenciál porovnávaných systémů je u tepelných čerpadel teoreticky i prakticky neomezený, protože jsou neomezené zdroje nízkoteplotní energie na jejich provoz (například okolní vzduch). Co se týče solárních systémů výroby tepla, nutno konstatovat, že vysoké hodnoty energetického potenciálu uváděné v různých státních dokumentech jsou jen teoretické a prakticky realizovatelné jen v omezené míře. Je potřeba mít na zřeteli, že technicky není možné zvyšovat využitelnou plochu kolektoru nad určité hranice. To je dáno tím, že nemáme k dispozici prostor na umístění kolektorů, protože nelze donekonečna snižovat například plochu zemědělské produkce nebo neomezeně narušovat zastavěná území z urbanistických hledisek. Formulace o obrovském potenciálu v solárních systémech a tepelných čerpadlech uváděné v (7) platí tedy výlučně pro tepelná čerpadla.

Energetická efektivnost verzus ekologicky škodlivé vlivy
Při porovnání energetické efektivnosti systémů na výrobu tepla je třeba vzít v úvahu fakt, že solární systémy potřebují ke svému provozu i pohonnou energii. Často se nesprávně argumentuje, že tyto systémy nemají – na rozdíl od tepelných čerpadel, která potřebují pohon kompresoru – žádné provozní náklady na pohonnou energii. Přitom jde hlavně o energii potřebnou pro cirkulační čerpadla na rozvod solanky ze slunečních kolektorů do zásobníků celého systému, pohon různých regulačních zařízení apod. Kvantitativní hodnoty těchto pohonných energií nejsou při určování energetické ani ekonomické efektivnosti zanedbatelné.

Základní nevýhodou solárních systémů je z hlediska energetického hodnocení často výrazný rozdíl v kvantitě získané (vyrobené) a využité tepelné energie. Jak jsme už v úvodu uvedli, významně to ovlivňuje hodnotu energetické efektivnosti daného systému z hlediska uživatele, která je nesporně rozhodující pro výpočet komplexní ekonomické efektivnosti systému. Solární kolektory mají jistě nižší provozní náklady na pohonnou energii, ale nutnost výroby velké části celoroční energetické potřeby klasickým, energeticky málo efektivním systémem výrazně ovlivňuje snížení celkové energetické efektivnosti.

Laickou i technickou veřejností často vyhlašované vyšší energetické a ekologické efektivnosti solárních systémů výroby tepla (v porovnání s výrobou tepla tepelnými čerpadly) nelze reálně dosáhnout. Porovnávat energetickou i ekologickou efektivnost obou systémů lze jen vyhodnocením konkrétních aplikací na základě hodnoty efektivně využité (ne získané) energie na jednotku pohonné energie systému a na základě nevyhnutelnosti výroby velké části celoroční energetické potřeby klasickým, energeticky málo efektivním systémem při využívání solární energie. Můžeme tedy konstatovat, že systémy tepelných čerpadel jsou energeticky efektivnější než systémy využívající solární energii. To vyplývá i z konkrétního porovnání, které ukazuje téměř na víc než dvojnásobné úspory primární energie výrobou tepla tepelnými čerpadly v porovnání se solárními kolektory (3).

V podmínkách Slovenské republiky jsou z hlediska úspory emisí CO₂ tepelná čerpadla efektivnější než systémy slunečních kolektorů. Je to dáno především tím, že elektrická energie pro pohon kompresorů tepelných čerpadel se z více než 70 % vyrábí přímo na Slovensku bez spalování fosilních paliv, tedy hlavně z vodní a jaderné energie; únik CO₂  se pohybuje mezi hodnotami 0,18 až 0,20 kg/kWh dostupné elektrické energie z rozvodné sítě (celosvětový průměr je asi 0,6 kg/kWh) (5). Využití tepelných čerpadel k výrobě tepla je tak energeticky i ekologicky nejefektivnějším využitím primární energie z fosilního paliva, kvantitativně až třikrát efektivnější než spalování fosilního paliva v kotli (6). Tepelná čerpadla tedy dosahují úspory primární energie už od hodnot COP = 1, tedy každé tepelné čerpadlo je energeticky i ekologicky (z hlediska úniku CO₂) výhodnější než spalování fosilního paliva v kotli.

Ekonomická efektivnost tepelných čerpadel a systémů získávání solární energie
Pro vyčíslení komplexní ekonomické efektivnosti je třeba porovnat uvedené systémy výroby tepla z hlediska celkových ročních nákladů (čili sumy provozních nákladů a odpisů z investic) na jednotku využité tepelné energie (z hlediska uživatele tedy užitečně spotřebované, ne vyrobené). Tak získáme návratnost investic v porovnání jednotlivých systémů navzájem i v porovnání s konvenčními způsoby výroby tepla.

Vysoká investiční náročnost solárních systémů na jednotku využité tepelné energie výrazně zpochybňuje předpoklady vládní Strategie vyššího využití OZE o pětinásobném ročním nárůstu využívané plochy slunečních kolektorů (z 5 000 na 25 000 m²) do více než 4 000 domů (nyní 800).

Konkrétní ekonomická porovnání očekávaných úspor primární energie při výrobě tepla solárními kolektory a tepelnými čerpadly uvedená v (3) ukazují, že přibližně dvojnásobné úspory primární energie získané provozem tepelných čerpadel se v porovnání se solárními kolektory dosahuje při státní dotaci na uspořený TJ v hodnotě nižší o přibližně 40 až 50 %. Je tedy zřejmé, že plánované státní dotace na solární kolektory výrazně zvyšují náklady státu na uspořený TJ primární energie a jsou ekonomicky neefektivní investicí v porovnání s dotacemi na výrobu tepla tepelnými čerpadly. Ty by ale při předpokládaném technicky reálném nárůstu jejich počtu na asi 3 300 instalací do roku 2010 (například v ČR bylo v roce 2005 instalováno 4 000 tepelných čerpadel) (3) dosahovaly jen asi 15 000 Sk na jednu instalaci, což by pro povzbuzení trhu s tepelnými čerpadly pro rodinné domy a byty prakticky nebylo zajímavé ani stimulující. Výraznou stimulaci pro nová tepelná čerpadla v nevýrobních budovách lze očekávat až od dotace asi 50 000 Sk/16 400 eur na jednu instalaci.

V souvislosti s uvedenými fakty lze taktéž konstatovat, že formulace „… nejvýhodnější cesta získávání energie je prostřednictvím tepelných čerpadel ze země a solárních systémů ze slunce…“ uvedená v (7) je principiálně nesprávná především proto, že pro uživatele „výhodný“ je ten systém, který vyrábí energii s nejmenšími celkovými ročními náklady. To v tomto případě neplatí ani pro tepelná čerpadla se zdrojem nízkoteplotní energie ze zemních kolektorů (je to investičně nejdražší systém s celkovými náklady pro rodinný dům – téměř 0,5 miliónu Sk/16 400 eur, což je několikanásobně více než u tepelných čerpadel využívajících jako zdroj energie okolní vzduch), ani pro solární systémy, jejichž celkové roční náklady na jednotku získané energie také výrazně převyšují náklady na tepelná čerpadla (s výjimkou těch se zemními kolektory).

Jak už bylo uvedeno, využití solárních kolektorů pro výrobu chladu v letních měsících k účelům klimatizace v rodinných domech a bytech pomocí absorpčních chladicích oběhů je energeticky neefektivní a v současnosti i technicky nedostupné. I v budoucnosti, při dostupnosti odpovídajících absorpčních zařízení, by bylo jednoznačně ekonomicky velmi neefektivní. Výraznou ekonomickou neefektivnost můžeme jednoznačně očekávat i u různých kombinací tepelných čerpadel a slunečních kolektorů, které jsou sice technicky realizovatelné, ale v současnosti ekonomicky nepřijatelné.

Závěr
Konkrétní porovnání možností efektivního využití tepelných čerpadel a solární energie na produkci tepelné energie vyznívají jednoznačně ve prospěch systémů tepelných čerpadel – jak z hlediska dosažitelné energetické efektivnosti, tak i z hlediska komplexního ekonomického porovnání. Výroba tepla ze solární energie může být v klimatických podmínkách SR jen alternativním, doplňkovým zdrojem tepelné energie. Dosáhnout energetické a ekonomické efektivnosti lze v porovnání s tepelnými čerpadly jen v některých speciálních aplikacích (například využitím investičně nenáročných plastových kolektorů bez překrytí, tvořících součást stavby).

Plánovaná státní podpora instalací tepelných čerpadel na roky 2009 a 2010 v celkové výšce 50 miliónů Sk/1 640 000 eur nemůže být vzhledem k technicky reálné možnosti instalací více než 3 000 tepelných čerpadel pro účely vytápění a přípravy TV v letech 2008 až 2010 (3) stimulující povzbuzení trhu s tepelnými čerpadly určenými do nevýrobních budov, protože by představovala dotaci v průměru jen asi 500 EUR na jednu instalaci.

Plánované státní dotace pro solární kolektory na nejbližší roky v hodnotě 2 298 660 eur ročně výrazně zvyšují náklady státu na uspořený TJ primární energie, takže jsou ekonomicky neefektivní investicí v porovnání s dotacemi na výrobu tepla tepelnými čerpadly, které mohou dosáhnout až více než dvojnásobné úspory primární energie (a tedy i ekologickou úsporu úměrným snížením úniku CO₂) než u systémů solárních kolektorů (3).

Příspěvek vznikl v rámci grantového úkolu VEGA č. 1/4113/07.

prof. Ing. Václav Havelský, Ph.D.
Foto: Junkers

Literatura
1. Akční plán energetické efektivnosti na roky 2008–2010 schválený ve stanoveném termínu. In: TZB Haustechnik, 2007, č. 6, s. 2.
2. Schválená koncepce energetické efektivnosti SR. In: TZB Haustechnik, 2007, č. 5, s. 7–8.
3. Tomlein, P.: Tepelné čerpadlá v energetických stratégiách SR. In: Sborník přednášek z 5. mezinárodní konference SZ CHKT Servis pro chlazení a klimatizaci 2007, Oravská přehrada 3. až 5. 10. 2007, s. 124–131. Rovinka: SZ CHKT.
4. Belovič, I.: Využití solární energie v centralizovaném zásobovaní teplem. In: TZB Haustechnik 2007, č. 1, s. 16.
5. Havelský, V.: Zdroje chladu v energetickej certifikácii budov podľa zákona 555/2005 Z. z. In: Sborník přednášek z 5. mezinárodní konference SZ CHKT, Servis pro chlazení a klimatizaci 2007, Oravská přehrada 3. až 5. 10. 2007, s. 20–21. Rovinka: SZ CHKT.
6. Havelský, V.: Energetická efektivnost uplatnenia tepelných čerpadiel v SR. In: Sborník přednášek z 5. mezinárodní konference SZ CHKT Servis pro chlazení a klimatizaci 2007, Oravská přehrada 3. až 5. 10. 2007, s. 114–117. Rovinka: SZ CHKT.
7. Petránsky, Ľ: Najvýhodnejšia energia je zo zeme a slnka. In: TZB Haustechnik, 2007, č. 6, s. 18–20.