Energetické a environmentální aspekty CZT

Soustavy centralizovaného zásobování teplem jsou ve stále větší míře podporovány ze strany evropských i národních autorit. Důvodem je jejich nesporný přínos v oblasti energetického využití a vlivu na životní prostředí. Vliv CZT na zmíněné oblasti je však různý – pozitivní i negativní – podle lokálního provedení a provozu. Příspěvek se snaží poukázat na jednotlivé vlivy a objasnit potenciál, se kterým umíme dále pracovat.

Systémy CZT procházejí od svého vzniku mnoha proměnami, které si vyžádaly globální (ropná a plynová krize) a lokální podmínky (potřeba páry, likvidace průmyslu, možnosti technologií). Jsou prioritně určeny a navrženy pro celoroční rozvod tepla odběratelům. Teplonosnou látkou je obvykle teplá voda, v rozsáhlých systémech horká voda nebo pára.

V posledních třiceti letech se časový průběh vnějších vlivů zintenzivnil a to zapříčinilo změnu v chování jednotlivých prvků soustavy CZT, jakož i samotných odběratelů tepla. Stále více se kladou nároky na minimalizaci environmentálních vlivů, vysokou flexibilitu a komplexnost služeb. Na tyto změny samozřejmě museli a musí reagovat i provozovatelé soustav CZT různými opatřeními na straně výroby, distribuce a prodeje tepla.

Kvalita životního prostředí

Zlepšování kvality životního prostředí by mělo představovat nikdy nekončící snahu státu o zlepšení životních podmínek svého obyvatelstva. Nedílnou součástí výroby jakékoliv energie je tvorba znečišťujících látek, tedy i zdroj tepla je emitent znečišťujících látek. The Lancet Commission on Pollution and Health zpracovala studii, která porovnala vliv jednotlivých příčinných faktorů na četnost úmrtí ve světě.

Znečištění ovzduší způsobuje ročně kolem 9 milionů předčasných úmrtí a odstraňování jeho následků je finančně náročné (řádově triliony €). V rámci prostoru EU jsou vytvořeny legislativní podmínky pro snižování negativního vlivu výroby a distribuce energie na životní prostředí (směrnice pro velké a střední zdroje znečištění, BAT technologie), které se následně promítají do národních legislativ.

Využití energie

S rozvojem společnosti úzce souvisí potřeba energie a s ní tvorba znečišťujících látek. Podle studie společnosti DNV GL je předpoklad růstu energetické spotřeby ve světě min. do r. 2030. Zároveň se bude měnit struktura nosičů energie a poměr OZE a fosilních paliv se srovná přibližně v r. 2050.

Celosvětový trend samozřejmě zasáhne i zdroje v CZT, přirozeně se zohledněním místních podmínek. V prostoru EU se bude preferovat tzv. účinné CZT, zohledňující podíl OZE, KVET a celkovou energetickou účinnost. S tím souvisí i tlak na energetickou náročnost budov, což způsobí nižší dodávky energie.

Tvorba emisí spalováním

Přeměna chemické energie obsažené v palivu, která má následně další využití (výroba elektřiny, chladu, mechanický pohon, výrobní proces aj.), se provádí spalováním (oxidací). Obsah kyslíku ve spalovacím vzduchu ovlivňuje množství a strukturu vyprodukovaných emisí. Základní chemické rovnice při tzv. dokonalém spalování se nazývají stechiometrické a použijí se podle použitého paliva a jeho složení a také podle podmínek spalovacího procesu.

Výsledkem spalování jsou směsi plynů a prachových částic a samozřejmě uvolněné teplo. Nejčastějšími zplodinami jsou (v závislosti na použitém palivu) oxidy uhlíku, síry, dusíku, vodíku a také nespálené tuhé částice (vyjádřeno jako tuhé znečišťující látky). Závislost dokonalosti spalování na obsahu kyslíku ve spalovacím vzduchu nám udává Ostwaldův trojúhelník.

Rozptyl a snižování tvorby emisí

Rozptyl a snižování tvorby emisí je dáno použitým typem paliva, spalovacím zařízením a účinností přeměny energie. Tvorba emisí ze spalovacího zařízení má vliv na celkové znečištění kvality ovzduší vyjadřované přes celkové imise v daném posuzovaném území. Ty jsou ovlivněny rozptylem emisí z jednotlivých zdrojů.

Aby byl zajištěn optimální rozptyl emisí, musí být vybudován komín s potřebnou minimální výškou pro rozptyl emisí v ovzduší. Uvedenou podmínku musí splňovat komíny pro všechny zdroje tepla, i ty, které jsou sou­částí soustav centralizovaného zásobování teplem.

Dostatečná výška komínu zajišťuje, že emise se v ovzduší promíchají s okolním vzduchem, naředí se a obvykle se dostanou vlivem atmosférických podmínek daleko od místa vzniku. Tím se minimalizuje jejich negativní vliv na živé organismy. Ideální je, pokud ústí komína je nad inverzní vrstvou ovzduší, což je však ekonomicky proveditelné pouze při velkých zdrojích.

Podíl na znečišťování ovzduší použitého paliva je závislý na prvkovém složení, způsobu dopravy a skladování ve zdroji energie. Spalovací zařízení ovlivňuje tvorbu emisí v závislosti na své konstrukci a principu a podmínkách přeměny energie. Účinnost přeměny energie přímo ovlivňuje tvorbu emisí skrze množství spotřebovaného paliva na výrobu požadovaného množství energie.

Energetický tok

Při hodnocení energetického toku CZT musíme sledovat energii v jejích jednotlivých součástech – zdroji, primární tepelné síti, předávací stanici tepla, sekundární tepelné síti a objektu spotřeby.

Energetická bilance

Spotřeba energie ve zdroji CZT je určena spotřebou zásobovaných objektů a účinností jednotlivých částí CZT. Tab. 1 ukazuje příklad toku energie při uvažované spotřebě 100 jednotek energie. Zároveň tab. 1 ukazuje zásadní změnu v toku energie, pokud odběratel racionalizuje svou spotřebu energie a zároveň výrobce a distributor investují do změny struktury zdroje (např. s podílem tepelných čerpadel) a snižují provozní parametry teplonosné látky. Účinnost výroby a distribuce tepla tedy přímo úměrně ovlivňuje spotřebu paliva a skrze emisní faktory tvorbu množství jednotlivých složek emisí.

Potenciál úspor energie a emisí znečišťujících látek

Je v podstatě dán technologickými limity jednotlivých částí CZT, skladbou technologií, provozními parametry a provozním režimem.

Z dostupných známých způsobů, jak zvýšit energetickou účinnost, lze uvést alespoň některé:

• tepelně technické vlastnosti izolací a jejich stálost v čase,
• hydraulický návrh výměníků tepla,
• způsob zapojení komponentů předávacích stanic tepla,
• způsob dimenzování tepelných rozvodů (teplotní spád, tlaková ztráta),
• volba systému distribuce (dvoutrubkový a čtyřtrubkový systém, krytí špičky odběru),
• vychlazení teploty vratné vody,
• použití ekologických technologií a vhodná kombinace technologií,
• správný způsob regulace,
• nepředimenzování zařízení.

Každá jednotlivá soustava CZT je limitována z hlediska energetické účinnosti a následného vlivu na znečištění ovzduší lokálními podmínkami.

Závěr

Spotřeba energie ovlivňuje úroveň znečištění ovzduší a ta kvalitu života lidí. Podíl tohoto vlivu závisí na struktuře spotřebovaných forem energie a struktuře paliv na jejich zabezpečení. Největší možnost variability při hledání optimálního způsobu výroby a distribuce energií poskytují právě systémy centralizovaného zásobování teplem a to jak z energetického, tak i z environmentálního hlediska.

Poznání vzájemných vazeb mezi spotřebou jednotlivých energií a možnostmi jejich ­zabezpečení umožňuje nacházet optimální způsoby výroby a distribuce s cílem minimalizovat environmentální dopady. ­Velký význam v tomto procesu má neustálé vzdělávání a usměrňování veřejného mínění.

Literatura:
[1] Studie The Lancet Commission on Pollution and Health, 2017
[2] Studie DNV GL, 2017
[3] Javier Ponce Formación Técnica: Valores Óptimos Combustión, 2016
[4] Porovnanie CZT a individuálneho vykurovania z pohľadu účinkov na životné prostredie, Ing. Július Jankovský, PhD., 2017

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 3/2018.