Geotermálna energia a sústavy centrálneho zásobovania teplom

Smernica 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov určuje povinnosť znížiť spotrebu energie o 20 % do roku 2020 a zároveň zvýšiť podiel obnoviteľných zdrojov energie (OZE). Na dosiahnutie tohto cieľa treba pristúpiť k rekonštrukcii starých budov, k výstavbe nízkoenergetických a pasívnych budov a hlavne k zvýšeniu podielu OZE na zabezpečenie energie potrebnej najmä na vykurovanie, prípravu teplej vody a v neposlednom rade aj na výrobu elektrickej energie.

 V zákone č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov v §4 odsek 2 sa uvádza, že ak ide o veľkú novú budovu, musí sa v príprave jej výstavby posúdiť technická, environmentálna a ekonomická využiteľnosť alternatívnych energetických systémov v mieste výstavby, najmä možnosť využitia elektriny a tepla zo zdroja kombinovanej výroby elektriny a tepla alebo centrálneho zásobovania teplom a chladom a možnosť dodávky energie z lokálnych systémov využívajúcich obnoviteľné zdroje energie, napríklad tepelného čerpadla alebo aj geotermálnej energie.

Zvyšovanie podielu obnoviteľných zdrojov energie (OZE) na výrobe tepla aj elektriny s cieľom vytvoriť primerané doplnkové zdroje potrebné na krytie domáceho dopytu je jednou zo základných priorít energetickej politiky SR. Slovensko je odkázané na dovoz primárnych energetických zdrojov tepla.

Hlavným dodávateľom zemného plynu v rozsahu takmer 89 % je Rusko. Plynová kríza začiatkom roka 2009 bola bezprecedentnou situáciou, keď boli dodávky ruského plynu cez Ukrajinu pre Slovensko na niekoľko dní úplne zastavené. Počas tohto obdobia krízy sa z dôvodu vysokého stupňa závislosti tepelného sektora od zemného plynu ukázala zraniteľnosť bezpečnosti zásobovania teplom. Vzhľadom na zásoby jednotlivých energetických zdrojov na území SR možno konštatovať, že úlohu pri znížení celkovej závislosti od dovozu zemného plynu môžu zohrávať len obnoviteľné zdroje energie. Potvrdzuje sa, že využívanie OZE ako domácich energetických zdrojov zvyšuje do určitej miery bezpečnosť a čiastočnú diverzifikáciu dodávok energie a súčasne znižuje závislosť ekonomiky od nestabilných cien ropy a zemného plynu. Ich využívanie sa zakladá na vyspelých a environmentálne šetrných technológiách a prispieva k znižovaniu emisií skleníkových plynov a škodlivín do ovzdušia.

V sústavách centralizovaného zásobovania teplom (SCZT) sa využíva ako palivo predovšetkým zemný plyn. Pri využívaní, respektíve aplikácii OZE, patrí medzi najperspektívnejšie geotermálna energia (GE).
Intenzívnejšie využívanie tejto energie by malo prispieť k odbúraniu závislosti od dovozu a zvýšiť podiel využívania OZE pri zabezpečení potrieb tepla a energie v sústavách centralizovaného zásobovania teplom. Geotermálna energia si zaslúži, vzhľadom na hydrogeologické pomery regiónov Slovenska, zvýšenú pozornosť. Metóda návrhu takéhoto zdroja energie a jej uplatnenie v sústavách centralizovaného zásobovania teplom je obsiahnutá v STN EN 15316: 2007 v časti 4-5.

Súčasný stav využívania geotermálnej energie
Na Slovensku je vymedzených dvadsaťšesť potenciálnych oblastí a štruktúr vhodných na ťažbu a využívanie zdrojov geotermálnej energie s akumuláciou geotermálnych vôd s teplotami v rozpätí od 25 do 150 °C. Na území Slovenska sa dosiaľ zaregistrovalo 160 geotermálnych zdrojov (vrty, pramene, a podobne) s teplotou vody od θ0 = 15,7 do 126,0 °C. Geotermálne vrty sa zrealizovali v hĺbkovom intervale od h = 40,0 do 3 700 m. Prevažná časť oblastí má teplotu vôd vhodnú na vykurovanie bytov a priemyselných priestorov. Celkový energetický potenciál geotermálnych vôd vo vymedzených oblastiach predstavuje Q`= 5 538 MW.

Geotermálne vody sa v geotermálnych energetických systémoch využívajú na poľnohospodárske účely – na dodávku tepla na vykuro­vanie skleníkov, fóliovníkov a na vyhrievanie pôdy. Čoraz väčší dôraz sa kladie na dodávku tepla na vykurovanie stavebných objektov, bytov, sociálno-hospodárskych budov, známe sú aj aplikácie na prípravu technologickej vody pri chove rýb a najmä v oblasti cestovného ruchu pre potreby bazénových hospodárstiev termálnych kúpalísk.

Prvý geotermálny projekt (geotermálny energetický systém s čiastočne uzatvoreným využívaním), výstavba reinjektážnej stanice v Podhájskej, bol dokončený v roku 1994. V roku 1996 bola uvedená do prevádzky prvá geotermálna vykurovacia centrála s otvoreným systémom a kapacitou 8 MWt v Galante. V roku 2008 bol vybudovaný areál termálneho kúpaliska Galandia v Galante, čím sa dosiahlo účinnejšie využite geotermálnej energie v tejto lokalite. V ostatných rokoch sa začalo s realizáciou projektov s využitím geotermálnej energie v Košickej kotline, v Bešeňovej, v Oraviciach a v Poprade. Zároveň sa vypracovali technicko-ekonomické štúdie využitia geotermálnej energie v rozličných lokalitách na území Slovenskej republiky.

Sústava CZT podľa STN EN 15316
Vykurovacími systémami v budovách a metódami výpočtu energetických požiadaviek systémov a účinnosti systémov sa zaoberá súbor STN EN 15316.

O využití geotermálnej energie ako zdroja tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody v budovách sa hovorí najmä v súvislosti so sústavami centralizovaného zásobovania teplom. Výroba tepla, vlastnosti a kvalita centralizovaného zásobovania teplom a veľkoobjemových systémov je obsiahnutá v STN EN 15316 v časti 4-5, ktorá charakterizuje SCZT, jej časti a zároveň sa v nej nachádza aj metóda výpočtu takejto sústavy. Nenachádza sa v nej však metóda výpočtu SCZT, v ktorej sa ako zdroj využíva geotermálna energia.
Hospodárnosť SCZT sa podľa tejto normy posudzuje jej rozdelením do dvoch častí (obr. 1):

• spotrebná časť – vykurovacia sústava v danej budove (A),
• zdrojová a rozvodná časť nachádzajúca sa mimo budovy – sústava centralizovaného zásobovania teplom (B).

Vnútornú časť, respektíve vykurovací systém v budove (oblasť A) tvorí domová odovzdávacia stanica tepla (OST) vrátane všetkých zriadení od jej primárnej cez sekundárnu stranu až po koncové prvky systému (vykurovacie telesá) v budove. Odovzdávacia stanica tepla sa hodnotí podľa jej vedľajších energetických požiadaviek. To znamená, že domovú OST v budove možno považovať za náhradu zariadenia na výrobu tepla v rámci budovy.

Vonkajšia časť, respektíve časť nachádzajúca sa mimo budovy (oblasť B) je sústava centralizovaného zásobovania teplom, ktorá pozostáva zo zariadení na výrobu tepla a rozvodov tepelných sietí až po primárnu stranu odovzdávacích staníc tepla v zásobovaných budovách. Sú tu začlenené všetky zariadenia, ktoré sú potrebné na prevádzku celej SCZT. Táto časť sa hodnotí podľa bilancie spotreby primárnej energie na výrobu tepla a tepla dodaného do OST v budove.

Faktor primárnej energie SCZT
Účinnosť sústavy centralizovaného zásobovania teplom sa hodnotí posúdením faktora primárnej energie fP,dh konkrétnej SCZT. Primárna energia je podľa spomínanej normy definovaná ako energia, ktorá nebola predmetom nijakého konverzného alebo transformačného procesu. Primárna energia zahŕňa neobnoviteľnú a obnoviteľnú energiu. Celkový faktor primárnej energie je pre daný energetický nosič definovaný ako neobnoviteľná a obnoviteľná primárna energia delená dodanou energiou, kde primárna energia predstavuje množstvo energie potrebnej na dodávku jednej jednotky dodanej energie, pričom sa zohľadňuje energia potrebná na ťažbu, spracovanie, uskladnenie, dopravu, výrobu, transformáciu, prenos, distribúciu a akékoľvek iné operácie potrebné na dodávku energie do budovy, v ktorej sa dodaná energia použije.

Faktor SCZT je definovaný ako podiel vstupu množstva primárnej energie do sústavy EP,in a množstva tepla Qdel dodaného po hranicu zásobovaných budov, teda na primárnu stranu OST budov. To znamená, že do úvahy sa berú tepelné straty distribučného systému tepelnej siete, ako aj ďalšia energia použitá na ťažbu, prípravu, čistenie, spracovanie a dopravu palív na výrobu tepla. Zjednodušene povedané, faktor primárnej energie predstavuje navýšenie energie od dodávky po miesto použitia.
Primárny energetický faktor SCZT sa vypočíta nasledovne:

f_P,dh = E_P,in/ Q_del

kde    f_P,dh    je    faktor primárnej energie (-)
    E_P,in    –    množstvo primárnej energie vstupujúcej do SCZT (MWh)
    Q_del    –    predstavuje množstvo tepla dodaného na hranicu zásobovaných budov OST (MWh).

Tepelné straty a prídavná energia pre OST v budovách sa nezohľadňujú ako časť centralizovaného vykurovacieho systému, ale ako časť vykurovacieho systému budovy (obr. 1).

Obr. 1 Systém hodnotenia hospodárnosti SCZT
1 – prívod paliva (plyn, geotermálna energia), 2 – zdroj tepla, 3 – rozvodná tepelná sieť, 4 – OST v budove, 5 – akumulácia tepla v rozvodoch, 6 – distribúcia v budove, 7 – odovzdávanie tepla (vykurovacie teleso), 8 – potreba tepla na vykurovanie, A – vykurovací systém budovy, B – CZT

Energetická bilancia SCZT
Pri zabezpečení potreby tepla pre obytný súbor s využitím geotermálnej energie v sústave centralizovaného zásobovania teplom (obr. 2) je hlavným a základným zdrojom tepla geotermálny vrt. Na pokrytie špičiek spotreby, respektíve v prípade výpadku hlavného zdroja, je k dispozícii záložný alebo špičkový zdroj tepla na zemný plyn (respektíve biomasu). Faktor primárnej energie takéhoto systému je oveľa menší ako faktor primárnej energie systému so zdrojom tepla na fosílne palivá.

Obr. 2 Metóda energetickej bilancie systému CZT so zdrojom geotermálnej energie
A – hranica systému SCZT, B – špičkový zdroj tepla, C – základný zdroj energie (geotermálny vrt), D – výmenník tepla primárneho zdroja tepla, E – vykurovací systém v budove, 1 – prívod paliva (plyn, biomasa), 2 – elektrická energia na pohon čerpadla, 3 – rozvodná tepelná sieť

Z geotermálneho vrtu (C) sa dopravuje geotermálna voda do ergocentra (D), kde sa pripravuje teplonosná látka pre SCZT. Na pokrytie prevádzkových špičiek SCZT slúži špičkový zdroj energie (B). Tvoria ho kotly na zemný plyn, prípadne na biomasu. Tento zdroj sa využíva v závislosti od parametrov geotermálneho vrtu a od teploty vzduchu v exteriéri. Priebeh trvania potrieb tepla je zobrazený na obr. 3. Z neho vyplýva, že väčšia časť energie sa zabezpečí z geotermálnej vody. Pričom najväčšie množstvo elektrickej energie pri zásobovaní budovy teplom získaným z geotermálneho vrtu sa spotrebuje na pohon čerpadiel. Vďaka tomu sa znižuje ekonomická náročnosť celého systému, nehovoriac o znížení zaťaženia okolitého prostredia emisiami.

Obr. 3 Diagram spotreby energie v SCZT s geotermálnym zdrojom a špičkovou kotolňou

Približne 90 % geotermálnych vrtov na území Slovenskej republiky je pozitívnych, teda bez nutnosti ponorných hlbinných čerpadiel, tým odpadá aj potreba elektrickej energie. V prípade projektu v Galante sú dominantným zdrojom tepla dva geotermálne vrty FGG-2 a FGG-3 a špičková potreba tepla sa kryje z teplovodnej kotolne. Čo sa týka podielu dodávky tepla, 88 až 95 % sa dodáva z geotermálneho zdroja a zvyšok je zabezpečený zo špičkovej kotolne na zemný plyn.

Množstvo primárnej energie EP,in v prípade takéhoto systému pozostáva z elektrickej energie pre primárny zdroj energie (geotermálna voda) na pohon čerpadiel na primárnej, ako aj sekundárnej strane a z prívodu paliva (zemný plyn) ku špičkovému zdroju energie, ako aj elektrickej energie potrebnej na chod špičkového zdroja (obehové čerpadlá, kotol).

Faktor primárnej energie – geotermálnej energie sa určí individuálne pre každý geotermálny vrt v závislosti od jeho daností (teplota na hlave vrtu, spôsob využívania a vychladenie využitej GTV). Faktor primárnej energie – geotermálnej energie zatiaľ nie je definovaný v slovenských ani zahraničných normách, o čom svedčí príloha E.1 normy STN EN 15603 (tab. 1) alebo v prílohe č. 2 k vyhláške MVRR SR č. 311/2009 Z. z. (tab. 2).

Záver
Zákonom č. 555/2005 Z. z., ktorý bol doplnený v neskoršom znení vyhláškami MVRR SR č. 625/2006 Z. z. a č. 311/2009 Z. z., sa ustanovujú postupy a opatrenia na zlepšenie energetickej hospodárnosti budov. Jedným z možných opatrení na zníženie energetických náročností budov je okrem ich rekonštrukcie aj ich napojenie na sústavu centralizovaného zásobovania teplom, v ktorej ako primárny zdroj tepelnej energie bude geotermálna energia v podobe geotermálnej vody a plynová kotolňa bude fungovať ako doplnkový, respektíve špičkový zdroj energie.

V takomto systéme CZT s využitím geotermálnej energie sa zníži faktor primárnej energie v dôsledku toho, že potreba paliva (zemný plyn) bude nižšia. Primárna energia, zemný plyn, sa bude spaľovať len v doplnkovom – špičkovom zdroji energie. Zároveň sa v takomto systéme znížia emisie oxidu uhličitého, čo je jedným z hlavných cieľov v spomínanom zákone.

Keďže v prípade geotermálnej energie ide o obnoviteľný zdroj, budú budovy, v ktorých sa geotermálna energia uplatní ako hlavný zdroj energie, zaradené v rámci energetickej certifikácie do vyšších tried. To je jeden z hlavných argumentov, prečo geotermálnu energiu uplatňovať aj v systéme CZT budov.

Tento príspevok bol vypracovaný v rámci projektu VEGA 1/1052/11.

TEXT: Ing. Marek Bukoviansky, doc. Ing. Ján Takács, PhD.
OBRÁZKY: autori
Ilustračné foto: thinkstock.com

Ing. Marek Bukoviansky je doktorandom na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Doc. Ing. Ján Takács, PhD. pôsobí na Katedre technických zariadení budov Stavebnej fakulty STU v Bratislave.

Literatúra
1.    Draft Directive COM (2003) 739 on Energy End-use Efficiency and Energy Services presented by the Commission in December 2003.
2.    STN EN 15603: 2008: Energetická hospodárnosť budov. Celková potreba energie a definície energetického hodnotenia.
3.    Zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
4.    Vyhláška MVRR SR č. 311/2009 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o výpočte energetickej hospodárnosti budov a obsah energetického certifikátu.
5.    Vyhláška MVRR SR č. 625/2006 Z. z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov.
6.    STN EN 15316-4-5: 2010 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému: Časť 4-5 Systémy výroby tepla, vlastnosti a kvalita centralizovaného zásobovania teplom a veľkoobjemových systémov.
7.    Petráš, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Bratislava: JAGA GROUP, 2009, s. 224.
8.    Lulkovičová, O. – Takács, J.: Netradičné zdroje energie. Prednášky. Bratislava: Vydavateľstvo STU, 2003, s. 138.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov.