Porovnanie možností efektívneho využitia tepelných čerpadiel a solárnej energie v podmienkach SR

Schválený Akčný plán energetickej efektívnosti na roky 2008 až 2010 (1) stanovuje prechodný národný indikatívny cieľ úspor energie na tretí rok (2010) – dosiahnuť kumulovanú hodnotu úspor vo výške 3 % z konečnej energetickej spotreby (12 405 TJ). Na dosiahnutie tohto cieľa má mimoriadny význam využívanie tepelných čerpadiel ako zariadení využívajúcich obnoviteľné zdroje energie (OZE). Vedie k úsporám primárnych energetických zdrojov (fosílnych palív), a teda aj k znižovaniu emisií CO₂. V uvedenom akčnom pláne sa navrhuje podpora inštalácie tepelných čerpadiel a vysokoúčinných klimatizačných systémov v nevýrobných budovách zo ŠR SR na rok 2009 v sume 20 miliónov Sk a na rok 2010 v sume 30 miliónov Sk.

Jednou z úloh schválenej Koncepcie energetickej efektívnosti SR je stanovenie v rokoch 2007 až 2008 postupu posúdenia technickej, environmentálnej a ekologickej využiteľnosti alternatívnych energetických systémov na výrobu tepla aj chladu vrátane lokálnych systémov využívajúcich OZE, ako sú napríklad tepelné čerpadlá (2). V tejto súvislosti treba konštatovať, že pripomienky občianskeho združenia Energia 2000 k tomuto mate­riálu týkajúce sa nejasností, nedefinovania a zamieňania pojmov „energetická efektívnosť“, „energetická náročnosť“, „úspora energie“ apod. sú oprávnené. Tieto pojmy by sa mali jasne definovať práve v súvislosti s uvedenou úlohou stanovenia postupov využiteľnosti alternatívnych systémov výroby tepla aj chladu. Ak sa tak neurobí, je plne relevantné aj konštatovanie združenia Energia 2000, že daný dokument má iba formálny charakter.

Tepelné čerpadlá by sa mali zaradiť aj do Stratégie vyššieho využitia OZE, v ktorej sú spomenuté len okrajovo, čo vyplýva aj z európskej legislatívy, kde sú uvedené len v rámci geotermálnej energie odoberanej vo vyšších vrstvách zeme. Vôbec sa tu teda neberú do úvahy tepelné čerpadlá so vzduchom a vodnými zdrojmi nízkoteplotnej obnoviteľnej energie. Do stratégie využívania OZE patrí okrem biomasy, veternej, geotermálnej a vodnej energie aj solárna energia, ktorej súčasná úroveň využívania v SR je asi 60 TJ/rok a plánovaná štátna podpora je 70 miliónov Sk/rok (od r. 2007, doteraz sa však nerealizovala). Podpora využívania slnečnej energie predpokladá priemernú výrobu tepla 380 až 429 kWh/m² za rok pri 5-násobnom ročnom náraste využívanej plochy slnečných kolektorov (z 5 000 na 25 000 m²) do viac ako 4 000 domov (teraz 800) (3).

Energetická efektívnosť tepelných čerpadiel a systémov získavania solárnej energie

Definovanie energetickej efektívnosti

Energetická efektívnosť akéhokoľvek systému transformácie energií sa všeobecne definuje ako množstvo získanej energie na jednotku dodanej pohonnej energie na zabezpečenie prevádzky daného systému. Pri tepelných čerpadlách, ktoré pracujú na princípe chladiacich obehov, sa tento pomer nazýva výkonovým číslom a označuje sa ako COP. Systém s vyššou hodnotou energetickej efektívnosti je z hľadiska spotreby pohonnej energie nepochybne hospodárnejší. Takto definovaná energetická efektívnosť je hodnotou daného systému transformácie energie, ale z hľadiska jeho používateľa nie je rozhodujúca. Pre používateľa je výhodnejší ten systém, ktorý má vyššiu hodnotu využitej (užitočne spotrebovanej) energie z daného zariadenia na porovnateľnú jednotku dodanej pohonnej energie. Rozdiel v kvantite získanej (vyrobenej) a využitej energie často nie je zanedbateľný a môže významne ovplyvniť aj ekonomickú efektívnosť daného energetického systému.

V súvislosti s uvedenou všeobecnou definíciou energetickej efektívnosti ľubovoľného systému transformácie energií si treba uvedomiť, že ju možno použiť len na kvantitatívne porovnávanie energetických systémov s rovnakým druhom pohonnej energie (mechanickej alebo tepelnej). Pri rôznych druhoch pohonnej energie (napríklad mechanickej pre kompresorový a tepelnej pre absorpčný chladiaci obeh) treba na kvantitatívne porovnávanie takýchto systémov vyjadriť pohonnú energiu v ekvivalente primárnej energie, teda tepelnej energie získanej spaľovaním fosílneho paliva potrebnej na výrobu danej pohonnej energie.

Tepelné čerpadlá

Na porovnanie uvedených dvoch technológií výroby tepla z hľadiska dosiahnuteľnej ­energetickej efektívnosti sa musí vziať do úvahy, že pre tepelné čerpadlá projektované do nových nevýrobných budov netreba realizovať alternatívny klasický spôsob výroby tepla. Tepelné čerpadlá sú teda schopné energeticky efektívne zabezpečiť celoročnú potrebu ­tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody (TV), ­samozrejme, za predpokladu realizácie veľkoplošných vykurovacích systémov s teplotnou úrovňou vykurovacieho média 35 až 45 °C. Tepelné čerpadlá možno použiť aj v letných mesiacoch na výrobu chladu (napríklad pomocou reverzného chladiaceho obehu na ­účely klimatizácie a teplovzdušného vykurovania ­pomocou spätného získavania tepla z vetracieho vzduchu), možno ich teda ­využívať v celoročnej prevádzke. Ilustračná schéma znázorňujúca hlavné komponenty a funkciu obehu kompresorového tepelného čerpadla je na obr. 1.

Obr. 1 Schéma zapojenia komponentov a funkcie kompresorového tepelného čerpadla

Solárne kolektory

Výroba tepla solárnymi kolektormi nemôže zabezpečiť celoročnú potrebu tepelného výkonu na vykurovanie ani na prípravu TV bez využitia alternatívneho systému výroby tepla, pretože energeticky efektívne využívanie solárnych kolektorov v mesiacoch október až marec by si vyžadovalo mimoriadne veľké akumulačné zásobníky (treba rátať aj s viac ako desaťdňovými výlukami slnečného svitu). Okrem toho dosiahnutie požadovanej teplotnej úrovne napríklad ohrievanej TV by si vyžadovalo použitie špe­ciálnych, investične náročných druhov slnečných kolektorov. Výroba tepla zo solárnej energie môže byť teda v klimatických podmienkach SR len alternatívnym, doplnkovým zdrojom tepla.

Ako príklad možnosti využívania slnečných kolektorov z energetického hľadiska možno uviesť údaje z (4), kde sa z celoročnej výroby tepla s hodnotou 183 GJ pomocou inštalovaných slnečných kolektorov vyrobí v mesiacoch október až marec (čiže za polročné prevádzkové obdobie) len 29 % z uvedenej hodnoty. Systém má akumulačný zásobník s objemom iba 1 000 l a predhrieva pitnú vodu na prípravu TV z 15 na 45 °C. Uvedenú výstupnú teplotu však dosahuje len v čase najvyššieho slnečného žiarenia, teda v mesiacoch apríl až august. Je celkom zrejmé, že takýto systém nemôže zabezpečiť prípravu TV počas roka bez klasického systému ohrevu a jeho energetická efektívnosť výrazne závisí od toho, na aké parametre ohrevu (najmä dosiahnuteľnú teplotnú úroveň) je dimenzovaný a pre aký mesiac v roku sa navrhuje kolektorová plocha zabezpečujúca celkový tepelný výkon systému.

Všeobecne možno konštatovať, že solárne systémy nemôžu zabezpečovať dostatok tepelného výkonu počas celého roka bez alternatívnych systémov výroby tepla a ich dimenzovanie na prechodné obdobie (jar, jeseň) prináša nadbytočnú, nevyužiteľnú produkciu tepla v mesiacoch apríl až august. Táto nadprodukcia tepelnej energie by sa dala, samozrejme, teoreticky využiť pomocou absorpčných chladiacich zariadení na výrobu chladu – napríklad na klimatizačné účely. Výroba chladu z absorpčných zariadení s pohonnou tepelnou energiou získanou zo slnečných kolektorov však pre rodinné domy a byty prakticky nepripadá do úvahy. Malé absorpčné chladiace zariadenia s výkonmi maximálne niekoľko desiatok kW majú totiž veľmi nízku energetickú efektívnosť, prakticky nie sú dostupné na trhu (až na niekoľko výnimiek – v USA a Japonsku, tie však využívajú na vykurovanie generátora spaľovanie zemného plynu) a vyžadujú teplotnú úroveň vykurovacieho média minimálne 90 °C a vyššie, čo aj v letných mesiacoch možno zabezpečiť len mimoriadne investične náročnými slnečnými kolektormi.

Energetický potenciál porovnávaných systémov

Celkový energetický potenciál porovnávaných systémov je pri tepelných čerpadlách teoreticky aj prakticky neobmedzený, pretože sú neobmedzené zdroje nízkoteplotnej energie na ich prevádzku (napríklad okolitý vzduch). Čo sa týka solárnych systémov výroby tepla, treba konštatovať, že vysoké hodnoty energetického potenciálu uvádzané v rôznych štátnych dokumentoch (napríklad v materiáli Návrh energetickej politiky SR z roku 2006 sa uvádza využiteľný potenciál s hodnotou 5 200 GWh ročne) sú len teoretické a prakticky realizovateľné iba v obmedzenej miere, pretože technicky nie je možné zvyšovať využiteľnú kolektorovú plochu nad určité hranice. To je dané jednoducho tým, že nemáme k dispozícii priestor na umiestnenie kolektorov, pretože nemožno donekonečna znižovať napríklad plochu poľnohospodárskej produkcie alebo neobmedzene narúšať zastavané územia z urbanistických hľadísk. Formulácie o obrovskom potenciáli v solárnych systémoch a tepelných čerpadlách uvádzané v (7) platia teda výlučne pre tepelné čerpadlá.

Energetická efektívnosť verzus ekologicky škodlivé vplyvy

Pri porovnaní energetickej efektívnosti predmetných systémov výroby tepla treba vziať do úvahy fakt, že solárne systémy výroby tepla pomocou slnečných kolektorov potrebujú na svoju prevádzku aj pohonnú energiu. Často sa pritom nesprávne argumentuje, že tieto systémy nemajú na rozdiel od tepelných čerpadiel, ktoré potrebujú pohonnú energiu na kompresor zariadenia, nijaké prevádzkové náklady na pohonnú energiu. Ide najmä o pohonnú energiu na cirkulačné čerpadlá rozvodov soľanky zo slnečných kolektorov do zásobníkov celého systému, pohon rôznych regulačných zariadení a pod. Kvantitatívne hodnoty týchto pohonných energií nie sú pri určovaní energetickej a ani ekonomickej efektívnosti zanedbateľné.

Základnou nevýhodou solárnych systémov výroby tepla je z hľadiska energetického hodnotenia často výrazný rozdiel v kvantite získanej (vyrobenej) a využitej tepelnej energie v danom systéme. Ako sme už v úvode uviedli, významne to ovplyvňuje hodnotu energetickej efektívnosti daného systému z hľadiska používateľa, ktorá je nesporne rozhodujúca pre výpočet komplexnej ekonomickej efektívnosti systému. Solárne kolektory majú iste nižšie prevádzkové náklady na pohonnú energiu, ale nutnosť alternatívnej výroby veľkej časti celoročnej energetickej potreby klasickým, energeticky málo efektívnym systémom výrazne ovpylvňuje zníženie celkovej energetickej efektívnosti.

Laickou aj technickou verejnosťou často vyhlasovanú vyššiu energetickú a ekologickú efektívnosť solárnych systémov výroby tepla (v porovnaní s výrobou tepla tepelnými čerpadlami) nemožno reálne dosiahnuť. Porovnávať energetickú aj ekologickú efektívnosť oboch systémov možno len vyhodnotením konkrétnych aplikácií na základe hodnoty efektívne využitej (nie získanej) energie na jednotku pohonnej energie systému a na základe nevyhnutnosti alternatívnej výroby veľkej časti celoročnej energetickej potreby klasickým, energeticky málo efektívnym systémom pri využívaní solárnej energie. Možno teda konštatovať, že systémy tepelných čerpadiel sú energeticky efektívnejšie ako systémy využívajúce solárnu energiu. To vyplýva aj z konkrétneho porovnania, ktoré ukazuje až na viac ako dvojnásobné úspory primárnej energie výrobou tepla tepelnými čerpadlami v porovnaní so solárnymi kolektormi (3).

Z hľadiska úspory emisií CO₂ na využitú tepelnú energiu sú tepelné čerpadlá v podmienkach SR efektívnejšie ako systémy slnečných kolektorov. Je to najmä preto, že elektrická energia na pohon kompresorov tepelných čerpadiel sa z viac ako 70 % vyrába v SR bez potreby spaľovania fosílnych palív (najmä z vodnej a jadrovej energie), z čoho vyplýva únik CO₂ len v hodnotách 0,18 až 0,20 kg na 1 kWh dostupnej elektrickej energie z rozvodnej siete v podmienkach SR (celosvetový priemer je asi 0,6 kg/kWh) (5). Využitie tepelných čerpadiel na výrobu tepla je tak energeticky aj ekologicky najefektívnejším využitím primárnej energie vo fosílnom palive, kvantitatívne až 3-krát efektívnejšie ako spaľovanie fosílneho paliva v kotle (6). Tepelné čerpadlá teda dosahujú úsporu primárnej energie už od hodnôt COP = 1, teda každé tepelné čerpadlo je energeticky aj ekologicky (únik CO₂) výhodnejšie ako spaľovanie fosílneho paliva v kotle.

Ekonomická efektívnosť tepelných čerpadiel a systémov získavania solárnej energie

Na vyčíslenie komplexnej ekonomickej efektívnosti treba porovnať uvedené systémy výroby tepla z hľadiska celkových ročných nákladov (čiže sumy prevádzkových nákladov a odpisov z investícií) na jednotku využitej tepelnej energie (z hľadiska používateľa teda užitočne spotre­bovanej, nie vyrobenej). To potom udáva návratnosť investícií do týchto systémov v porovnaní medzi sebou aj v porovnaní s konvenčnými spôsobmi výroby tepla.

Vysoká investičná náročnosť solárnych systémov na jednotku využitej tepelnej energie výrazne spochybňuje predpoklady Stratégie vyššieho využitia OZE o 5-násobnom ročnom náraste využívanej plochy slnečných kolektorov (z 5 000 na 25 000 m2) do viac ako 4 000 domov (teraz 800), spomenuté v úvode tohto článku.

Konkrétne ekonomické porovnania očakávaných úspor primárnej energie pri výrobe tepla solárnymi kolektormi a tepelnými čerpadlami uvedené v (3) ukazujú, že približne dvojnásobné úspory primárnej energie  získané prevádzkou tepelných čerpadiel sa v porovnaní so solárnymi kolektormi dosahujú pri štátnej dotácii na usporený TJ v hodnote nižšej o približne 40 až 50 %. Je teda zrejmé, že plánované štátne dotácie na solárne kolektory výrazne zvyšujú náklady štátu na usporený TJ primárnej energie a sú ekonomicky neefektívnou investíciou v porovnaní s dotáciami na výrobu tepla tepelnými čerpadlami. Tie by ale pri predpokladanom technicky reálnom náraste ich počtu na asi 3 300 inštalácií do roku 2010 (v ČR bolo napríklad 4 000 inštalácií v roku 2005) (3) dosahovali len asi 15 000 Sk na jednu inštaláciu, čo by na povzbudenie trhu s tepelnými čerpadlami pre rodinné domy a byty prakticky nebolo zaujímavé ani stimulujúce (výraznú stimuláciu pre nové tepelné čerpadlá v nevýrobných budovách možno očakávať až od dotácie asi 50 000 Sk na jednu inštaláciu).

V súvislosti s uvedenými faktmi možno takisto konštatovať, že formulácia „… najvýhodnejšia cesta získavania energie je prostredníctvom tepelných čerpadiel zo zeme a solárnych systémov zo slnka…“ uvedená v (7) je principiálne nesprávna najmä preto, lebo „výhodný“ pre používateľa je pri porovnávaní len ten systém, ktorý vyrába energiu s najmenšími celkovými ročnými nákladmi. To v tomto prípade neplatí ani pre tepelné čerpadlá so zdrojom nízkoteplotnej energie zo zemných kolektorov (je to investične najdrahší systém s celkovými nákladmi pre rodinný dom až 0,5 milióna Sk, čo je niekoľkonásobne viac ako pri tepelných čerpadlách vy­užívajúcich ako zdroj energie okolitý vzduch), ani pre solárne systémy, ktorých celkové ročné náklady na jednotku získanej energie tiež výrazne prevyšujú náklady na tepelné čerpadlá (s výnimkou tých so zemnými kolektormi).

Ako už bolo uvedené, využitie solárnych kolektorov na výrobu chladu v letných mesiacoch na účely klimatizácie v rodinných domoch a bytoch pomocou absorpčných chladiacich obehov je energeticky neefektívne a v súčasnosti aj technicky nedostupné. No aj v budúcnosti, pri dostupnosti zodpovedajúcich absorpčných zariadení, by bolo jednoznačne ekonomicky veľmi neefektívne. Výraznú ekonomickú ne­efektívnosť možno jednoznačne očakávať aj pri rôznych kombináciách tepelných čerpadiel a slnečných kolektorov, ktoré sú síce technicky realizo­vateľné, ale v súčasnosti ekonomicky celkom neprijateľné.

Záver

Konkrétne porovnania možností efektívneho využitia tepelných čerpadiel a solárnej energie na produkciu tepelnej energie vyznievajú jednoznačne v prospech systémov tepelných čerpadiel – tak z hľadiska dosiahnuteľnej energetickej efektívnosti, ako aj z hľadiska komplexného ekonomického porovnania. Výroba tepla zo solárnej energie môže byť v klimatických podmienkach SR len alternatívnym, doplnkovým zdrojom tepelnej energie. Dosiahnuť energetickú a ekonomickú efektívnosť možno v porovnaní s tepelnými čerpadlami iba v niektorých špeciálnych aplikáciách (napríklad využitím investične nenáročných plastových kolektorov bez prekrytia, tvoriacich súčasť stavby).

Plánovaná štátna podpora inštalácií tepelných čerpadiel na roky 2009 a 2010 v celkovej výške 50 miliónov Sk nemôže byť vzhľadom na technicky reálne možnosti inštalácií viac ako 3 000 tepelných čerpadiel na účely vykurovania a prípravy TV v rokoch 2008 až 2010 (3) stimulujúca na povzbudenie trhu s tepelnými čerpadlami určenými do nevýrobných budov, pretože by predstavovala dotáciu v priemere len asi 15 000 Sk na jednu inštaláciu.

Plánované štátne dotácie pre solárne kolektory na najbližšie roky v hodnote 70 miliónov Sk ročne výrazne zvyšujú náklady štátu na usporený TJ primárnej energie, takže sú ekonomicky neefektívnou investíciou v porovnaní s dotáciami na výrobu tepla tepelnými čerpadlami, ktoré môžu dosiahnuť až viac ako dvojnásobnú úsporu primárnej energie (a teda aj ekologickú úsporu úmerným znížením úniku CO₂) ako pri systémoch solárnych kolektorov (3).

Príspevok vznikol v rámci grantovej úlohy VEGA č. 1/4113/07.

prof. Ing. Václav Havelský, PhD.

Autor je vedúcim Ústavu tepelnej energetiky na Strojníckej fakulte STU v Bratislave.

Literatúra
1. Akčný plán energetickej efektívnosti na roky 2008
– 2010 schválený v stanovenom termíne. In: TZB Haustechnik, 2007, č. 6, s. 2.
2. Schválená koncepcia energetickej efektívnosti SR. In: TZB Haustechnik, 2007, č. 5, s. 7 – 8.
3.  Tomlein, P.: Tepelné čerpadlá v energetických stratégiách SR. In: Zborník prednášok z 5. medzinárodnej konferencie SZ CHKT Servis pre chladenie a klimatizáciu 2007,, Oravská priehrada 3. až 5. 10. 2007, s. 124 – 131. Rovinka: SZ CHKT .
4. Belovič, I.: Využitie solárnej energie v centralizovanom zásobovaní teplom. In: TZB Haustechnik 2007, č. 1, s. 16.
5. Havelský, V.: Zdroje chladu v energetickej certifikácii budov podľa zákona 555/2005 Z. z. In: Zborník prednášok z 5. medzinárodnej konferencie SZ CHKT, Servis pre chladenie a klimatizáciu 2007, Oravská priehrada 3. až 5. 10. 2007, s. 20 – 21. Rovinka: SZ CHKT.
6. Havelský, V.: Energetická efektívnosť uplatnenia tepelných čerpadiel v SR. In: Zborník prednášok z 5. medzinárodnej konferencie SZ CHKT Servis pre chladenie a klimatizáciu 2007, Oravská priehrada 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.