Určenie množstva obnoviteľnej energie využívanej prevádzkou tepelných čerpadiel

Smernica Európskeho parlamentu a Rady 2009/28/ES z 23. apríla 2009 o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov sa týka aj tepelných čerpadiel (TČ) v súvislosti s podmienkami ich prevádzky na Slovensku (základné informácie sú uvedené v [1]). Ide o konkrétne určenie množstva obnoviteľnej energie získanej prevádzkou TČ, ktoré sa touto smernicou plnohodnotne zaraďujú do technických systémov využívajúcich obnoviteľné energetické zdroje.

Určenie množstva obnoviteľnej energie získanej TČ
Podľa uvedenej smernice je množstvo obnoviteľnej tepelnej energie z okolia ERES (aerotermálnej, geotermálnej alebo hydrotermálnej) zachytenej TČ dané vzťahom [2]

E_RES = Q_využ (1 – 1/SPF)    (1)

kde   
Q_využ je odhadované celkové využiteľné teplo získané z TČ,
SPF– odhadovaný priemerný sezónny výkonnostný faktor (sezónne výkonové číslo COPS) TČ.

Na výpočet ERES podľa vzťahu (1) sa berú do úvahy len tie TČ, pri ktorých hodnota SPF spĺňa podmienku podľa vzťahu

SPF > 1,15/η    (2)
kde η je pomer medzi celkovou hrubou výrobou elektriny a primárnou energiou spotrebovanou na jej výrobu (danou tepelnou energiou obsiahnutou vo fosílnom palive), vypočítaný ako priemer Európskej únie podľa údajov Eurostatu.

Výklad smernice a podmienky prevádzky TČ na Slovensku
Vzťah (1) vyjadruje základnú energetickú bilanciu obehu TČ. Hodnota množstva obnoviteľnej tepelnej energie z okolia ERES je teda nízkoteplotný tok tepla z okolia do výparníka systému TČ a sezónny výkonnostný faktor SPF je totožný so sezónnym výkonovým číslom COPS jednotlivej aplikácie TČ. Podmienka podľa vzťahu (2) vyjadruje, že COP_S TČ musí byť väčší ako jeho takzvaná limitná hodnota (COP_L), aby výroba tepla daným TČ prinášala úsporu primárnej energie v porovnaní s výrobou tepla spaľovaním fosílneho paliva v kotle. Limitnú hodnotu COP možno vyjadriť zo vzťahu pre úsporu primárnej energie (UPE)

U_PE = 1 – η_K/(ν . COP)    (3)

kde η_K je účinnosť kotla na spaľovanie fosílneho paliva, 
ν – transformačný koeficient vyjadrujúci podiel medzi vyrobeným množstvom elektrickej energie a spotrebou primárnej energie na túto výrobu v danej krajine.

Hodnota ν sa vypočíta ako [3]

ν = η_e/x_e    (4)

kde   
η_e je priemerná hodnota termickej účinnosti výroby elektrickej energie spaľovaním fosílneho paliva (v kondenzačných elektrárňach a teplárňach) v jednotlivej krajine (hodnota pre Slovenskú republiku je 0,35 až 0,48),
x_e – podiel elektrickej energie vyrábanej spaľovaním fosílnych palív z celkovej výroby v danej krajine (na Slovensku je táto hodnota približne 0,20).

Z rovnice (3) možno potom určiť COPL ako hodnotu COP, ak úspora primárnej energie
U_PE = 0 (TČ neprináša úsporu ani stratu v porovnaní s výrobou tepla v kotle). Potom platí, že

COP_L = η_K/ν    (5)

V podmienkach výroby elektrickej energie na Slovensku (priemerná hodnota η_e = 0,4, potom ν = 2) vychádza COPL = 0,45 (pri uvažovanej priemernej hodnote η_K = 0,9). Z uvedeného vyplýva, že všetky TČ prevádzkované v SR (je zrejmé, že všetky majú COP > 1, teda väčší ako COP_L) prinášajú úsporu primárnej energie v porovnaní s konvenčnou výrobou tepla spaľovaním fosílneho paliva v kvantitatívnej miere závislej od hodnoty COP konkrétnej aplikácie.

Minimálne hodnoty COP (2,6 až 3) uvádzané ako limitné hodnoty pre energetickú efektívnosť TČ v porovnaní s konvenčným vykurovacím systémom s moderným plynovým kotlom uvádzané v [4] sú teda celkom zavádzajúce a viacnásobne podhodnocujú energetickú efektívnosť TČ. Autor tu nepochopiteľne nezobral do úvahy fakt, že minimálne 80 % elektrickej energie sa na Slovensku vyrába bez spaľovania fosílneho paliva, a to najmä v  atómových a vodných elektrárňach. Na výpočet limitných hodnôt COP v [4] sa teda predpokladalo, že všetka elektrická energia na Slovensku sa vyrába v klasických elektrárňach spaľovaním fosílneho paliva (teda ako keby x_e = 1), čo je, samozrejme, úplne mimo realitu a nemôže byť podkladom akýchkoľvek výpočtov energetickej, ekologickej ani ekonomickej efektívnosti TČ.

Z definície transformačného koeficientu ν podľa vzťahu (4) vyplýva, že hodnota ν vo vzťahu (2) vyjadruje hodnotu ν a hodnota 1,15 vo vzťahu (2) musí zodpovedať termickej účinnosti výroby tepla spaľovaním fosílnych palív, teda hodnote η_K vo vzťahu (5). Hodnotu 1,15 vo vzťahu (2) možno teda chápať ako maximálne možnú účinnosť, dosiahnuteľnú pri výrobe tepla spaľovaním fosílnych palív, ktorú by bolo možné teoreticky­ dosiahnuť napríklad použitím kondenzačných kotlov.

Vzhľadom na to, že transformačný koeficient ν nemôže byť nižší ako termická účinnosť výroby elektrickej energie spaľovaním fosílnych palív (možno približne uvažovať priemernú hodnotu η_e = 0,4), maximálna hodnota SPF vo vzťahu (2), ktorú treba prevýšiť na dosiahnutie úspory primárnej energie, je 2,87. Možno konštatovať, že takúto hodnotu sezónneho výkonového čísla prekračujú až na výnimky prakticky všetky prevádzkované TČ v Európskej únii.

Záver
Prínos TČ k využitiu obnoviteľných zdrojov energie sa na základe smernice bude prakticky pri všetkých prevádzkovaných TČ v Európskej únii počítať ako tok tepelnej energie do výparníka jednotlivého systému podľa vzťahu (1) – bez ohľadu na podiel takzvanej čistej elektrickej energie vyrábanej bez spaľovania fosílnych palív (najmä z vodnej, atómovej, veternej a inej energie) z celkovej výroby elektrickej energie v danej krajine (1 – x_e).

Ako konkrétny príklad aplikácie smernice možno uviesť, že v krajine, kde hodnota x_e = 0 (teda všetka elektrická energia sa vyrába bez spaľovania fosílneho paliva), by bolo využívanie obnoviteľnej energie TČ rovnaké (závislé len od hodnoty COP jednotlivej aplikácie) ako napríklad v krajine s hodnotou x_e = 1 (kde sa všetka elektrická energia vyrába spaľovaním fosílnych palív). V skutočnosti sa ale pri prevádzke TČ pri x_e = 0 celý tepelný výkon TČ produkuje z obnoviteľných zdrojov, a ich využitie je teda niekoľkonásobne vyššie (úmerné hodnote COP) ako v TČ prevádzkovaných v krajine s x_e = 1, kde je využívaným obnoviteľným zdrojom energie len tepelný tok z okolia do výparníka systému.

prof. Ing. Václav Havelský, PhD.
Autor pôsobí na Strojníckej fakulte Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.

Foto: Inotech

Literatúra
1. Tomlein, P.: Tepelné čerpadlá ako súčasť európskeho klimaticko-energetického balíčka. TZB Haustechnik, 2009,č .1, s. 34 – 36.
2. Smernica Európskeho parlamentu a Rady 2009/28/ES z 23. apríla 2009 o podpore využívania energie z obnoviteľných zdrojov energie a o zmene a doplnení a následnom zrušení smerníc 2001/77/ES a 2003/30/ES. Príloha VII – Započítanie energie z tepelných čerpadiel.
3. Havelský, V.: Evaluation of Renewable Heat Sources Utilization by Heat Pumps. Proceedings of 7th International Conference Compressors 2009, SZ CHKT a IIR, Papiernička, Slovakia, 30. 9. – 2. 10. 2009, s. 158 – 160.
4. Böszörményi, L: Energetická efektívnosť a termodynamická kvalita vykurovania. In: TZB Haustechnik, 2009, č. 6, s. 30 – 33.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.