Neobnovitelná primární energie
Hodnocení energetické náročnosti budovy se provádí také z pohledu potřeby neobnovitelné primární energie. Běžný laik pravděpodobně vůbec netuší, co tento údaj znamená. Přitom potřeba neobnovitelné primární energie zásadně ovlivňuje projekční návrh zdrojů energie pro vytápění, chlazení, přípravu teplé vody apod. pro danou konkrétní budovu. Potřeba neobnovitelné primární energie je jedním ze tří hlavních ukazatelů energetické náročnosti budovy, a pokud je vyhodnocena jako příliš velká, tak budova nemůže být zkolaudována.
© Fotolia.com
Úvod
V souvislosti s energetickým hodnocením budov přinesla v roce 2010 novela Směrnice EPBD [1] a následně v roce 2013 i česká legislativa v podobě prováděcí vyhlášky o energetické náročnosti budov 78/2013 Sb. [2] k zákonu o hospodaření energií 406/2000 Sb. [3] rozšíření hodnocení energetické náročnosti z potřeby energie na provoz budovy na hodnocení také z pohledu potřeby neobnovitelné primární energie. Běžný laik pravděpodobně vůbec netuší (a asi ani nemá), co tento údaj znamená. Méně informovanému projektantovi tento údaj také moc neříká, přestože vlastně potřeba neobnovitelné primární energie zásadně ovlivňuje projekční návrh zdrojů energie pro vytápění, chlazení, přípravu teplé vody apod. pro danou konkrétní budovu. Potřeba neobnovitelné primární energie se totiž stala jedním ze tří hlavních ukazatelů energetické náročnosti budovy, a pokud je vyhodnocena příliš velká (ve třídě náročnosti horší než C), tak budova nemůže být zkolaudována. Ostatně na základě potřeby neobnovitelné primární energie jsou dnes (i když v metodice velice skrytě) hodnoceny v rámci energetických štítků zdrojů tepla jako výrobků i plynové kotle, tepelná čerpadla či ohřívače vody.
Neobnovitelná primární energie
Co to vlastně neobnovitelná primární energie je? Podrobnější definici dává norma EN 15603 [4]. Primární energie je energie, která neprošla žádným procesem přeměny. Primární, neboli prvotní energii lze chápat jako energii ve formě, v jaké se vyskytuje v přírodě. Primární energie je rozdělena na energii obnovitelnou, tedy získanou například ze slunečního záření, větru, vodní energie či biomasy (délka obnovy srovnatelná s délkou lidského života), a na energii neobnovitelnou, která je získávána z neobnovitelných zdrojů jako například z fosilních paliv (uhlí, ropa, zemní plyn, jaderná energie). Pro přesnost je třeba uvést, že kromě jaderné energie jsou v podstatě i uhlí, ropa a zemní plyn obnovitelnými formami energie, ale protože doba, za kterou vznikají, mnohonásobně přesahuje délku lidského života, tak je považujeme za neobnovitelné. Součet obnovitelné a neobnovitelné energie nazýváme celková primární energie. Neobnovitelná primární energie má logicky nepříznivý dopad na vyčerpávání palivových zásob a s tím spojený negativní vliv na životní prostředí a má úzkou vazbu na produkci emisí (vyjma jaderné energie). Současným trendem je snižování závislosti na neobnovitelné primární energii a to jak na straně potřeby (budovy s vlastními obnovitelnými zdroji energie, budovy s minimalizovanou potřebou neobnovitelné primární energie, apod.), tak na straně dodávky energonositelů (teplárny s výrazným podílem OZE, elektrické sítě s rostoucím podílem elektřiny dodávané z OZE, v zahraničí i plynu, když je k zemnímu plynu přimícháván bioplyn). Dnes často citované energeticky nulové budovy jsou budovy, které mají nulovou bilanci právě neobnovitelné primární energie.
Energonositelem se rozumí hmota nebo jev, která nebo který mohou být použity k výrobě mechanické práce nebo tepla nebo na ovládání chemických nebo fyzikálních procesů [2]. Energonositelem je například zemní plyn, elektrická energie, dálkové teplo, solární teplo, fotovoltaická elektřina, apod. Přepočet potřeby různých energonositelů na neobnovitelnou primární energii jako společného jmenovatele umožňuje jednoduché sčítání různých druhů energií a vyjadřuje tak zjednodušeně vliv potřeby energonositelů na životní prostředí. Do potřeby neobnovitelné primární energie se započítává nejen energetický obsah vytěžené suroviny, ale také neobnovitelná energie potřebná na vlastní těžbu, zpracování, dopravu a uskladnění paliv, případně přeměnu na energii konkrétního energonositele a jeho dopravu (rozvod, distribuci) až na hranici budovy [4].
Faktor neobnovitelné primární energie
Pro výpočet potřeby neobnovitelné primární energie nPE [MWh] na dodávku energie daného energonositele do budovy se používá tzv. faktor neobnovitelné primární energie F [–], neboli zkráceně konverzní faktor. Faktor neobnovitelné primární energie je bezrozměrný podíl mezi potřebou neobnovitelné primární energie a potřebou energie dodané na hranici budovy.
Na příkladu využití elektrické energie v budově (viz Obr. 1) lze ukázat řetězec procesů, které souvisejí s vlastní dodávkou elektrické energie do budovy a ovlivňují související potřebu nPE, a tedy hodnotu konverzního faktoru. Nejdříve je vytěženo uhlí s vynaložením určité energie pro samotnou těžbu. Dále je vytěžené uhlí zpracováno a naloženo na dopravní prostředek, kterým je dopraveno do místa využití, v tomto případě elektrárny. Uhelná elektrárna využívá energii uhlí v termodynamickém cyklu pro produkci elektřiny, případně tepla (v případě kogenerační výroby) s určitou účinností. Elektřina, jako vyrobený energonositel, je pak rozváděna pomocí rozvodných sítí zatížených ztrátami až na hranici budovy.
Obr. 1. Příklad řetězce dodávky elektrické energie
Výpočet konverzního faktoru je komplikovaný a pro započtení veškeré spotřebované neobnovitelné primární energie při dodávce energie do budovy vyžaduje relativně podrobné statistické údaje. Výpočet konverzního faktoru se provádí v ČR s využitím software GEMIS. Vypracováním české verze aplikace včetně manuálu [17] byla Ministerstvem průmyslu a obchodu pověřena společnost AF-CITYPLAN s.r.o. Databáze softwaru GEMIS je získávána z praxe, studií, mezinárodních statistických institucí [5]. Do čistě fyzikálních a statistických výpočtů mohou (a v zásadě mají) zasahovat i politické vlivy. Politické nastavení konverzních faktorů slouží k ovlivnění energetického chování obyvatel a jeho důsledkem je podpora či penalizace některých energonositelů [4]. Pokud například některý stát má problém s elektrickou rozvodnou soustavou v letním období („blackout“ vlivem přetížení od chlazení), může „umělým“ navýšením konverzního faktoru pro elektrickou energii (elektricky poháněné klimatizační jednotky) motivovat investory (a potažmo tedy i projektanty) pro využití jiných druhů chladicích jednotek (absorpční, adsorpční cykly, solární chlazení).
Pro ČR jsou hodnoty konverzních faktorů dány vyhláškou 78/2013 Sb. [2] a jsou závazné pro úřední hodnocení budov. V Tab. 1 si lze povšimnout právě nejvyššího konverzního faktoru pro elektřinu, což koresponduje s Obr. 1. V ČR je výroba elektrické energie vzhledem k potřebě neobnovitelné primární energie relativně náročná. Je to dáno jednak průměrnou účinností produkce elektrické energie mezi 30 a 33 % [15, 16], ale také zatím stále relativně nízkým podílem obnovitelných zdrojů energie v elektrické síti okolo 10,1 % [7].
| Palivo / energie | F [kWh/kWh] |
|---|---|
| Zemní plyn, černé uhlí, hnědé uhlí | 1,1 |
| Propan-butan, LPG, topný olej | 1,2 |
| Elektřina | 3,0 |
| Dřevěné peletky | 0,2 |
| Kusové dřevo, dřevní štěpka | 0,1 |
| Energie okolního prostředí (elektřina, teplo) | 0,0 |
| Elektřina – dodávka mimo budovu | −3,0 |
| Teplo – dodávka mimo budovu | −1,0 |
| Soustava zásobování tepelnou energií s podílem OZE > 80 % | 0,1 |
| Soustava zásobování tepelnou energií s podílem OZE mezi 50 % a 80 % | 0,3 |
| Soustava zásobování tepelnou energií s podílem OZE < 50 % | 1,0 |
| Ostatní neuvedené energonositele | 1,2 |
Na Obr. 2 jsou pro porovnání uvedeny konverzní faktory pro elektrickou energii v Evropě. V současné době neexistuje ucelený a aktualizovaný seznam konverzních faktorů pro celou Evropu. Každý stát má svou metodu výpočtu konverzního faktoru. Informace byly získány kombinací z uvedené literatury.
![Obr. 2. Mezinárodní porovnání konverzních faktorů pro elektrickou energii [8–10]](/docu/clanky/0164/016491o2.png)
Obr. 2. Mezinárodní porovnání konverzních faktorů pro elektrickou energii [8–10]
Vzhledem k různému způsobu výroby elektrické energie a různému energetickému mixu se konverzní faktory jednotlivých států v Evropě zákonitě liší. V konverzních faktorech může hrát roli již také zmíněný politický vliv. Dle Obr. 2 lze odhadnout, které státy využívají více či méně obnovitelných zdrojů pro výrobu elektrické energie. Pokud budou státy výrazně využívat energetický potenciál vody pro produkci elektrické energie (Rakousko, Finsko), bude se konverzní faktor elektrické energie pohybovat nízko. Pokud budou státy využívat především konvenční uhelné nebo jaderné zdroje (Polsko, ČR, Velká Británie) a energetický mix nebude výrazně ovlivněn OZE, potom konverzní faktory budou vysoké. Podíl obnovitelných zdrojů na výrobě elektrické energie na území ČR činil v roce 2016 přibližně 10 % a výroba byla dále uskutečněna převážně hnědouhelnými (44 %) a jadernými (30 %) elektrárnami, přičemž zbytek je tvořen elektrárnami spalující ostatní fosilní paliva (černé uhlí, zemní plyn, tj. 16 %) [7]. Pro ČR byla hodnota současného konverzního faktoru 3,0 pro výrobu elektrické energie vypočtena z energetického mixu ČR z roku 2010 a není v něm zahrnut následný rozvoj fotovoltaických elektráren, což má za následek vysoký konverzní faktor pro výrobu elektřiny. Polsko a ČR mají nejvyšší konverzní faktor v EU. Naopak v Rakousku je podíl OZE přibližně 66 % [11], výroba elektrické energie je uskutečňována převážně vodními elektrárnami, což má za následek konverzní faktor 1,3. Výroba elektrické energie v Německu je podobná jako v ČR a je založena zejména na uhelných a částečně jaderných elektrárnách. V Německu podíl OZE na výrobě elektrické energie stále vzrůstá (v současnosti přes 30 %), přičemž zbytek výroby zatím pokrývají právě uhelné a jaderné elektrárny. Průměr EU se pohybuje okolo hodnoty 2,5 a tato hodnota se v současnosti používá ve výpočtech energetické účinnosti pro štítkování zdrojů tepla pro vytápění.
Na Obr. 3 lze vidět vliv procentuálního zastoupení OZE v elektrické síti (v energetickém mixu) na hodnotu konverzního faktoru pro výrobu elektrické energie. Hodnota konverzního faktoru jednoznačně a logicky klesá s nárůstem podílu OZE. Údaje o podílech OZE v jednotlivých zemích, kromě ČR a Rakouska, uvedené v Tab. 2 jsou zastaralé [9], nicméně odpovídající době výpočtu uvedených konverzních faktorů.
| Rakousko | ČR | Francie | Německo | Nizozemsko | Polsko | Španělsko | Švédsko | Velká Británie | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| % OZE | 66,0 | 10,1 | 12,8 | 10,3 | 4,2 | 2,7 | 22,3 | 50,2 | 4,7 |
| F [–] | 1,30 | 3,00 | 2,58 | 2,60 | 2,56 | 3,00 | 2,60 | 2,00 | 2,92 |
Obr. 3. Vliv podílu OZE na konverzním faktoru (viz Tab. 2)
Přehled konverzních faktorů v několika vybraných zemích pro jiné energonositele než elektrickou energii je uveden na Obr. 4., kde jsou porovnána fosilní paliva (převážně zemní plyn), biopaliva (ve formě dřevěných pelet) a dálkové teplo (s významným zastoupením fosilních paliv). Německo, ČR a Polsko mají stejný konverzní faktor pro fosilní paliva (1,1) a biopaliva (0,2). Největší rozdíl je u biopaliva mezi Rakouskem (0,14) a Velkou Británií (1,22). Informace byly získány kombinací z uvedené literatury.
![Obr. 4. Mezinárodní porovnání konverzních faktorů pro vybrané energonositele [8–10, 14]](/docu/clanky/0164/016491o4.png)
Obr. 4. Mezinárodní porovnání konverzních faktorů pro vybrané energonositele [8–10, 14]
Příklad rodinného domu
Pro ukázku náročnosti zdrojů tepla na neobnovitelnou primární energii je na Obr. 5 uveden příklad porovnání pro rodinný dům s potřebou tepla 10 MWh/rok. Výpočet byl proveden s použitím konverzních faktorů neobnovitelné primární energie podle vyhlášky 78/2013 Sb. [2]. Pro každý zdroj tepla byla uvažována provozní účinnost podle TNI 730331 [13].
Na Obr. 5 je patrná vysoká potřeba neobnovitelné primární energie při použití elektrických přímotopů, a naopak velice nízká při použití kotle na biomasu i přes jeho nízkou provozní účinnost. Zajímavostí může být to, že tepelné čerpadlo může potřebovat méně neobnovitelné primární energie než standardní kotel na zemní plyn, ale na druhé straně i stejně jako kondenzační kotel. Elektricky poháněná tepelná čerpadla potom z pohledu nPE nemusí být výrazně „ekologičtější“ než plynový kondenzační kotel. Pokud by měl mít elektrický přímotop přibližně stejnou spotřebu neobnovitelné primární energie jako zdroj tvořený průměrem ostatních (cca 10,6 MWh/rok), bylo by nutné zhruba dvě třetiny spotřeby neobnovitelné energie nahradit například plně obnovitelnou elektřinou vyrobenou fotovoltaickou elektrárnou na střeše domu. Toto by znamenalo dimenzovat FVE na dostatečně velký výkon i pro zimní období (tedy včetně akumulace) a pak hledat ekonomicky zajímavé využití přebytků výroby FVE i pro teplejší část roku.
Obr. 5. Srovnání potřeby nPE při vytápění domu různými zdroji tepla. V závorce je u každého zdroje tepla uvedena jeho provozní účinnost.
Závěr
Faktory neobnovitelné primární energie jsou pro jednotlivé energonositele různé a ovlivňují v současnosti návrh zdrojů energie pro budovy. Zároveň je i různá situace mezi jednotlivými státy v rámci Evropské unie. Odlišnosti jsou způsobeny rozdílným způsobem výroby a dodávky energie (energonositelů) a také politickým vlivem. Nejvíce je to patrné u elektrické energie, kde zvyšování podílu elektřiny z obnovitelných zdrojů v rozvodné síti vede k nižšímu konverznímu faktoru. Při porovnání konverzních faktorů v různých státech v Evropě mají ČR a Polsko nejvyšší faktor neobnovitelné primární energie pro výrobu elektrické energie v EU.
Na jednoduchém příkladu vytápění rodinného domu bylo ukázáno, jak volba zdroje tepla ovlivňuje potřebu neobnovitelné primární energie, která v konečném důsledku ovlivňuje úřední hodnocení domu (energetický štítek).
Poděkování
Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a za finanční podpory MŠMT v rámci specifického vysokoškolského výzkumu v programu SGS č. SGS16/212/OHK2/3T/12.
Literatura
- [1] Evropská komise, „Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/ EU ze dne 19. května 2010 o energetické náročnosti“, Úřední věstník Evropské unie, roč. L153/13, 2010.
- [2] Vyhláška 78/2013 Sb., o energetické náročnosti budov. Ministerstvo průmyslu a obchodu. 2013.
- [3] Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů. Parlament České republiky. 2000.
- [4] ČSN EN 15603 – Energetická náročnost budov – Celková potřeba energie a definice energetických hodnocení. CEN. 2009.
- [5] IINAS [online]. [cit. 2017-07-28]. Dostupné z: http://iinas.org
- [7] Národní energetický mix. OTE [online]. [cit. 2017-07-28]. Dostupné z:
http://www.ote-cr.cz/statistika/narodni-energeticky-mix/narodni-energeticky-mix - [8] ČSN EN 15316 – Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy. CEN. 2007.
- [9] MOLENBROEK, E., STRICKER, E., BOERMANS, T.: Primary energy factors for electricity in buildings. ECOFYS. 2011.
- [10] SARTORI, I., NAPOLITANO, A., VOSS, K.: Net zero energy buildings: A consistent definition framework. Energy and Buildings. 2012, (48), 220–232.
- [11] WAGNER, B., HAUER, CH., HABERSACK, H.: A review of hydropower in Austria: Past, present and future development. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015, (50), 304–314.
- [12] iDnes.cz Ekonomika [online]. [cit. 2017-08-02]. Dostupné z: Elektřina v Německu je už z 30 procent zelená, stále však vede uhlí. Zdroj: http://ekonomika.idnes.cz/obnovitelne-zdroje-vyrobily-loni-v-nemecku-30-procent-elektriny-pwr-/eko-zahranicni.aspx?c=A160105_104138_eko-zahranicni_chrs
- [13] TNI 73 0331 Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet. Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. 2013.
- [14] LATÕŠOV, E., VOLKOVA, A., SIIRDE, A., KURNITSKI, J., THALFELDT, M.: Primary energy factor for district heating networks in European Union member states. Energy Procedia. 2017, 116, 69–77.
- [15] MEIRMANS, K.: Household direct energy consumption and CO2 emissions in European countries. University of Groningen. 2013.
- [16] Energy efficiency report 2011: Czech Republic [online]. ABB, 2013 [cit. 2017-08-30]. Dostupné z:
http://new.abb.com/energy-efficiency/global-trends-in-energy-efficiency-2011/country-reports - [17] Uživatelská příručka GEMIS 4.6. [online]. AF-CITYPLAN s.r.o. Praha, 2011. Dostupné z:
http://www.mpo-efekt.cz/upload/7799f3fd595eeee1fa66875530f33e8a/manual-gemis-2011.pdf
Assessing energy performance of the building is also done from the point of view of the need for non-renewable primary energy. A common layman probably does not know what this means. At the same time, the need for non-renewable primary energy fundamentally influences the design of energy sources for heating, cooling, hot water preparation, etc. for a particular building. The need for non-renewable primary energy is one of the three main energy performance indicators of a building, and if it is assessed as too large, the building can not be validated.
