Ekologické aspekty provozu tepelných čerpadel ve starší zástavbě

Ve snaze zmírnit následky klimatických změn se neobejdeme bez snížení emisí CO₂. V rámci „Evropské zelené dohody“ („European Green Deal“) byl stanoven požadavek na snížení těchto emisí v Evropě do roku 2030 na 55 %. V Německu se prosazuje požadavek, aby pro návrh nového vytápění byl uzákoněn minimální podíl 65 % energie získané z obnovitelných zdrojů energie. V České republice tak ambiciózní požadavek zatím není, nicméně u novostaveb rodinných domů se pro splnění kritérií energetické náročnosti budov s některými zdroji tepla již bez určitého podílu využití OZE rovněž neobejdeme a vše směřuje k tomu, aby se budovy co nejdříve staly v roční bilanci potřeby a výroby energie nulové až plně soběstačné.

Hlavním nástrojem k dosažení snížení uhlíkových emisí v procesu zásobování budov teplem u starších budov je kromě zkvalitnění pláště při rekonstrukci a tím i snížení spotřeby tepla, pokud možno i okamžitá přestavba zdrojů tepla na technologie, které vykazují co nejnižší emise CO₂ a jsou tedy z klimatického hlediska roční bilance neutrální. Velkou roli na této přeměně mají mít tepelná čerpadla.

Tepelná čerpadla jsou po technologické stránce dostatečně vyvinutá a již dnes je s nimi možné nahradit velkou část zdrojů tepla využívajících fosilní paliva (uhlí, zemní plyn nebo topný olej). U tepelných čerpadel s elektrickým pohonem závisí úspora CO₂ na dvou faktorech:

• na množství CO₂ vznikajícím při výrobě elektřiny
• a na energetické efektivitě tepelného čerpadla (topném faktoru zjištěném měřením v konkrétních provozních podmínkách za rok).

První faktor, tedy emisní faktor nám udává, jak „čistě“ s ohledem na CO₂ je vyráběna elektrická energie. To znamená, že vycházíme z množství emisí CO₂ v gramech nutných na výrobu 1 kWh dodávané elektřiny. Velikost emisního faktoru je sice v různých regionech odlišná a mění se v závislosti na čase, lze však vycházet i z dostatečně vypovídajících průměrných hodnot.

Podle německého Spolkového úřadu pro životní prostředí poklesl v SRN průměrný emisní faktor CO₂, a to v souvislosti s výstavbou zdrojů využívajících energii větru či slunečního záření a s návazným ústupem od uhelných elektráren při výrobě elektřiny, ze všech druhů využívaných energetických zdrojů v letech 1990 až 2019 ze 764 g CO₂/kWh na 401 g CO₂/kWh.

Pro srovnání, v České republice došlo podle údajů MPO k poklesu emisního faktoru z hodnoty 554 g CO₂/kWh v roce 2010 na 383 g CO₂/kWh v roce 2020. V českém legislativním prostředí se lze setkat i s velikostí emisního faktoru 860 g CO₂/kWh, a to v příloze č. 8 vyhlášky č. 140/2021 Sb. o energetickém auditu. Tato vysoká hodnota se vztahuje výlučně k tzv. fosilní elektřině, tedy elektřině vyrobené jen s využitím fosilních zdrojů energií a nezahrnuje elektřinu vyrobenou s využitím OZE a jaderné energie.

Na základě emisního faktoru elektřiny 401 g CO₂/kWh v Německu za rok 2019 a jeho předpokládané hodnoty 143 g CO₂/kWh v roce 2030, stálého emisního faktoru zemního plynu 240 g CO₂/kWh, lze provést srovnání, jak velkou musí mít tepelné čerpadlo energetickou efektivitu, tedy reálný topný faktor za období jednoho roku, aby bylo emisně lepší, než kombinace plynového kotle a tepelného solárního systému pro přípravu teplé vody. Protože solární systém má emisní faktor téměř nulový, tak výsledný emisní faktor uvedené kombinace byl na základě simulací snížen na úroveň 215 g CO₂/kWh. Vychází se z toho, že plynový kotel pracuje s průměrným stupněm využitím energie ze zemního plynu na úrovni 90 % a tepelný solární systém pokrývá 70 % potřeby tepla na přípravu teplé vody během roku. Výsledky jsou zobrazeny v připojeném grafu.

Graf: Příklady ukazující snížení výsledného emisního faktoru g CO₂/kWh tepla při vytápění a přípravě teplé vody s využitím elektrického tepelného čerpadla oproti kombinaci plynového kotle a tepelného solárního systému pro přípravu teplé vody.

I s poměrně nízkým ročním topným faktorem v reálných podmínkách je elektrické tepelné čerpadlo emisně lepší než zemní plyn

Z grafického znázornění je patrný pokles emisí CO₂ při využití tepelných čerpadel v závislosti na růstu jejich energetické efektivity.

Podle údajů, získaných ze základních podkladů pro výpočet, vykazuje tepelné čerpadlo v příkladu „SRN 2019“ stejné emise jako kombinace plynového kotle a tepelného solárního systému již při provozním ročním topném faktoru dosaženém v reálných podmínkách ve výši 1,7. Provozní roční faktor tepelných čerpadel vzduch-voda a země-voda zjištěný na základě terénních měření ve starší zástavbě dosahuje i průměrných hodnot 3,1 respektive 4,1. Je tedy podstatně vyšší než byla pro rok 2019 potřebná minimální hodnota 1,7. Úspory emisí CO₂ oproti zemnímu plynu jsou v takovém případě vyšší než 44 %, respektive 58 %. Při porovnání s plynovým vytápěním tak tepelná čerpadla za daných podmínek šetří asi polovinu emisí CO₂.

V terénním průzkumu byla jako nejméně energeticky efektivní zjištěna tepelná čerpadla vzduch-voda pracující s provozním ročním topným faktorem 2,5. I tato tepelná čerpadla však byla emisně výhodnější než využití zemního plynu a dosahovala úspory asi 33 % CO₂.

V druhém příkladu „SRN 2030“ jsou emisní faktory při výrobě elektřiny zvoleny podle studie „Klimaticky neutrální Německo 2050“. Podle vyjádření autorů studie „Prognos“ budou v roce 2030 při výrobě elektřiny vznikat emise CO₂ asi 143 g CO₂/kWh. Poté i tepelné čerpadlo se spíše nízkou energetickou efektivitou, s provozním ročním topným faktorem na úrovni 2,5, bude vykazovat oproti plynu úsporu emisí asi 76 %. S nárůstem efektivity tepelných čerpadel se tato hodnota zvyšuje až na téměř 90 %. Za těchto podmínek výroby elektřiny však bude i prosté přímotopné elektrické vytápění emisně výhodnější než plynové a při své energetické efektivitě, reálném topném faktoru 1,0, by dosáhlo úspory 40 % CO₂ oproti zemnímu plynu.

Čím nižší emisní faktor a vyšší energetická efektivita, tím nižší úspora při jejím zvýšení

Z grafického znázornění je patrný ještě jeden aspekt. Čím je energetická efektivita tepelného čerpadla vyšší a čím je emisní faktor při výrobě elektřiny nižší, tím menší je nárůst úspor CO₂ při zvyšování energetické efektivity tepelného čerpadla. Číselně vyjádřeno se zvýšení provozního ročního topného faktoru TČ z hodnoty 2,5 na 3,5 v modelovém roce 2019 projeví snížením emisí CO₂ o cca 20 %. Zatímco zvýšením topného faktoru TČ o stejnou absolutní hodnotu 1,0, tedy z hodnoty 3,5 na 4,5 by se dosáhla v témže roce úspora CO₂ již jen asi 10 %.

I když budou úspory emisí CO₂ v roce 2030 nepochybně již na dost vysoké úrovni a emisní faktor elektřiny mnohem nižší, povede zvýšení energetické efektivity TČ, tedy provozního topného faktoru o hodnotu 2,0, tedy například z hodnoty 2,5 na 4,5, ke snížení emisí skleníkových plynů asi o 10 %, v porovnání s 30 % úsporami, které by to představovalo v roce 2019.

S narůstající energetickou efektivitou TČ ovšem klesá i spotřeba elektřiny. A to je z hlediska spotřebitelských nákladů a možností výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů stejně tak důležitý cíl.

Závěr

Z čistě ekologického hlediska snižování emisního faktoru CO₂ se bude význam rostoucí energetické efektivity tepelných čerpadel do budoucna snižovat. Neznamená to ovšem, že vysoká energetická efektivita nebude důležitá pro ekonomické hodnocení TČ samotných.

Z celkového pohledu vyplývá, že použití tepelných čerpadel skutečně přispívá ke snižování emisí CO₂, porovnáváme-li je s otopnými soustavami založenými na spalování fosilních paliv. S nárůstem výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů se budou tyto úspory ještě zvyšovat. Za předpokladu odborného provedení se proto velký potenciál ke snížení emisí CO₂ s tepelnými čerpadly nachází nejen u novostaveb, ale také u starší zástavby.

Poznámka redaktora:
V článku je uveden orientační modelový příklad a číselné údaje se pro různé regiony a jinak zvolené předpoklady mohou lišit.

Základní překlad článku zpracoval Ing. Antonín Chyba. Za redakční úpravy, terminologii a doplnění o české reálie odpovídá Ing. Josef Hodboď, TZB-info.
Provozním ročním topným faktorem je míněn topný faktor stanovený výpočtem ze změřené spotřeby elektrické energie tepelným čerpadlem a změřené tepelné energie dodané tepelným čerpadlem do soustavy za jeden kalendářní rok v podmínkách využívaného domu. Nejedná se tedy o topný faktor COP nebo sezónní topný faktor SCOP zjištěný za zvolených podmínek na zkušebně a normativním výpočtem.