Výměna starých kotlů – do jaké míry jsou nové zdroje závislé na neobnovitelné energii

V současnosti probíhá v pravdě revoluční změna ve vytápění domácností. Nový zákon o ochraně ovzduší z roku 2012 umožnil zásadním způsobem regulovat co a jakým způsobem (čili v čem) lze spalovat v domovních kotelnách. Výměna starých kotlů je podporována dotačními programy „Kotlíkové dotace“ a „Nová zelená úsporám“. Stále více majitelů rodinných domů preferuje nejen komfort vytápění, ale také ochranu životního prostředí, a to i za cenu vyšších pořizovacích i provozních nákladů.

Z ekologického pohledu existují při výměně starých kotlů dva základní přístupy, které mohou za jistých okolností směřovat proti sobě. Primárním cílem změn způsobů vytápění domácností by měl být přínos k dekarbonizaci energetiky postupnou náhradou fosilních paliv obnovitelnými zdroji energie. Jedná se bezesporu o cíl globálního významu. Lokálním cílem je snížení emisí škodlivin vypouštěných do ovzduší. Aktuálně jde především jemné prachové částice velikosti PM_2,5 a PM₁₀. Oba cíle jsou bezesporu splněny v případě, kdy je nahrazen starý uhelný kotel jakýmkoliv moderním zdrojem tepla, vyjma elektrokotle. Ovšem protiklad obou přístupů se může projevit v případě náhrady starého kotle na biomasu. Lokální cíl snížení emisí je splněn vždy (tedy mělo by tomu tak být alespoň v teoretické rovině), protože se stará technologie nahrazuje novou – moderní. Ale jak si „stojí“ nové zdroje v případě dekarbonizace, tedy míry využití OZE? Pokusím se to demonstrovat na typickém případu s kotlíkových dotací.

Výchozí stav pro porovnání zdrojů

Starší rodinný dům s částečnými energeticky úspornými opatřeními, s roční potřebou tepla na vytápění a přípravu TV v otopné sezóně 110 GJ. Je vytápěn starým, ručně přikládaným kotlem na pevná paliva, uvažovány jsou varianty:

• spalování kusového dřeva v prohořívacím kotli se sezónní účinností 60 %
• spoluspalování hnědého uhlí a dřeva v poměru 70:30 (podíl na roční potřebě tepla) v odhořívacím kotli se sezónní účinností 70 %.

V rámci kotlíkových dotací je nahrazen nevyhovující zdroj tepla novým. Přechodem na nepřerušovaný způsob vytápění a lepší regulací zdroje tepla i otopné soustavy se předpokládá snížení roční potřeby tepla na vytápění a přípravu TV na 100 GJ. Z nových zdrojů tepla jsou předpokládány

• zplyňovací kotel s akumulací na kusové dřevo a sezónní účinností 82 %
• automatický kotel na dřevní peletu se sezónní účinností 87 %
• plynový kondenzační kotel se sezónní účinností 98 %
• tepelné čerpadlo vzduch/voda s elektrickou bivalencí a podlahovým vytápěním s SCOP 35 = 4,5
• tepelné čerpadlo vzduch/voda s elektrickou bivalencí a nízkoteplotní otopnou soustavou s SCOP 55 = 3,5
• tepelné čerpadlo vzduch/voda s elektrickou bivalencí s neupravenou otopnou soustavou s původními otopnými tělesy s SCOP = 2,5
• Elektrokotel s účinností 98 %

Využití primární neobnovitelné energie v jednotlivých zdrojích

Cestou k „dekarbonizaci“ energetiky je především snižování podílu primární neobnovitelné energie (PNE) na celkové energetické spotřebě. Primární energií je energie, která neprošla žádným procesem přeměny (například energie chemicky vázaná v palivu). Primární energii rozdělujeme na obnovitelnou a neobnovitelnou. Do té neobnovitelné spadá energie fosilních paliv a jaderná energie. O tom, do jaké míry využívají jednotlivé zdroje tepla pro vytápění domácností primární neobnovitelné energie, vypovídají tzv. faktory primární neobnovitelné energie (F), které jsou pro Českou republiku nově definovány ve vyhlášce č. 264/2020 Sb. o energetické náročnosti budov [1].

Pro elektrickou energii je v této vyhlášce uveden F = 2,6, což znamená, že na získání 1 kWh elektrické energie odebrané ze sítě bylo „spotřebováno“ 2,6 kWh primární neobnovitelné energie v palivu v elektrárně. U pelet je uveden F = 0,2, což zohledňuje fakt, že na výrobu a distribuci dřevních pelet je zapotřebí také fosilní energie, a to v poměru 0,2 : 1 k primární obnovitelné energii (POE). Pro spalování kusového dřeva platí F = 0,1. U fosilních paliv (uhlí, plyn) je F = 1.

V tabulce níže je uvedeno, kolik primární obnovitelné a neobnovitelné energie využívají jednotlivé zdroje tepla při dodávce tepla do referenčního domu (110 GJ původní zdroje, 100 GJ nové zdroje).

V prvních dvou sloupcích je uvedena „vstupní“ primární energie ve fosilním palivu N_prim (uhlí, plyn) a biopalivu OZE_prim (dřevo, peleta), potřebných k výrobě požadovaného množství tepla (vztaženo k výhřevnosti paliva). U tepelných čerpadel je vstupní primární energií myšlena elektrická energie potřebná k provozu TČ a bivalentního elektrického zdroje, a jako OZE pak získaná energie prostředí. V dalších sloupcích je F faktor primární neobnovitelné energie dle vyhlášky č. 264/2020 (pro neobnovitelné/obnovitelné zdroje) a ƩPNE celkové množství primární neobnovitelné energie. U peletového kotle je započítána také elektrická energie nezbytná pro provoz hořáku a podavače paliva (N_prim = 0,7 GJ).

Tab.: Množství primární obnovitelné a neobnovitelné energie, které využívají jednotlivé zdroje tepla při dodávce tepla do referenčního domu (110 GJ původní zdroje, 100 GJ nové zdroje).

Příklad výkladu údajů v tabulce pro „Uhlí – odhořívací kotel“

N_prim = 110 GJ je 70 % podíl energie dodané uhlím
OZE_prim = 47 GJ představuje 30 % energie dodané dřevem
F 1/0,1 znamená faktor primární neobnovitelní energie 1 pro uhlí a 0,1 pro dřevo
ƩPNE = 115 (110/5) znamená celkový podíl PNE = 115 GJ, z toho 110 GJ za uhlí a 5 GJ za dřevo

Topný faktor tepelného čerpadla

Je nutné se na chvíli zastavit u tepelných čerpadel (TČ). Jedná se o moderní sofistikovaný nízkoteplotní zdroj tepla, který nejvyššího potenciálu využití OZE dosahuje při nízké výstupní teplotě otopné vody 35 °C a při minimálním využívání elektrického bivalentního zdroje. Naopak při požadavku na vyšší výstupní teploty (55–65 °C) a s nižší venkovní teplotou jejich účinnost (využití OZE) klesá.

Míru využití OZE u TČ definuje jeho topný faktor COP, který udává poměr mezi energií dodanou otopné soustavě a elektrickou energií potřebnou pro jeho provoz. Pokud je tedy například COP = 4, znamená to, že na 4 kWh dodané energie byla „spotřebována“ 1 kWh elektrické energie.

Do jaké míry je velikost COP závislá na venkovní teplotě a teplotě otopné vody, si můžeme demonstrovat na grafu uvedeném v technických podkladech k jednomu z mnoha tepelných čerpadel dostupných na českém trhu, konkrétně o jmenovitém výkonu 12 kW.

Graf: Příklad půběhu COP tepelného čerpadla při různých výstupních teplotách a teplotách venkovního vzduchu

COP představuje okamžitý topný faktor pro dané podmínky. Daleko vyšší vypovídací hodnotu má ale tzv. sezónní topný faktor SCOP, který představuje jakýsi průměrný topný faktor za celou otopnou sezónu. SCOP se stanovuje dle ČSN EN 14825 [2] pro teplotu výstupní vody 35 °C a 55 °C a pro různé klimatické podmínky, z nichž se pro potřeby ČR zpravidla uvažuje tzv. „průměrné podnebí“ (výpočtová teplota −10 °C). S SCOP 35 lze počítat pouze u podlahového vytápění, SCOP 55 platí pro kvalitně provedenou otopnou soustavu s otopnými tělesy pro nízkoteplotní provoz. U vybraného TČ je například pro průměrné podnebí uvedeno SCOP 35 = 4,43 a SCOP 55 = 3,38.

I SCOP je ovšem pouze teoretická hodnota. Pokud je TČ poddimenzováno, či například instalováno s oblastech s nižší průměrnou venkovní teplotou, může být reálné SCOP podstatně nižší. Na druhou stranu, pokud je TČ a otopná soustava pro něj správně dimenzována a vše je instalováno v moderní budově, lze dosáhnout SCOP vyšší jak 5.

Z výše popsaných důvodů jsou v porovnání uvedena TČ s SCOP = 2,5, nebo 3,5 a  4,5.

Jen pro informaci uvádím, že pro vykazování podílu OZE na primárních energetických zdrojích používá MPO metodiky dle „Rozhodnutí komise 2013/114/EU“ [3], dle které je u tepelných čerpadel vzduch/voda pro klimatické podmínky České republiky počítáno se sezónním topným faktorem SCOP = 2,5.

Závěr

Jak je z tabulky zřejmé, masívní náhradou starých kotlů na biomasu plynovými kotli, elektrokotli, ale také tepelnými čerpadly, by došlo k významnému nárůstu podílu primární neobnovitelné energie na vytápění domácností, a tím také na celkové energetické spotřebě v ČR.

Relativně vysoký podíl PNE u tepelných čerpadel vychází z předpokladu, že je odebírána elektrická energie z běžné sítě a při vědomí, že mezi neobnovitelné zdroje energie je započítávána také jaderná energie. Na hrubé spotřebě elektřiny se u nás OZE podílí přibližně ze 14 %, což se samozřejmě projevuje vyšším podílem PNE na energetických zdrojích, které jsou na elektřině více závislé. Jiná situace je například v Rakousku (75 %), Švédsku (71 %), Dánsku (65), ale i Německu (42 %) [5].

Na druhou stranu jsou uvedená data významným podpůrným argumentem pro významnější využití fotovoltaiky jako doplňkového zdroje energie pro TČ, nebo pro významnější podporu kombinace TČ s biomasovými zdroji, které by nahradily elektřinu jako bivalentní zdroj.

Zdroje:

1. vyhláška č. 264/2020 Sb. o energetické náročnosti budov
2. ČSN EN 14825 – Klimatizátory vzduchu, jednotky pro chlazení kapalin a tepelná čerpadla s elektricky poháněnými kompresory pro ohřívání a chlazení prostoru – Zkoušení a klasifikace za podmínek částečného zatížení a výpočet při sezonním nasazení. ÚNMZ 2014
3. Rozhodnutí komise 2013/114/EU kterým se stanoví pokyny pro členské státy pro výpočet energie z obnovitelných zdrojů z tepelných čerpadel využívajících různé technologie tepelných čerpadel podle článku 5 směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/28/ES.
   Zdroj: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/CS/TXT/?qid=1572524042291&uri=CELEX:02013D0114-20130306
4. https://ec.europa.eu/eurostat/web/products-eurostat-news/-/ddn-20210108-1