Bilancování emisí znečišťujících látek z vytápění českých domácností tuhými palivy
Článek se zabývá stanovením emisních faktorů znečišťujících látek z vytápění domácností tuhými palivy. Uvádí také hodnoty měrných emisí TZL, CO a TOC a emisní bilance z vytápění domácností za rok 2001, 2015 a tři možné scénáře pro rok 2021.
Tento příspěvek představuje metodiku stanovení používaných emisních faktorů znečišťujících látek produkovaných při vytápění domácností při spalování tuhých paliv v ČR. Autory sestavené emisní faktory znečišťujících látek jsou používané pro oficiální bilance emisí znečišťujících látek za ČR. Emisní faktory znečišťujících látek jsou stanovovány z experimentálně získaných měrných emisí znečišťujících látek a dostupných statistických dat o počtech domácností v ČR, o prodejích kotlů v ČR, o způsobu vytápění atd. Výhodou této metodiky stanovení emisních faktorů znečišťujících látek je možnost její snadné aktualizace v případě dostupnosti nových měrných emisí znečišťujících látek a statistických dat o způsobu vytápění domácností tuhými palivy. Příspěvek uvádí hodnoty měrných emisí TZL, CO a TOC, výpočet emisních faktorů a emisních bilancí z vytápění domácností za rok 2001, 2015 a tři možné scénáře pro rok 2021.
Úvod
Sledování jednotlivých zdrojů pro vytápění domácností v ČR by bylo velmi těžko realizovatelné, protože se jedná o stovky tisíc zdrojů. Proto jsou tyto zdroje bilancovány tzv. hromadným způsobem na základě emisních faktorů znečišťujících látek, počtu provozovaných spalovacích zařízení, klimatických poměrů a parametrů paliv.
Příspěvek se věnuje metodice stanovení emisních faktorů znečišťujících látek (EF) produkovaných při vytápění domácností při spalování tuhých paliv v ČR, vychází z experimentálně stanovených měrných emisí znečišťujících látek (ME) a z dostupných statistických dat. Výhodou tohoto způsobu stanovení emisních faktorů je možnost snadné aktualizace v případě dostupnosti nových statistických dat o způsobu vytápění domácností tuhými palivy a nově získaných ME.
EF používané v nedávné minulosti (do roku 2013, v roce 2014 byla provedena revize bilancí za léta 2000 až 2013) byly stanoveny pro čtyři druhy tuhých paliv (hnědé uhlí, černé uhlí, koks a biomasa) a nijak nereflektovaly typ použitého spalovacího zařízení. Tyto emisní faktory byly stanoveny v době, kdy byly pro vytápění používány převážně prohořívací a odhořívací kotle. V posledních letech dochází ke změnám v zastoupení používaných konstrukcí spalovacích zařízení. Postupně bude docházet k poklesu prodeje starých typů spalovacích zařízení (prohořívací, odhořívací), které budou nahrazovány moderními zařízeními s nižší produkcí emisí znečišťujících látek (automatické, zplyňovací), což bude způsobeno zejména novými legislativními požadavky. Zde prezentované stanovení emisních faktorů se snaží tento trend zohlednit v národních bilancích emisí znečišťujících látek [5] pomocí pravidelné aktualizace EF. VEC na základě měření vytvořilo relativně rozsáhlou databázi ME pro různé typy spalovacích zařízení a pro různá paliva. Vyvstala otázka, „Jak z těchto naměřených ME vypočítat EF, které budou reflektovat skutečnou skladbu provozovaných kotlů v ČR?“. EF je nutné počítat jako vážený průměr z měřených ME, kde je jako váha použit „odhad spotřeby daného tuhého paliva spáleného v konkrétní konstrukci spalovacího zařízení“ [8, 9]. Žádná taková statistika v současné době v ČR neexistuje, ale je možno ji odhadnout na základě několika dostupných indicií.
Vymezení pojmů
- TZL – Tuhé znečišťující látky, prach
- SO2 – Oxid siřičitý
- NOx – Oxidy dusíku
- CO – Oxid uhelnatý
- TOC – Celkový organický uhlík
- PAU – Polycyklické aromatické uhlovodíky
- PCDD/F – Polychlorované dibenzo dioxiny a furany
- Měrná emise znečišťujících látek (ME) – měřením stanovené množství produkovaných emisí znečišťujících látek pro jeden konkrétní typ spalovacího zařízení a pro konkrétní typ paliva. Je možné ji vyjadřovat jako množství emisí znečišťujících látek (ZL) vztažené na hmotnost paliva (µg/kg, mg/kg, g/kg, kg/kg) nebo množství emisí znečišťujících látek vztažené na výhřevnost paliva nebo na vyrobené teplo (µg/GJ, mg/GJ, g/GJ, kg/GJ nebo µg/MJ, mg/MJ, g/MJ, kg/MJ).
- Emisní faktor znečišťujících látek (EF) – je vypočten jako vážený průměr z ME znečišťujících látek z více typů spalovacích zařízení pro konkrétní typ tuhého paliva (hnědé uhlí, černé uhlí, biomasa, koks). Jednotky jsou stejné jako u ME.
- Prohořívací kotle (viz Obr. 1a) – Spalovací stacionární zdroje s ruční dodávkou paliva, přirozeným přívodem spalovacího vzduchu (bez ventilátoru), u nichž při spalování spaliny procházejí přes vrstvu paliva [1]. Jedná se o roštové ohniště, nová dávka paliva (biomasa, uhlí, koks) se přikládá do spalovací komory na již hořící vrstvu paliva, která leží na roštu. Spaliny procházejí přes celou vrstvu nově přiloženého paliva. Palivo po přiložení prochází fází ohřevu, sušení, zplynění (uvolnění prchavé hořlaviny) a hoření odplyněného zbytku paliva neboli uhlíku. Jedná se o nejstarší typ kotlů, který je určen pro spalování paliva s malým obsahem prchavé hořlaviny (např. koksu). S ohledem na současné ceny koksu je jeho spalování spíše ojedinělé. Většina těchto zařízení byla vyrobena z litiny, takže přestože je jejich provoz dost nekvalitní (dehtování a vysoké CO), jedná se v současnosti o jedno z nejpoužívanějších spalovacích zařízení (v ČR cca 50% zastoupení). Je to dáno jeho cenou a životností [2].
- Odhořívací kotle (viz Obr. 1b) – Spalovací stacionární zdroje s ruční dodávkou paliva, přirozeným přívodem spalovacího vzduchu, u nichž při spalování spaliny neprocházejí přes vrstvu paliva [1]. Palivo (dřevo, uhlí) se přikládá do násypné šachty, která je umístěna nad ohništěm. Ve spalovací komoře hoří palivo na roštech (otočné, posuvné), ale spaliny neprocházejí celou vrstvou přiloženého paliva, takže tento kotel je také vhodný pro paliva s větším obsahem prchavé hořlaviny (hnědé uhlí, dřevo). Během provozu dochází k postupné dopravě (sesouvání) paliv z palivové šachty do prostoru spalovací komory [2].
- Zplyňovací kotle (viz Obr. 1c) – Odhořívací spalovací stacionární zdroje s ruční dodávkou paliva, nuceným přívodem spalovacího vzduchu ventilátorem a speciální žáruvzdornou spalovací komorou [1]. Kvalitně spalovat plynné palivo je výrazně jednodušší než spalovat tuhé palivo. Proto se ve zplyňovacích kotlích „převádí“ tuhé palivo na plynné – „zplyňování“. Palivo (dřevo, uhlí) se přikládá do zásobníku paliva, který je umístěn nad spalovací tryskou (hořákem) a spalovací komorou, ve které je plyn následně spálen [2].
- Automatické kotle – Rozlišujeme čtyři varianty automatických kotlů:
- Spalovací stacionární zdroje na uhlí nebo pelety s dopravou paliva šnekovým dopravníkem (viz Obr. 1d) [1].
- Spalovací stacionární zdroje na uhlí s bubnovým otočným roštem [1].
- Spalovací stacionární zdroje s automatickou dodávkou paliva přestavěné z původních odhořívacích a prohořívacích kotlů dodatečnou instalací hořáku [1].
- Spalovací stacionární zdroje určené primárně ke spalování jiné než peletizované biomasy (piliny, štěpka, sláma) [1].
Obr. 1 Schéma prohořívacího, odhořívacího, zplyňovacího a automatického kotle
Počet českých domácností vytápěných tuhými palivy
V těchto modelových výpočtech se pracuje se zjednodušujícím předpokladem, že každá domácnost v ČR vytápěná tuhými palivy je vybavena jedním kotlem na tuhá paliva, který je dominantním zdrojem tepla pro danou domácnost.
Počet provozovaných kotlů v ČR v roce 2001 a 2015 a variantní predikce roku 2021
Pro odhad počtu provozovaných kotlů v ČR pro rok 2001 byla použita data Asociace podniků topenářské techniky (APTT), která vykazuje prodeje spalovacích zařízení v ČR určených pro vytápění domácností. Někteří odborníci hovoří o tom, že jsou uvedené počty prodaných zařízení nadhodnoceny. To je možné, ale souhrnné informace nejsou k dispozici. Pro potřebu této metodiky jde hlavně o relativní poměry prodaných kotlů. Tato data jsou členěna na ocelové kotle na tuhá paliva, litinové kotle na tuhá paliva, automatické kotle na uhlí, speciální kotle na dřevo a automatické kotle na pelety. Toto členění plně nekoresponduje s požadovaným rozčleněním, kde jsou potřebná data dělená podle konstrukce spalovacího zařízení. Je předpokládáno, že většina litinových kotlů je vyráběna jako prohořívací, většina ocelových kotlů je vyráběna jako odhořívací, a speciální kotle na dřevo jsou většinou zplyňovací kotle. Počty jednotlivých konstrukcí byly upravovány tak, aby jejich celkový počet byl pro rok 2001 celkem 740 000 tj. v souladu s daty Českého statistického úřadu. Kategorie litinových kotlů v roce 2001 byla navýšena, neboť je předpokládáno, že v provozu bylo velké množství lokálních topidel, které pracují s prohořívacím způsobem spalování. Výsledný odhad počtu provozovaných spalovacích zařízení v ČR pro rok 2001 je uveden v Tab. 1.
Odhad počtu provozovaných kotlů v ČR pro rok 2015 (viz Tab. 1) byl převzat z publikace ministerstva průmyslu a obchodu (MPO) [3] strana 13. V datech není specifikována konstrukce kotlů, ale jen použitá technologie výroby (ocelové, litinové kotle). Pro rozdělení na typ kotlů byl použit výše uvedený předpoklad, že většina litinových kotlů pracuje s prohořívacím typem spalování a většina vyrobených ocelových kotlů pracuje s odhořívacím typem spalování. Dále jsou v tomto odhadu promítnuty počty instalovaných spalovacích zařízení v rámci „kotlíkových dotací“.
Tři variantní predikce možného počtu zařízení provozovaných v roce 2021 jsou postaveny na těchto úvahách:
- 2021 v1 – „optimální“ – předpokládá oproti roku 2015 cca 30% snížení celkového počtu spalovacích zařízení na tuhá paliva (náhrada za plynové vytápění, tepelná čerpadla apod.), podstatné snížení počtu provozovaných odhořívacích a prohořívacích kotlů a také předpokládá určité navýšení počtu automatických a zplyňovacích kotlů.
- 2021 v2 – „ideální“ – předpokládá oproti roku 2015 téměř 50% snížení celkového počtu spalovacích zařízení na tuhá paliva, vyřazení z provozu všech odhořívacích a prohořívacích kotlů a nárůst počtu automatických a zplyňovacích kotlů.
- 2021 v3 – „reálná“ – předpokládá setrvalý celkový počet provozovaných spalovacích zařízení na tuhá paliva, při mírném snížení počtu odhořívacích kotlů, podstatném snížení počtu prohořívacích kotlů a nárůstem počtu automatických a zplyňovacích kotlů.
Variantní predikce odhadu počtu provozovaných spalovacích zařízení v ČR v roce 2021 jsou uvedeny v Tab. 1.
| Konstrukce kotle | 2001 | 2015 | 2021 v1 | 2021 v2 | 2021 v3 |
|---|---|---|---|---|---|
| Prohořívací | 220 | 222 | 55 | 0 | 60 |
| Odhořívací | 480 | 307 | 60 | 0 | 200 |
| Zplyňovací – biomasa | 40 | 73 | 180 | 180 | 140 |
| Automatické – uhlí | 0 | 11 | 80 | 80 | 100 |
| Automatické – biomasa | 0 | 10 | 75 | 75 | 100 |
| Celkem | 740 | 623 | 450 | 335 | 600 |
Počet domácností v ČR používajících pro vytápění tuhá paliva dle ČSÚ
Dle údajů Českého statistického úřadu (ČSÚ), bylo v roce 2001 v českých domácnostech v provozu celkem 740 tis. (573 tis. uhlí a 167 tis. biomasa) malých spalovacích zařízení na tuhá paliva. V roce 2015 bylo v provozu cca 621 tis. (336 tis. uhlí a 285 tis. biomasa) těchto zařízení [11]. Varianty pro rok 2021 jsou přepočítány podle poměru předpokládaného provozu kotlů na uhlí a biomasu v roce 2015 (tj. na uhlí je provozováno 90 % odhořívacích kotlů a 22 % prohořívacích kotlů, u ostatních konstrukcí kotlů je palivo deklarováno, postup výpočtu je nastíněn v následující kapitole) na uvažovaný počet provozovaných spalovacích zařízení v roce 2021 (viz Tab. 1). Počty domácností jsou uvedeny v Tab. 2.
| 2001 | 2015 | 2021 v1 | 2021 v2 | 2021 v3 | ||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Bytů v rodinných domech | Uhlí | 472 | 296 | – | – | – |
| Biomasa | 149 | 259 | – | – | – | |
| Bytů v bytových domech | Uhlí | 101 | 42 | – | – | – |
| Biomasa | 18 | 29 | – | – | – | |
| Celkem | Uhlí | 573 | 338 | 146 | 80 | 293 |
| Biomasa | 167 | 288 | 304 | 255 | 307 | |
| Celkem | Uhlí + biomasa | 740 | 626 | 450 | 335 | 600 |
Odhad počtu provozovaných kotlů v členění dle typu paliva a konstrukce kotle
Na základě informací uvedených v předchozí kapitole a dalších předpokladů byly stanoveny počty provozovaných kotlů podle používaného typu paliva. Pro automatické a zplyňovací kotle bylo rozdělení podle typu paliva bezproblémové. Zplyňovací kotle jsou v drtivé většině používány pro spalování dřeva a pro automatické kotle jsou k dispozici informace o množství prodaných kusů v ČR na uhlí a na biomasu. Komplikací je rozdělení pro odhořívací a prohořívací kotle. Poměrné rozdělení je postaveno na odhadu, že 90 % odhořívacích kotlů je provozováno na uhlí. Pak je tedy možné jednoduše dopočíst počty prohořívacích kotlů provozovaných v ČR na uhlí a na biomasu. Výsledný odhad počtu provozovaných kotlů v ČR v členění dle konstrukce kotle a dle spalovaného paliva je pro roky 2001 a 2015 a pro výše popsané variantní predikce uveden v Tab. 3 a Tab. 4.
| Konstrukce kotlů | 2001 | 2015 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Celkem | Uhlí | Biomasa | Celkem | Uhlí | Biomasa | |
| Prohořívací | 220 | (141) | (79) | 227 | (52) | (175) |
| Odhořívací | 480 | (432) | (48) | 307 | (276) | (31) |
| Zplyňovací | 40 | 0 | 40 | 73 | 0 | 73 |
| Automatické | 0 | 0 | 0 | 21 | 11 | 10 |
| Celkem | 740 | 573 | 167 | 620 | 336 | 285 |
| () hodnoty v závorkách jsou dopočítány podle principu uvedeného v textu nad tabulkou | ||||||
| Konstrukce kotlů | 2021 v1 | 2021 v2 | 2021 v3 | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Celkem | Uhlí | Biomasa | Celkem | Uhlí | Biomasa | Celkem | Uhlí | Biomasa | |
| Prohořívací | 55 | 12 | 43 | 0 | 0 | 0 | 60 | 13 | 47 |
| Odhořívací | 60 | 54 | 6 | 0 | 0 | 0 | 200 | 180 | 20 |
| Zplyňovací | 180 | 0 | 180 | 180 | 0 | 180 | 140 | 0 | 140 |
| Automatické | 155 | 80 | 75 | 155 | 80 | 75 | 200 | 100 | 100 |
| Celkem | 450 | 146 | 304 | 335 | 80 | 255 | 600 | 293 | 307 |
Podíly konstrukcí kotlů na spotřebě uhlí a biomasy a průměrná účinnost kotlů při spalování uhlí a biomasy v ČR
Pro stanovení podílů uhlí a biomasy spálených na daných konstrukcích kotlů je potřeba vycházet z počtu provozovaných kotlů na dané palivo (viz Tab. 3 a Tab. 4) a také je nutné brát v úvahu, jaká je reálná účinnost daných konstrukcí kotlů. Reálně dosahované účinnosti kotlů na daný typ paliva byly převzaty z publikace [6] strana 90. Hodnoty reálných účinností se budou lišit dle konkrétních instalací, ale pro potřeby metodiky výpočtu jsou v souladu se získanými zkušenostmi použity hodnoty uvedené v Tab. 5.
| Konstrukce kotlů | Uhlí | Biomasa |
|---|---|---|
| Prohořívací | 60 | 55 |
| Odhořívací | 60 | 60 |
| Zplyňovací | – | 80 |
| Automatické | 80 | 85 |
Podíly uhlí a biomasy spotřebované na dané konstrukci kotle jsou vypočítány váženým průměrem počtu provozovaných konstrukcí kotlů na daném palivu (viz Tab. 3 a Tab. 4) a jako váha je použita převrácená hodnota účinnosti dané konstrukce při spalování daného paliva (viz Tab. 5). Tj. např. v roce 2001 bylo na uhlí provozováno 141 tisíc prohořívacích kotlů s účinností 60 % a 432 tisíc odhořívacích kotlů také s účinností 60 %. Podíl prohořívacích kotlů na spotřebě uhlí se vypočítá:
(1)
Znamená to, že v prohořívacích kotlích bylo v roce 2001 spáleno 25 % z celkového spotřebovaného uhlí v ČR.
Pro další konstrukce kotlů a další paliva jsou podíly vypočteny stejným způsobem. Výsledné podíly jsou uvedeny v Tab. 6.
Průměrná účinnost spalování uhlí a biomasy je vypočítána váženým průměrem reálně dosahovaných účinností (viz Tab. 5), kde jsou jako váha použity podíly paliva spotřebované na dané konstrukci kotle (viz Tab. 6). Výsledné reálné účinnosti spalování pro uhlí a biomasu jsou uvedeny na posledním řádku Tab. 6.
| Konstrukce kotlů | 2001 | 2015 | 2021 v1 | 2021 v2 | 2021 v3 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Uhlí | Biomasa | Uhlí | Biomasa | Uhlí | Biomasa | Uhlí | Biomasa | Uhlí | Biomasa | |
| Prohořívací | 25 | 53 | 15 | 68 | 9 | 19 | 0 | 0 | 5 | 21 |
| Odhořívací | 75 | 29 | 83 | 11 | 43 | 3 | 0 | 0 | 67 | 8 |
| Zplyňovací | 0 | 18 | 0 | 19 | 0 | 56 | 0 | 72 | 0 | 42 |
| Automatické | 0 | 0 | 2 | 2 | 48 | 22 | 100 | 28 | 28 | 29 |
| Reálná účinnost kotlů | 60 | 61 | 60 | 61 | 70 | 76 | 80 | 81 | 66 | 75 |
Hodnoty měrných emisí TZL, CO a TOC pro různé konstrukce kotlů při spalování uhlí a biomasy
Měrné emise ME široké skupiny znečišťujících látek byly měřeny v průběhu let 2008 až 2013 na Výzkumném energetickém centru v Ostravě. V Tab. 7 jsou jako příklad uvedeny měrné emise TZL, CO a TOC, k dispozici jsou však také měrné emise SO2, NOx, PAU, PCDD/F a těžkých kovů. Všechna experimentální data (viz Tab. 7) byla získána zejména při provozu kotlů na jmenovitý výkon a nezahrnují provoz při snížených výkonových hladinách, při špatné obsluze kotlů atp., kdy může být do ovzduší vypouštěno i řádově vyšší množství emisí znečišťujících látek. Na získání těchto nových ME se v současnosti intenzivně pracuje.
| Typ paliva | Konstrukce kotle | TZL [g/kg] | CO [g/kg] | TOC [g/kg] |
|---|---|---|---|---|
| Hnědé uhlí | Prohořívací | 24,0 | 111,9 | 36,6 |
| Odhořívací | 4,9 | 82,4 | 2,0 | |
| Automatický | 0,8 | 10,0 | 0,3 | |
| Černé uhlí | Prohořívací | 8,9 | 136,7 | 15,9 |
| Odhořívací | 7,8 | 107,1 | 23,2 | |
| Automatické | 1,7 | 6,5 | 0,2 | |
| Biomasa | Prohořívací | 1,9 | 87,4 | 9,5 |
| Odhořívací | 1,5 | 65,4 | 12,9 | |
| Zplyňovací | 0,6 | 20,0 | 2,5 | |
| Automatický | 0,2 | 2,7 | 0,04 |
Výpočet emisních faktorů z měrných emisí
Přepočet ME (viz Tab. 7) je proveden jako vážený průměr, kde jsou jako váha použity podíly paliv spotřebovaných na jednotlivých konstrukcích kotlů (viz Tab. 6). Výsledné EF pro roky 2001, 2015 a 3 modelové varianty v roce 2021 jsou uvedeny v Tab. 8.
| Palivo | Rok | TZL [kg/t] | CO [kg/t] | TOC [kg/t] |
|---|---|---|---|---|
| Hnědé uhlí | 2001 | 9,6 | 89,6 | 10,5 |
| 2015 | 7,6 | 85,1 | 7,1 | |
| 2021 v1 | 4,8 | 50,8 | 4,4 | |
| 2021 v2 | 0,8 | 10,0 | 0,3 | |
| 2021 v3 | 4,7 | 63,6 | 3,2 | |
| Černé uhlí | 2001 | 8,1 | 114,3 | 21,4 |
| 2015 | 7,8 | 109,2 | 21,6 | |
| 2021 v1 | 5,0 | 62,0 | 11,6 | |
| 2021 v2 | 1,7 | 6,5 | 0,2 | |
| 2021 v3 | 6,2 | 80,4 | 16,4 | |
| Biomasa | 2001 | 1,5 | 68,7 | 9,2 |
| 2015 | 1,6 | 70,1 | 8,3 | |
| 2021 v1 | 0,8 | 30,4 | 3,6 | |
| 2021 v2 | 0,5 | 15,1 | 1,8 | |
| 2021 v3 | 0,8 | 32,7 | 4,1 |
Bilancování emisí TZL, CO a TOC z vytápění domácností tuhými palivy
Pro oficiální bilancování emisí znečišťujících látek z vytápění domácností v ČR se užívá metodika ČHMÚ z roku 2006 [5] aktualizovaná podle výsledků posledního Sčítání lidu, bytů a domů z roku 2011 (SLDB 2011). Podstatou této metodiky je výpočet množství spálených paliv v členění na jednotlivé obce ČR. Toto vypočtené množství spotřeby jednotlivých typů paliv je vynásobeno příslušnými EF (viz Tab. 8) a příspěvky produkcí znečišťujících látek za jednotlivé typy paliv jsou sečteny.
Výsledné bilance emisí TZL, CO a TOC uvedené v Tab. 9 ukazují trend postupného snižování množství emisí uvedených znečišťujících látek. Tento trend je způsoben jednak poklesem provozovaných zdrojů na tuhá paliva, energetickými úsporami obytných domů, ale také postupným nárůstem počtu moderních kotlů, které dokážou spálit palivo účinněji a s nižším množstvím produkovaných emisí.
| Rok | TZL | CO | TOC |
|---|---|---|---|
| 2001* | 22,0 | 270,8 | 35,3 |
| 2015** | 14,3 | 254,1 | 25,8 |
| 2021 v1*** | 3,8 | 71,2 | 7,6 |
| 2021 v2*** | 0,8 | 19,0 | 2,0 |
| 2021 v3*** | 6,9 | 124,1 | 10,0 |
| * jsou zde uvedeny hodnoty oficiálních bilancí [12] včetně kapalných a plynných paliv, jejichž příspěvek je u těchto znečišťujících látek zanedbatelný cca 0,5 %. ** oficiální bilance pro rok 2015 nebyla v době publikování tohoto příspěvku zveřejněna, vychází z odhadů autorů. *** bilance pro rok 2021 vycházejí z počtu provozovaných kotlů pro jednotlivé varianty (viz Tab. 1) a z dalších dat z databáze REZZO (výhřevnost paliv, roční spotřeba tepla na domácnost atd.) | |||
Závěr
Na základě uvedeného postupu byly vypracovány odhady zastoupení typů konstrukcí spalovacích zařízení na spotřebě uhlí a biomasy pro rok 2001, 2015 a pro rok 2021 ve třech možných variantách a je také odhadnuta průměrná účinnost spalovacích zařízení (viz Tab. 6). Tyto odhady slouží jako „váha“ pro přepočet experimentálně stanovených měrných emisí znečišťujících látek na emisní faktory. Odhady byly vytvořeny na základě dostupných statistických informací a odborných odhadů.
Z výsledků uvedených v Tab. 6 vyplývá, že v současnosti (rok 2015) je uhlí spalováno převážně v kotlích s odhořívacím principem spalování (cca 83 %), část v kotlích s prohořívacím principem spalování (15 %) a jen malé procento je spalováno v automatických kotlích. Dřevo je převážně spalováno v kotlích s prohořívacím principem spalování (68 %), ve zplyňovacích kotlích (19 %) a částečně v odhořívacích kotlích (11 %). V budoucnosti se snad i díky zpřísněným požadavkům na emisní parametry kotlů [3, 6] předpokládá značný úbytek počtu provozovaných prohořívacích kotlů a částečný úbytek starých odhořívacích kotlů. Také díky různým formám ekologických dotačních programů se předpokládá zvýšení počtu nových moderních konstrukcí kotlů (automatické, zplyňovací), které splňují požadavky dle ČSN EN 303-5 třídy 5 [8] a produkují řádově desetinové množství emisí TZL, CO a TOC oproti prohořívacím a odhořívacím kotlům (pokud jsou dobře provozovány a udržovány, více viz SMOKEMANovo desatero správného topiče [13]). Tento předpokládaný trend změn by také měly, díky autory navrženého postupu, korelovat používané emisní faktory znečišťujících látek.
Emisní faktory používané v nedávné minulosti (do roku 2013) byly postaveny pouze pro různé druhy paliv (hnědé uhlí, černé uhlí, biomasa atd.), ale množství znečišťujících látek je také podstatně ovlivňováno používanými konstrukcemi spalovacích zařízení. Dříve používaná metodika to nezohledňovala hlavně z důvodu nedostatku statistických dat (informace o počtech spalovacích zařízení v členění podle konstrukce pro každou obec). Nyní je možné pravidelně aktualizovat emisní faktory tak, jak je to prezentováno v tomto příspěvku, např. podle aktuálních informací o počtech provozovaných spalovacích zařízení v domácnostech v ČR. V současné době probíhá zpracování dat ze statistického šetření ENERGO 2015, díky kterému budou získány přesnější odhady zastoupení jednotlivých konstrukcí kotlů v českých domácnostech. Nebo je možno EF aktualizovat dle nově získaných údajů o ME.
ME prezentované v tomto článku jsou stanoveny při jmenovitém výkonu kotlů, což znamená „ideální“ provoz. Ve skutečnosti jsou často kotle v domácnostech provozovány na snížený výkon, při kterém vzniká vyšší množství ZL (přibližně 2 až 5krát více). Podle odhadu Směrnice o Ekodesignu 2009/125/ES jsou kotle provozovány na snížený výkon po 85 % provozní doby. Autoři tohoto příspěvku v současné době usilovně pracují na stanovení ME ZL při sníženém výkonu kotlů.
Poděkování
Tento článek byl vypracován v rámci projektu „Inovace pro efektivitu a životní prostředí – Growth“, identifikační kód LO1403 za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I.
Použité zdroje
- Ministerstvo životního prostředí, Sdělení odboru ochrany ovzduší k provozování a ke kontrole spalovacích stacionárních zdrojů o jmenovitém tepelném příkonu 300 kW a nižším, Dostupné z:
http://www.mzp.cz/cz/spalovaci_stacionarni_zdroje_300kW_sdeleni - HORÁK, J., KUBESA, P., HOPAN, F., KRPEC, K., KYSUČAN, Z. Co nejvíce ovlivní Tvůj kouř? TZB-info, leden 2013, ISSN 1801-4399. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/kotle-kamna-krby/9475-co-nejvice-ovlivni-tvuj-kour
- BUFKA, A. Malá spalovací zařízení na pevná paliva pro domácnosti. Výsledky statistických zjišťování pro rok 2010, listopad 2011, Ministerstvo průmyslu a obchodu, Oddělení surovinové a energetické statistiky. Dostupné z:
http://www.mpo.cz/dokument92531.html - HORÁK J., MARTINÍK L., KRPEC K., KUBESA P., DVOŘÁK J., HOPAN F., JANKOVSKÁ, Z., DRASTICHOVÁ, V. Jaké parametry musí splnit kotle na tuhá paliva? Legislativa v ČR a Evropě. TZB-info, březen 2013, ISSN 1801-4399. Dostupné z: http://vytapeni.tzb-info.cz/kotle-kamna-krby/9665-jake-parametry-musi-splnit-kotle-na-tuha-paliva-legislativa-v-cr-a-evrope
- MACHÁLEK, P., MACHART, J. Upravená emisní bilance vytápění bytů malými zdroji od roku 2006, ČHMÚ 2007. Dostupné z: http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/embil/metodika_rezzo3new.pdf
- LYČKA, Z. Malé teplovodní kotle na pevná paliva – spalování pevných paliv po roce 2013, Ling vydavatelství, ISBN 978-80-904914-2-7
- Sbírka zákonů č. 201/2012 Sb. – o ochraně ovzduší. Zákon ze dne 2. května 2012
- EN 303-5:2012. Heating boilers – Part 5: Heating boilers for solid fuels, manually and automatically stoked, nominal heat output of up to 500 kW – Terminology, requirements, testing and marking – 1. 1. 2013 vyšla česká verze této normy, která platí od 1. 2. 2013: ČSN EN 303-5:2013. Kotle pro ústřední vytápění – Část 5: Kotle pro ústřední vytápění na pevná paliva, s ruční a samočinnou dodávkou, o jmenovitém tepelném výkonu nejvýše 500 kW – Terminologie, požadavky, zkoušení a značení
- HOPAN, F., HORÁK, J., Metodika stanovení „váhy“ typu paliva a typu spalovacího zařízení pro výpočet emisních faktorů znečisťujících látek měrných emisí znečišťujících látek, ČHMÚ 2014. Dostupné z:
http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/embil/MetodikaStanoveniVahy.pdf - HOPAN, F., HORÁK, J., Výpočet emisních faktorů znečišťujících látek pro léta 2001 až 2012 a tři varianty pro rok 2022 na základě experimentálních a statistických dat, ČHMÚ 2014. Dostupné z:
http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/embil/VypocetEF.pdf - Obydlené byty podle způsobu vytápění a používané energie k vytápění a podle velikostních skupin obcí a krajů, ČSÚ, Dostupné z: https://vdb2.czso.cz/vdbvo2/faces/shortUrl?su=b4284557
- Emisní bilance České republiky, ČHMÚ, Dostupné z: http://portal.chmi.cz/files/portal/docs/uoco/oez/emisnibilance_CZ.html
- HORÁK J.: SMOKEMANovo desatero správného topiče. Článek v „TZB-info“, 2015, ročník: Neuveden, číslo: březen, str. 2. 3. 2015. ISSN 1801-4399, Dostupné z:
http://vytapeni.tzb-info.cz/vytapime-tuhymi-palivy/12373-smokemanovo-desatero-spravneho-topice
Poznámka recenzenta, Ing. Zdeňka Lyčky:
Pro správné bilancování znečišťujících látek z vytápění je důležité správné stanovení emisních faktorů. U teplovodních kotlů na pevná paliva je to záležitost velice složitá a nevděčná. Abychom se přiblížili alespoň částečně reálným hodnotám, je nutné provést přímo v terénu desítky měření na desítkách kotlů různých konstrukcí. A přitom je stále nutné počítat s určitou mírou nepřesnosti, protože provoz kotlů na pevná paliva je odvislý od mnoha faktorů, kvalitou obsluhy počínaje a konče kvalitou paliva. Přitom se výrazně mění jak konstrukce kotlů, tak bohužel i kvalita paliva. Reálně stanovené hodnoty EF jsou velice důležité při strategickém plánování dalšího postupu při zlepšování kvality ovzduší. Určitě hrály významnou roli i při přípravě zprávy o stavu životního prostředí v roce 2015, kterou koncem listopadu předložil vládě ministr životního prostředí. V ní se jistě mimo jiné hovoří o tom, že hlavním producentem jemného polétavého prachu jsou malé spalovací zdroje na pevná paliva, včetně biomasy, a proto je zapotřebí jejich přísné regulace. Pokud by tento předpoklad vycházel ze špatně stanovených EF, mohlo by se stát, že budeme bojovat se špatným nepřítelem a skutečné příčiny znečištění ovzduší mohou být zcela někde jinde. Ostatně v oblasti s nejhorší kvalitou ovzduší, na Severní Moravě, se traduje, že i pokud by se zrušily všechny malé kotlíky, vzniklý „deficit“ škodlivin by nám s radostí dorovnali naši přeshraniční sousedé.
Za redakci TZB-info se k článku vyjádřil Ing. Vladimír Stupavský:
České emisní faktory znečišťujících látek z vytápění domácností tuhými palivy vyvolaly mezi odbornou veřejností zájem. Jedná se totiž o výpočty, které jsou pravděpodobně v současnosti používané při vyhodnocování dopadů výměn tepelných zdrojů v kotlíkových dotacích a mohou ovlivnit řadu legislativních a dotačních kroků, stejně jako utvářet statistiku znečištění regionů České republiky.
Výsledky z měření emisí dle článku byly porovnány s měřeními v naší zkušebně pro profesní kvalifikace, dále z dat z měření analyzátory spalin od našich spolupracujících topenářů a z dat ze zkoušek kotlů ve firmách. Při porovnání byly shledány rozdíly u některých parametrů v řádech stovek procent. Následně jsem se spojil s jedním z autorů článku a diskutovali jsme o možné příčině vzniku odchylek a komplexně o průkaznosti měření a využitelnosti výsledků na globální stanovování dopadů tvorby emisí z kotlů na tuhá paliva pro Českou republiku. Zde bych chtěl poděkovat autorům článku J. Horákovi a F. Hopanovi za zaslání odpovědí na mé doplňující dotazy, které zde uvedu.
V prvé řadě jsem chtěl vědět, jaké byly použity pro měření kotle a jejich přibližné stáří. Jednalo se o domácí značky kotlů o jmenovitých výkonech mezi 25 až 32 kW. Zástupce prohořívacího litinového kotle byl použit o jmenovitém výkonu 25 kW a stáří cca 8 let, zástupce automatického kotle s retortovým hořákem byl použit 15 let starý 25kW model, o kterém se rozepíši v následujících odstavcích. Dále byl pro měření použit ocelový odhořívací kotel 32 kW stáří cca 8 let a posledním modelem byl 7 let starý zplyňovací kotel o jmenovitém výkonu 25 kW. Přesné typy a firemní označení kotlů jsem se po dohodě s autory článku rozhodl nezveřejňovat. Používané palivo ke zkouškám popisuje následující tabulka:
| Hnědé tříděné uhlí HU1 (ořech 1) | Hnědé tříděné uhlí HU2 (ořech 2) | Černé tříděné uhlí (ořech 1, Polsko) | Kusové dřevo (buk) | Kusové dřevo (smrk) | Dřevní pelety | ||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| uhlík | % | 46,9 | 50,0 | 79,7 | 41,1 | 45,4 | 47,43 |
| vodík | % | 3,8 | 4,1 | 4,4 | 5,1 | 5,4 | 6,10 |
| síra | % | 0,6 | 1,0 | 0,7 | 0,2 | 0,1 | 0,05 |
| dusík | % | 0,7 | 0,8 | 1,0 | 0,1 | 0,4 | 0,04 |
| kyslík | % | 16,4 | 17,7 | 8,7 | 43,1 | 37,7 | 40,00 |
| voda | % | 27,5 | 19,0 | 2,4 | 9,6 | 10,0 | 6,00 |
| popelovina | % | 4,2 | 7,4 | 3,1 | 0,8 | 1,0 | 0,39 |
Jednotlivé typy zkoušek (různá paliva vs. typy kotlů) byly prováděny od 1 do 6 opakování. Zkoušky probíhaly od července 2008 do června 2010 (ve třech měřicích kampaních). Navíc jedna zkouška se smrkovým dřevem v prohořívacím kotli byla provedena v květnu 2013 a jedna zkouška v automatickém kotli s peletami byla provedena v listopadu 2013.
A s čím bylo srovnáváno? V průběhu posledních dvou let (2015, 2016) to bylo s výsledky testů několika typů dřevozplyňovacích kotlů, peletových automatických kotlů a hybridních automatických kotlů (pelety a uhlí) měřených ve firmách a při instalacích. Zde je nutno uvést, že bohužel ani jeden typ stejného kotle nebyl zastoupen u obou stran ověřovatelů. Také byly použity různé měřicí přístroje a analyzátory, stejně jako tato měření měla nižší rozsah ověřovaných parametrů a pravděpodobně i větší odchylku. Srovnávané typy kotlů byly výhradně modely posledních let zapsané do SVT pro kotlíkové dotace, tedy splňující ekodesign.
Jaký je tedy závěr? Ve výsledcích naměřených parametrů emisí jsme se nepotkali pravděpodobně kvůli výrazným rozdílům v technické vyspělosti a stáří kotlů, stejně jako v odlišných měřících podmínkách. Nejmarkantnější rozdíl spatřuji u zkoušek na automatickém kotli. Popisovaný 25kW retortový automat je totiž pravděpodobně první sériově vyráběný retortový automat v ČR, který byl do výroby uveden v roce 1999. Zde si musíme uvědomit, že v této době norma 303-5 neznala třídy 4 ani 5 (končila 3. třídou) a konstruktéři tedy nebyli nuceni k výrazné účinnosti, snižování emisí apod. jako je tomu dnes v běžné praxi. V této době stačilo splnit dolní limit pro třídu 3 a bylo splněno. Tento automat se již několik let neprodává i z toho důvodu, že byl konstruován s malým spalovacím prostorem a malým objemem vyzdívky. Především jej nahradily pokročilé modely. Při porovnání parametrů se tedy v žádném případě nemůžeme potkat.
Kde se však s kolegy shodujeme, je jednoznačné konstatování, že obě skupiny měření v podstatě ukazují nějaká čísla v obrovské skupině různorodých typů kotlů na tuhá paliva v českých domácnostech. Zde záleží prakticky na všem: na kotli, jeho stáří, údržbě, použitém palivu, regulaci, způsobu používání, obsluze kotle a tak dále. Vždy budou vycházet odlišnosti a zprůměrovávat takto širokou a nesourodou skupinu je práce složitá a nevděčná. Osobně si troufám tvrdit, že vzhledem k tisícům různých variant řešení i nereálná. Nicméně důvěryhodnost „průměrných“ hodnot se s jejich rostoucím počtem zvyšuje.
Celému oboru a životnímu prostředí vůbec by v této chvíli pomohlo zavedení povinných měření v místě realizace po instalaci kotle, jako je tomu např. v Německu. Je bláhové očekávat, že se při realizaci povede docílit shodných parametrů jako při certifikaci kotlů v notifikovaných zkušebnách, nicméně i u našich západních sousedů zde v těchto případech funguje zvětšené pole odchylky, která navíc rozšiřuje prostor o desítky procent od certifikačních limitů. Tímto způsobem se podle mého názoru lze dopracovat k relevantním hodnotám, které budou použitelné pro komplexní vyhodnocování dopadů znečišťujících látek z vytápění domácností tuhými palivy v ČR. Také se tímto způsobem odhalí ty kotle, které odborná veřejnost již léta kritizuje kvůli podezření z neplnění emisních limitů, účinností apod. To je však jiná kapitola, o které již bylo na stránkách TZB-info napsáno mnoho článků.
The article deals with the determination of emission factors of pollutants from household heating with solid fuels. It also gives the value of specific emissions of PM, CO and TOC and emission balance of household heating in 2001, 2015 and three possible scenarios for the year 2021.
