Plynová tepelná čerpadla a jejich uhlíková stopa

30.5.2024

Ing. Josef Hodboď, TZB-info, redakce

Provozní uhlíkové stopy elektricky poháněných tepelných čerpadel a plynových tepelných čerpadel se od sebe příliš neliší. Velmi se však liší investiční náklady na obě řešení.

Poslechněte si audio verzi článku:

Mít podíl obnovitelných zdrojů energie v energetickém systému budovy je pro novostavby a budovy modernizované ve větším rozsahu zásadní požadavek. Tento požadavek je plněn tak, že se do systému vkládá fotovoltaická elektrárna, tepelná solární soustava, spalovací zdroj tepla na biomasu a nebo nejčastěji tepelné čerpadlo. Když se řekne tepelné čerpadlo, většina lidí si představí jeho dnes nejtypičtějšího zástupce, a to elektricky poháněné tepelné čerpadlo vzduch-voda, méně často elektricky poháněné tepelné čerpadlo země-voda nebo voda-voda. V podstatě se této představě nelze divit, neboť o elektricky poháněných tepelných čerpadlech se všude mluví a jsou spojována s dotacemi. Přitom existují a v praxi se velmi dobře osvědčují i tepelná čerpadla plynová.

Vedle podílu OZE se stále více pozornosti přikládá uhlíkové stopě. Povinnost sledovat a vykazovat uhlíkovou stopu je zaváděna postupně:

Ilustrativní příklad absorpčního tepelného čerpadla (Zdroj: Robur GAHP)

2024: banky, pojišťovny a společnosti obchodované na burze s 500+ zaměstnanců
2025: všechny velké společnosti (2/3: 250 zaměstnanců, 500 milionů obrat, 1 miliarda rozvaha)
2026 (možná výjimka do roku 2028): SMEs obchodované na burze
2028: dceřiné společnosti korporací

Pro mnoho organizací je tato povinnost zatím jen dobrovolná. Nicméně lze předpokládat, že zejména pro státem financované instituce se brzo stane obecně závaznou. Může být i základem, od kterého se bude odvíjet ochota bank poskytovat úvěry a dost možná i vůbec vést bankovní účty.

Velké firmy již na tento systém najely a stále aktivněji jej vyžadují i od svých dodavatelů. A to v podstatě ještě před zavedením této povinnosti pro dodavatele. Neboť bez spolupráce a výkaznictví dodavatelů nemohou prokázat svou uhlíkovou stopu. Tato opatření se začínají promítat do výstavby nejen velkých průmyslových a obchodních areálů, ale i objektů kombinujících kanceláře, byty, retail včetně rezidenčních obytných budov. A vedle novostaveb musí postupně procházet modernizacemi nejen velké teplárenské zdroje tepla, okrskové kotelny, ale i výkonově menší objektové kotelny. A může to být ii případ přechodu zi plynových kotlů v jednotlivých bytech na domovní zdroj tepla.

Tam, kde se požadovaný tepelný výkon pohybuje zhruba řečeno nad 50 kW, může být plynové tepelné čerpadlo řešením, které významně sníží uhlíkovou stopu, spotřebu plynu, a to s nižší investicí oproti elektricky poháněnému tepelnému čerpadlu. Že se tak ve větší míře neděje, lze přičítat na vrub podcenění schopnosti plynových tepelných čerpadel snižovat uhlíkovou stopu, malým zkušenostem projektantů a energetických specialistů s touto technikou a částečně též neschopnosti vykázat jednoznačný přínos plynových tepelných čerpadel pro snížení uhlíkové stopy při příznivých investičních nákladech a následném úsporném provozu.

Jak vážně je třeba brát uhlíkovou stopu dokazují již dnes nejen mnohé poradenské společnosti nabízející výpočet uhlíkové stopy, ale i finanční instituce, které na svých webech nabízejí základní orientační výpočet uhlíkové stopy. A samozřejmě i poznatky těch, kteří již u některých bankovních ústavů se svým záměrem narazili, když ho nedokázali vhodně zdůvodnit.

Dvě řešení plynových tepelných čerpadel

Plynová tepelná čerpadla mají dvě různá konstrukční řešení. První řešení je funkčně podobné elektricky poháněnému tepelnému čerpadlu s kompresorem jen s tím rozdílem, že elektrický motor je nahrazen motorem plynovým. Nevýhodu nižší účinnosti plynového motoru oproti elektrickému vyvažuje využití tepla z chlazení motoru, například pro vytápění a přípravu teplé vody.

Druhé řešení se obejde bez motorem poháněného kompresoru, neboť je založeno na jiném přírodním principu. Ke své činnost rovněž potřebuje cirkulující pracovní látku, tedy obdobu chladiva, se kterým pracují kompresorová tepelná čerpadla. Funkce je však založena na procesech sorpce a desorpce cirkulující pracovní látky ve speciální látce. V tomto nepřetržitě se opakujícím procesu se dosahuju potřebné zvýšení teploty pracovní látky z nízké teploty přírodního obnovitelného zdroje tepelné energie na teplotu vyšší využitelnou pro vytápění, přípravu teplé vody aj. K tomu, aby se proces sorpce a desorpce neustále opakoval, se musí dodávat tepelná energie. V tomto případě ze spalování plynu.

Topný faktor elektricky poháněných tepelných čerpadel je dán poměrem vyrobené tepelné energie ke spotřebované. A stejně tak to lze chápat i u plynových tepelných čerpadel. Reverzibilní chod, tedy přepínání z režimu vytápění do režimu chlazení, je možný nejen u elektricky poháněných tepelných čerpadel, ale i u plynových.

Orientační srovnání uhlíkové stopy

Na počátku stojí elektrická energie s jejím emisním faktorem oxidu uhličitého EF_e. V roce 2023 byl tento faktor výpočtem MPO stanoven ve výši EF_e = 0,37 t CO₂/MWh_e elektrické energie, tedy 0,37 kg/kWh. Co se týká plynu, tak lze použít obecně přijatou hodnotu EF_p = 0,180 t CO₂ na 1 MWh_t tepelné energie na úrovni spalného tepla, tedy 0,18 kg/kWh.

Abychom porovnali provozní emise CO₂ z elektricky poháněného tepelného čerpadla s provozními emisemi CO₂ plynového tepelného čerpadla, musíme zvolit jako výsledek stejné množství vyrobeného tepla. Jako příklad je zvolena spotřeba tepla na úrovni 140 000 kWh/rok, což může odpovídat spotřebě tepla zatepleného bytového domu s cca 20 byty.

Pro elektricky poháněné tepelné čerpadlo do porovnání vložím druh vzduch-voda s průměrným sezónním topným faktorem SPF = 3,0. Hmotnost vyprodukovaných emisí m_e,CO2,rok,e za rok v tomto případě bude:

Pro plynové tepelné čerpadlo do porovnání vložím rovněž druh vzduch-voda s průměrným sezónním topným faktorem GUE = 1,4. GUE. GUE, aneb Gas Utilization Efficiency, je ekvivalentem topného faktoru COP, kde veličina produkované teplo je srovnatelná s teplem produkovaným elektrickým TČ, přičemž příkon odpovídá energii dodané plynem. Pro orientační porovnání jsem zvolil nižší GUE = 1,4, než je možných mírně i více než 1,5. Potom hmotnost vyprodukovaných emisí m_p,CO2,rok za rok v tomto případě bude:

Závěr

Výsledná hodnota emisí CO₂ u plynového tepelného čerpadle v příkladu je v podstatě velmi blízko k emisím CO₂ od elektricky poháněného tepelného čerpadla. Tento argument při své činnosti však využívá jen velmi málo projektantů, energetických specialistů i auditorů, aby investorům navrhli ke zvážení i jiné, variantní řešení.

Investor by měl posuzovat velikost uhlíkové stopy celého objektu. Pro uvážlivého a opatrného investora se nabízí velmi silná úvaha, zda pro něj není ekonomicky výhodnější snižovat uhlíkovou stopu více různými opatřeními. Tedy případnou mírnou nevýhodu plynových tepelných čerpadel nevykompenzovat doplněním energetického hospodářství například o solární systémy. Zvláště proto když zváží, že náklad na investici do plynového tepelného čerpadla je znatelně nižší, než náklad na elektrické tepelné čerpadlo. Pokud má zajištěnu plynovou přípojku, vyhne se složitému jednání o navýšení elektrického příkonu, někdy i delší dobu neřešitelného. Přitom se vyhne v nejbližší době velmi pravděpodobným turbulencím na trhu s elektřinou.

Uplatnit plynové tepelné čerpadlo jako základní zdroj tepla v modernizované plynové kotelně s doplněním o malý kondenzační kotel pro pokrytí odběrových špiček může být zajímavé řešení. Příležitostí je však mnohem více.