HODNOTA ZA PENIAZE

 

HODNOTA ZA PENIAZE

Tepelné čerpadlá ako prvé, správne dimenzované, plne využité

 

Doc. Ing. Peter Tomlein, PhD., SZ CHKT Šamorín

 

Abstrakt

V januári 2021 sme vstúpili do nového obdobia, ktoré vyžaduje projektovanie rodinných domov v energetickej triede A0. 

Investície do obnovy rodinných domov majú dosiahnuť 500 miliónov Eur. Za štyri roky od roku 2022 sa má podporiť 40 tis rodínných domov, o čo sa má starať 90 pracovníkov ministerstva. Do obnovy verejných budov má ísť ďalších 200 mil. Eur. Je to veľký priestor aj pre chladenie a vykurovanie a teda tepelné čerpadlá.

Od začiatku roka prebehlo viacero online podujatí, ktoré sa zaoberajú ako domy do energetickej triedy A0 dostať. Naše dlhodobo presadzované tézy sú už teraz plne podporované, pretože bez nich je RD do energetickej triedy problematické dostať. Sú to tézy:

 

  1. Tepelné čerpadlá sú tu a teraz pre nové i retrofitované budovy
  2. Tepelné čerpadlá správne dimenzované majú vyrobiť čím viac tepla, chladu
  3. Tepelné čerpadlá by mali byť posudzované ako prvé najmä ak je potreba tepla i chladu

Tento príspevok v rámci tézy – Hodnota za peniaze - sa venuje otázkam prečo majú byť tepelné čerpadlá posudzované ako prvá technológia, prečo tepelné čerpadlá nie je z ekonomického hľadiska vhodné kombinovať s inými nákladnými zariadeniami vyrábajúcimi teplo.

 

1.        ÚVOD

 

Na tepelné čerpadlá sa spoliehajú tvorcovia európskej legislatívy pri konverzii dekarbonizovanej elektriny na vykurovanie a chladenie. Zachováva sa princíp technologickej neutrality, keďže vývoj môže prinášať nové riešenia.

Vývoj na trhu s tepelnými čerpadlami nás presvedčia, že napriek hlboko podpriemernému počtu tepelných čerpadiel na 1 000 obyvateľov v rámci EÚ, sme na Slovensku za rok 2019 získali prostredníctvom tepelných čerpadiel 10 % z obnoviteľnej energie zo záväzku SR pre rok 2020.

Tento vývoj mohol byť rýchlejší, ale musíme byť naň pripravení a to nielen finančne, ale tiež odborne, kapacitne a skúsenosťami.

 

1.1      Tepelné čerpadlá sú prvá voľba

 

  Princíp - najskôr posudzujeme využitie tepelných čerpadiel a až potom iné technológie a to najmä tam, kde je potreba nielen vykurovať, ale aj chladiť – je prijímaný stále intenzívnejšie.

Okrem budovania inteligentných energetických sietí, inteligentných budov, sú dôvodom aj skutočnosti, že jedným zariadením sa v podmienkach Slovenska dosahujú: 

 

  1. až štyrikrát nižšie emisie CO2 na kWh vyrobeného tepla voči teplu z plynu,
  2. troj a viacnásobné zvýšenie energetickej efektívnosti výroby tepla z elektriny,
  3. využitie obnoviteľnej energie nielen pri vykurovaní, ale aj pri chladení budov,
  4. 30 a viac percentné zníženie potreby primárnej energie voči energii z plynu,
  5. zvýšenie pripravenosti na zapojenie do inteligentných systémov a podobne.

Tepelné čerpadlá majú aj svoje slabé stránky. Sú investične náročnejšie, vyžadujú vhodné umiestnenie, spotrebovávajú pomerne drahú elektrickú energiu, ktorú treba vyrobiť. Ich podiel na celkovej spotrebe elektriny na Slovensku je zatiaľ malý.

 

1.2      Čím viac tepla, tým väčší prínos

 

Z ekonomického hľadiska nie je vhodné tepelné čerpadlá kombinovať s inými drahými zariadeniami, ktoré preberú od nich časť výroby tepla a to najmä v obdobiach jar, jeseň, leto kedy tepelné čerpadlá dosahujú vysokú energetickú efektívnosť.

 

Využitie paralelných zariadení 

A to najmä investične náročnejších využívajúcich obnoviteľné energie, zhoršuje nielen ekonomiku tepelných čerpadiel, ale tiež sa degraduje prínos paralelných zariadení.

 

Vyplýva to z obrázka

Ktorý porovnáva úspory emisií CO2 a úspory na primárnej energii pri výrobe tepla. 

Ak časť tepla vyrobeného plynovým kotlom 3 kWh (červené okienko) sa nahradí teplom vyrobeným z obnoviteľnej energie (OE), tak sa ušetrí 0,666 kg CO2 a 3,33 kWh primárnej energie podľa normatívnych údajov vo vyhláške č. 324/2016 Z.z.   

Ak nahradí zdroj z OE 3 kWh tepla vyrobeného tepelným čerpadlom, tak sa ušetrí len 0,17 kg CO2 a 2,26 kWh primárnej energie.

 

1.3      Tepelné čerpadlá sa nemajú predimenzovávať

    Predimenzovaním sa zväčšuje počet hodín cyklovania kompresora. Napr. zýšením výkonu TČ zo 4 na 6 kW oblasť cyklovania  sa začne nie od tok 12, ale už od 9 oC. Zvýšený počet hodín cyklovania závisí od teplotného pásma. V teplejšom podiel hodín cyklovania bude vyšší ako v studenom. V miernom pásme je to približne 15-17 % z celkového času na vykurovanie.

1.4      Kombinácie s tepelným čerpadlom treba zvážiť

 

Ak sa zdrojom z OE vyrobia 3 kWh tepla a nahradí sa tak teplo vyrobené tepelným čerpadlom, ušetrí sa takmer štyrikrát menej emisií CO2, a takmer 33 % menej primárnej energie, ako keby sa nahradilo teplo vyrobené z energie zemného plynu.

           Z obrázku vyplýva výhodná kombinácia plynového kotla a solárneho kolektora v existujúcich domoch, keďže sa tak výrazne znižujú emisie pri výrobe tepla z plynu.

 

1.5      Výroba vodíka pre vykurovanie je zatiaľ energeticky i ekonomicky náročná

 

Podľa IZW e.W. (eChillventa 2020) zeleného vodíka bude nedostatok pre dopravu či priemysel. Aj v prípade, že by ho bolo dosť, vzhľadom na nižšiu hustotu 0,089 9 kg/m3 pri pridaní 20 % vodíka do zemného plynu sa ušetrí len 7-8 % emisií CO2 a v značnej miere by bolo potrebné meniť aj staršie plynové kotly.

         Množstvo obnoviteľnej energie potrebnej na výrobu zeleného vodíka podľa Fraunhofer Institute for Energy v Kasseli prezentovaného na kongrese eChillventa na vykurovanie budov je o 500 až 600 %vyššie ako energia potrebná pre tepelné čerpadlá na generovanie tepla.

To vyplýva z potreby 45-50 kWh elektrickej energie na výrobu 1 kg vodíka pri elektrolýze 9 l vody. Spalné teplo vodíka je 33,3 kWh/kg, pričom z 50 kWh elektrickej energie potrebnej na výrobu jedného kg vodíka získame ekonomicky výhodnejšie približne 150 kWh tepla pomocou tepelných čerpadiel. Priame využitie elektriny by preto malo byť uprednostnené.

 

1.6      Kozub ako hlavný zdroj tepla?

 

Sú indície, že v nových domoch, kvôli zaradeniu do energetickej triedy A0 sa navrhuje ako hlavný zdroj tepla kozub, ktorý môže byť investične pri zapojení do systému pomerne náročný. Pri energetickej certifikácii RD sa vychádza zo spôsobu užívania krbu v projekte.

Kozub ak bude, tak bude využívaný ako doplnkový zdroj tepla a to často ku priamemu elektrickému vykurovaniu, s ktorým by bol dom zaradený do energetickej triedy B. Ak investor na takéto riešenie pristúpi, cesta späť býva nemožná a v skutočnosti jeho dom nebude fungovať v triede A0, ale v triede B. Hodnota takéhoto domu bude na trhu výrazne nižšia. Naviac investor za krátky čas zistí vysoké náklady nielen na prevažujúce elektrické vykurovanie, ale tiež na prípravu teplej vody najmä v lete, kedy sa kozub neprevádzkuje a zistí tiež potrebu chladenia. Dodatočne preto dom doplní o reverzibilné tepelné čerpadlo vzduch/vzduch, ktoré nielen vykuruje, ale aj chladí. Nepripravuje však teplú vodu. Prevádzkové náklady a výsledné emisie pevných nečistôt a oxidu uhličitého do ovzdušia budú stále vysoké a budú odpovedať spôsobu prevádzky vykurovania a prípravy teplej vody.

            Riešenia s fiktívnym krbom sú obmedzené právnymi normami, aby investori nepoškodzovali ekonomicky samy seba a zároveň nezvyšovali a neohrozovali plynnými i pevnými emisiami zo spaľovania dreva nielen seba ale aj iných ľudí.

 

1.7 Chladivá

R410A, R407C, R134a nemajú zatiaľ obmedzenia. Nehorľavé náhrady R134a už sú: R513A a R450A. Nehorľavá náhrada R410A ešte len príde na trh: R466A GWP=733, 49% R32, 11.5% R125, 39.5 % CF3Ib (problém je obsah jódu). R744 zatiaľ najmä na prípravu TV.

Horľavé náhrady za R134a je to najmä HFO 1234ze s vyššou kilogramovou cenou a nižším kg výkonom. Za R410A je to R32 s GWP=675, R454A (R-32 (68.9%) & R-1234yf (31.1%)) s GWP=468), R290 pre monobloky a skúšajú sa ďalšie možnosti.

2.        UHLÍKOVÁ NEUTRALITA - DEKARBONIZÁCIA ELEKTRINY, TEPELNÉ ČERPADLÁ

 

Využívanie tepelných čerpadiel umožňuje dosiahnuť uhlíkovú neutralitu v sektore vykurovania a chladenia do roku 2050. Príbeh elektriny zaznamenáva neustály pokles emisií CO2 ekv na vyrobenú kWh elektrickej energie. Na Slovensku sa už podľa Slovenských elektrární blížime ku hodnote 100 g, ktorá sa bude ďalej znižovať.

Vyrobené teplo tepelnými čerpadlami je tak v súčasnosti zaťažené len 35 g CO2 na kWh tepla. Existuje teda istota, že vykurovaním s tepelnými čerpadlami sa ciele uhlíkovej neutrality do roku 2050 vo vykurovaní a chladení dajú splniť.

V záujme dosiahnutia čo najnižších emisií a čo najnižšej spotreby pohonnej energie popri využití obnoviteľnej energie pre potreby vykurovania, prípravy teplej vody a chladenia odporúčame v projektoch nových investícií a rekonštrukcií vždy posúdiť najskôr využitie tepelných čerpadiel so sálavým vykurovaním, chladením a len v prípade technických problémov alebo ekonomickej nevýhodnosti zvažovať iné riešenie.

Odporúčanie vyhodnotiť najskôr technológiu, ktorá efektívne chladí aj vykuruje, umožní investorom, projektantom postupovať najrýchlejšou, najefektívnejšou cestou a vyhnúť sa zbytočnému zdržaniu kombináciou iných viacerých technológií, ktoré nedosiahnu lepšie parametre. Až následne v prípade potreby, záujmu investora je vhodné doplňovať iné technológie. Najbližšie k spolupráci s tepelnými čerpadlami je elektrina z OE.

 

3.        BUDOVY – CITLIVOSŤ VÝPOČTU PRIMÁRNEJ ENERGIE A HODINOVÁ METÓDA

 

PEF - primárny energetický faktor, R - tepelný odpor a SPF - sezónny výkonnostný súčiniteľ ovplyvňujú výpočet spotreby primárnej energie v budove na m2 za rok. Citlivosť na PEF, R, SPF sme posudzovali zaradení bytového domu s TČ do triedy A0 pri výpočte potreby tepla mesačnou metódou. Pri rovnakom percentuálnom navýšení R a SPF alebo znížení PEF najväčší vplyv na spotrebu primárnej energie má SPF, potom R a nakoniec PEF.

Citlivosť výpočtu primárnej energie v kWh na m2 za rok na parametre PEF, R, SPF a zaradenie budovy do energetickej triedy A0 môžeme vyjadriť pri tepelnom odpore budovy R=3, R=4,4 a pri R=6,5. Posun budov do energetickej triedy A0 najvýznamnejšie ovplyvňuje vyšší SPF, potom až vyšší R a nakoniec nižší PEF.

 

3.1 Hodinová metóda

 

Pomer vyrobenej a spotrebovanej energie v budove sa počas roka mení. Najpresnejšie vie potreby a spotreby energií vyjadriť hodinová metóda, ktorá nielenže ich presnejšie vypočíta, ale tiež rozlíši, či ide o potrebu chladenia alebo vykurovania. (Bližšie v článku: Tepelné čerpadlá posúvajú budovy do kategórie A0). Hodinová metóda je výhodnejšia aj na dimenzovanie fotovoltiky pre vlastnú spotrebu. Ak budova vyrobenú elektrinu nevie spotrebovať, pri nezabezpečenom odbere predimenzovanie výroby FVE môže byť pre investora nevýhodné.

 

4.     OBNOVITEĽNÉ TEPLO ODOBRANÉ Z PROSTREDIA TEPELNÝMI ČERPADLAMI

 

Hodnotenie odobranej obnoviteľnej energie z prostredia tepelnými čerpadlami je mierne konzervatívne, vzhľadom na uplatnený normatívny spôsob výpočtu podielu obnoviteľnej energie podľa Rozhodnutia EK, ako aj podľa zvyšujúceho sa počtu oznamovateľov TČ na stránke szchkt.org za roky 2016 - 2018.

Eurostat ukazuje, 

že najvýraznejší medziročný nárast podielu OZE na Slovensku nastal v sektore vykurovania a chladenia. V tomto segmente sa podiel zelenej energie medziročne takmer zdvojnásobil. Čo je za prudkým nárastom? Nie sú to len tepelné čerpadlá podporené v projekte ZD II.

Obr.1 Chart: Energie-portal.sk Source: Eurostat Get the data Created with Datawrapper 

Obrázok znázorňuje prudký rast získanej obnoviteľnej energie najmä v roku 2018 v sektore vykurovania a chladenia, ktorý je spôsobený nielen dotáciami na TČ, ale tiež podľa MH SR doterajším nezapočítavaním vykurovania drevom v slovenských domácnostiach zistenom SHMÚ. Započítanie spaľovania dreva do podielu OE sa pre emisie nepovažuje za šťastné.

V roku 2019 bol zaznamenaný pokles inštalácií TČ všetkých druhov. Výraznejší bol pokles v počte kusov ako v GWh. Dôvodom bolo zrejme chladnejšie leto a nižšie dotácie. Záujem o TČ však stále rastie. Problém je v objeme dotačných fondov v Zelenej domácnostiam II.

 

Literatúra

[1]          Tomlein P. SZCHKT, 2016. Heat Pumps in Admin and Industry. [cit.29-04-2019]. ISBN 978–8089376–10-0

[2]          No. 324/2016 Z. z.: Amendment, Ministry of Transport, SR, to no. 555/2005 Z. z. on EPBD

[3]          Rozhodnutie Komisie 2013/114/EÚ z 1. marca 2013 , Zákon 309/2009 Z.z.

[4]          www.szchkt.org, energie-portál.sk, www.seas.sk/emisie, www.urso.gov.sk, SZCHKT Správy, valné zhromaždenie

 

Viac informácií nájdete v časopise Správy 4/2021