Udržateľný rozvoj a podpora využívania obnoviteľných zdrojov energie

Podpora využívania obnoviteľných zdrojov energie má byť podporou udržateľného rozvoja v oblasti zásobovania energiou. Udržateľnosť zásobovania z fosílnych zdrojov je obmedzená ich vyčerpateľnosťou aj pri maximálne efektívnom využívaní. Preto by sa malo podporovať rozšírenie takých technológií, ktoré sú od fosílnych zdrojov čo najmenej závislé. Trvalo udržateľné zásobovanie, ktoré by malo byť konečným cieľom, je možné len na báze nevyčerpateľných zdrojov energie.

Členské štáty EÚ sú z hospodárskeho, energetického a environmentálneho hľadiska konfrontované s týmito tromi výzvami na zabezpečenie:

• konkurencieschopnosti – v súvislosti s ňou sa v Lisabonskom programe deklaruje, že do roku 2010 sa má EÚ stať najkonkurencieschopnejším regiónom sveta,
• bezpečnosti zásobovania – zásobovanie má byť bezpečné, konkurencieschopné a cenovo prístupné,
• ochrany životného prostredia – v jej záujme sa stanovili tri ciele vo výške 20 %, ktoré sa majú dosiahnuť do roku 2020:

• zníženie emisie skleníkových plynov o 20 %,
• zvýšenie podielu obnoviteľných zdrojov energie (OZE) na 20 % (v roku 2005 to bolo len 6,4 %),
• zníženie celkovej spotreby primárnej energie o 20 % (čo mimochodom na celom svete rastie).

Hlavné piliere udržateľného rozvoja verzus navrhované opatrenia
Tieto tri faktory spolu predstavujú hlavné piliere udržateľného rozvoja. Mnohé opatrenia prijímané na plnenie jednotlivých cieľov, ktoré sú s nimi spojené v praktickej politike EÚ, sa však javia ako protirečivé. Jednostranné neprimerané zdôrazňovanie environmentálnych hľadísk, najmä potreby boja proti zmene klímy, v sebe skrýva veľké riziko zhoršovania konkurencieschopnosti v porovnaní s ostatnými ekonomicky silnými regiónmi sveta a hlavný cieľ Lisabonského programu zostane nedosiahnuteľný.

Navyše, antropogénna emisia skleníkových plynov sa podieľa na celkovom skleníkovom efekte len zanedbateľnou čiastkou vo výške približne 4 % (hlavným skleníkovým „plynom“ je voda, ktorej obsah v atmosfére nevieme ovplyvniť). Preto sa efektívnosť boja proti globálnemu otepľovaniu jej znižovaním blíži efektívnosti donkichotovského boja proti veterným mlynom. Na dôvažok je to aj preto, lebo najväčší producenti skleníkových plynov (USA, Čína, India) sa na tom odmietajú podieľať.

Namiesto stanovenia nereálnych zámerov podobných uvedeným trom 20 % cieľom (ktoré sa zdajú by nesplniteľné, resp. ekonomicky mimoriadne náročné so zanedbateľným výsledným vplyvom na vývoj globálnej teploty) by úlohou členských krajín EÚ malo byť hľadanie optimálneho kompromisu medzi energetikou, konkurencieschopnosťou a ochranou životného prostredia. Týka sa to najmä podpory energetických technológií využívajúcich OZE. Tieto technológie by sa mali presadzovať hlavne nižšími prevádzkovými nákladmi, ale pri ich vysokej investičnej náročnosti je to v súčasnosti často nereálne želanie. Pri aktuálnom trende vývoja cien fosílnych palív je však len otázkou času, kedy sa stanú aj z ekonomického hľadiska výhodnou alternatívou technológií využívajúcich fosílne zdroje energie.

Z celospoločenského hľadiska je z mnohých príčin výhodné podporovať rozvoj obnoviteľnej energetiky. Vrchovatou mierou to platí na Slovensku, ktoré je odkázané na dovoz až približne 90 % spotrebovaných energetických surovín. Veľmi dôležitá je pritom správna voľba výšky a adresovania podpory. Spotrebovanie neprimerane veľkej sumy zo štátneho rozpočtu na podporu zvyšovania energetickej efektívnosti a využívania OZE by spôsobilo nedostatok financií na vzdelávanie a výskum a vývoj, ako aj nežiaducu deformáciu trhového prostredia. Skôr či neskôr by to viedlo k zníženiu konkurencieschopnosti ekonomiky.

V tejto súvislosti môže byť pre EÚ poučná energetická politika USA, ktorá je často terčom kritiky pre odmietnutie Kjótskeho protokolu. Energetická náročnosť v USA sa v porovnaní s EÚ oveľa výraznejšie znižuje na čisto trhových základoch. Napríklad v rokoch 1980 až 2007 sa znížila energetická náročnosť vo Francúzsku o 16,7 %, v USA však až o 46,7 % [7]. Výraznejšie zvýšenie energetickej efektívnosti v USA sa teda dosiahlo bez povinných predpisov, čiže výlučne uplatnením trhových nástrojov.

Obdobná je aj situácia v oblasti využívania OZE. Ich podiel bol v EÚ aj v USA v roku 2007 vo výške približne 7 %. Stanovenie povinných cieľov a množstvo direktív energetickej politiky EÚ teda neviedlo k lepšiemu výsledku, než využívanie trhových nástrojov v americkej energetickej politike.

Podpora obnoviteľnej energetiky na Slovensku
Napriek týmto faktom je v podmienkach Slovenska podpora obnoviteľnej energetiky opodstatnená z týchto hlavných dôvodov:

• zlepšenie zahraničnoobchodnej bilancie a zvýšenie bezpečnosti zásobovania v dôsledku znižovania nárokov na dovoz energetických surovín,
• znižovanie sociálnych výdavkov v dôsledku zvyšovania zamestnanosti,
• zintenzívnenie ekonomického rozvoja aj v zaostalejších regiónoch,
• zlepšenie stavu životného prostredia.

Výška podpory využívania OZE, ako aj jej smerovanie na konkrétne technológie, by mali byť v súlade s prínosom pre tieto oblasti, ktorý závisí od fyzikálnej podstaty technológie, konkrétne od počtu a druhu realizovaných energetických premien, ako aj od ich termodynamickej kvality a od parametrov ekonomického prostredia. Správna podpora by sa teda mala diferencovať podľa kvality konkrétnych projektov. Avšak aj pau­šálna podpora (napr. podľa veľkosti plochy inštalovaných solárnych kolektorov) je lepšia než žiadna podpora – okrem iného aj preto, lebo posudzovanie kvality projektov môže byť náročné pre subjekt, ktorý rozhoduje o pridelení dotácií, a tiež nemožno zaručiť jeho objektívnosť.

Budovy ako dominantní spotrebitelia energie
V EÚ sa budovy podieľajú na celkovej spotrebe primárnej energie významnou hodnotou vo výške až okolo 45 % (tab. 1) [1].

V tejto oblasti teda zrejme existuje veľký potenciál možných úspor fosílnych palív, a to tak na strane spotreby zlepšením tepelnej ochrany budov a používaním energeticky úsporných elektrospotrebičov, ako aj na strane výroby, prenosu a distribúcie energií zvyšovaním energetickej efektívnosti a nahradzovaním fosílnych palív OZE.

Ich vy­užívanie, pochopiteľne, patrí medzi hlavné priority environmentálnej a energetickej politiky EÚ, čo okrem iných dokumentov dokazuje aj smernica 2002/91/ES o energetickej hospodárnosti budov.

Ako je zrejmé z tab. 2, v štruktúre energetickej spotreby vysoko dominuje spotreba tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody. Pritom na zabezpečenie tepelnej pohody postačuje udržiavať vo vykurovaných priestoroch interiérovú teplotu na úrovni približne 20 °C, takisto teplota teplej vody spravidla neprekročí 50 °C, ide teda o potrebu nízkoteplotného tepla.

V súčasnosti sa táto potreba kryje zväčša veľmi neefektívne – priamo spaľovaním fosílneho paliva, pri ktorom spaľovacia teplota spravidla prevyšuje 1 000 °C, preto je využitie kvality paliva veľmi slabé aj pri minimálnych energetických stratách. Je zrejmé, že tento druh zásobovania teplom je trvalo neudržateľný.

Udržateľný rozvoj v oblasti zásobovania energiou budov sa musí uberať cestou zvyšovania energetickej efektívnosti využitia energetických vstupov a nahradzovania fosílnych palív obnoviteľnými zdrojmi energie. Tieto opatrenia sa môžu aplikovať oddelene alebo kombinovane. Často sa však treba rozhodnúť medzi vyššou účinnosťou a možnosťou nahradenia fosílneho paliva biopalivom (napr. kotol na zemný plyn verzus kotol na pevné biopalivo).

Možnosti zvyšovania energetickej efektívnosti využívania fosílnych palív zvyšovaním účinnosti sú pri dnešnej úrovni kotlovej techniky už veľmi obmedzené. Väčšie rezervy sú v nahradení monovýroby tepla v kotloch kombinovanou výrobou elektriny a tepla.

Toto opatrenie je vhodné najmä pre zásobovanie bytových domov. Možnosti udržateľného až trvalo udržateľného zásobovania rodinných domov a iných porovnateľných budov teplom sú znázornené na obr. 1.

Obr. 1: Možnosti zásobovania rodinných domov a iných porovnateľných budov teplom

Možnosti zásobovania budov teplom
Zásobovanie rodinných domov teplom sa v súčasnosti zvyčajne zabezpečuje kotlom na zemný plyn. V tom prípade nie je potrebná akumulácia tepla na vykurovanie, nanajvýš zásobník teplej vody. Prechod od takého dlhodobo ne­udržateľného zásobovania je teoreticky jednoduchý – kotol na zemný plyn sa nahradí kotlom na pevné biopalivo (pelety, brikety, štiepky, palivové drevo). V skutočnosti je však nevyhnutné šetriť aj zdroje biomasy, aby nedošlo k porušeniu rovnováhy medzi jej spotrebou a tvorbou. Okrem toho sa biopalivá síce považujú z hľadiska CO₂ za neutrálne, ich spaľovanie však zaťažuje životné prostredie niektorými škodlivinami viac než spaľovanie zemného plynu. Preto by sa biomasa ako hlavný zdroj tepla mala kombinovať s iným obnoviteľným zdrojom.

Do úvahy prichádzajú iné formy solárnej energie:

• žiarivá energia, využívaná solárnymi kolektormi,
• energia prostredia, presnejšie solárna energia akumulovaná v prirodzenom pevnom, kvapalnom a plynnom prostredí, ktorá sa dá využiť tepelnými čerpadlami.

V stratégii vyššieho využívania obnoviteľných zdrojov energie sa navrhuje podpora solárnych kolektorov a kotlov na biomasu. Je na škodu a v rozpore s trendom vývoja v EÚ, že zatiaľ ostala v rovine „tu máš nič, drž ho pevne“. Správne nastavený podporný mechanizmus môže odštartovať intenzívny rozvoj obnoviteľnej energetiky, ktorý môže byť ekonomicky zaujímavý pre zainteresované podnikateľské subjekty. V tomto kontexte nie je prekvapením, že presadzujú aj technológiu čerpania tepla, ktorá z logických dôvodov dominuje v oblasti výroby chladu. Za výhodných podmienok sa tepelné čerpadlá môžu využívať naozaj veľmi zmysluplne aj pri výrobe tepla. Avšak paušálne tvrdenie, že tepelné čerpadlá efektívnejšie využívajú OZE než solárne kolektory, neobstojí. Existujú dobré až veľmi dobré, ako aj zlé až veľmi zlé aplikácie tepelných čerpadiel aj solárnych kolektorov. Vymedziť oblasti efektívneho využívania týchto technológií a orientačne posúdiť ich prínos k udržateľnému rozvoju v oblasti zásobovania budov teplom možno na základe zákonov termomechaniky.
 
Termodynamická podstata tepelného čerpadla
Z termodynamického hľadiska je tepelné čerpadlo zariadenie, ktoré umožňuje dopraviť teplo z nižšej teplotnej úrovne na vyššiu, teda obrátiť smer jeho samovoľného šírenia. V zmysle II. vety termodynamiky to nie je možné bez vynaloženia energie. Tá je potrebná na realizáciu obráteného termodynamického cyklu, ktorý je z odbornej literatúry známy aj ako termodynamické vykurovanie.

Realizácia obráteného termodynamického cyklu je nevyhnutná na udržiavanie teploty vo vymedzenom (tepelne izolovanom) prostredí na nižšej úrovni, než je teplota okolia, teda na výrobu chladu. To znamená potrebu dopravy tepla zodpovedajúceho tepelnému zisku tohto priestoru z nižšej teploty na úroveň teploty okolia.

Pri vykurovaní treba, naopak, udržiavať teplotu vo vykurovaných priestoroch na teplote vyššej, než je teplota okolia. To znamená potrebu dopraviť do týchto priestorov teplo zodpovedajúce tepelným stratám. To je možné buď zo zdroja s vyššou teplotou alebo zo zdroja s nižšou teplotou. V prvom prípade ide o samovoľný proces prechodu tepla, kým v druhom prípade je nevyhnutné smer samovoľného prechodu tepla obrátiť. V zmysle II. vety termodynamiky na to treba vynaložiť energiu, ktorá je potrebná na pohon tepelného čerpadla. To znamená, že vykurovací systém s tepelným čerpadlom má už v termodynamickom princípe zakódovanú určitú nevýhodu v konkurencii s ostatnými vykurovacími systémami. To však zďaleka neznamená jeho diskvalifikáciu. Naopak, v priaznivých podmienkach môže byť efektívnejší než konvenčné vykurovacie systémy.

Efektívnosť využívania niektorých foriem solárnej energie pomocou tepelného čerpadla
V laickej verejnosti, ale často aj v odbornej literatúre a v oficiálnych materiáloch energetickej politiky, sa tepelné čerpadlá nesprávne považujú za OZE. V skutočnosti sú to však technické prostriedky, ktoré slúžia na využívanie nízkoteplotných zdrojov, teda aj OZE.

Ako to však funguje? Slnečné žiarenie prechádza atmosférou a zoslabené dopadá na zemský povrch, ktorý ho čiastočne absorbuje a v dôsledku toho sa ohrieva. Následne sa od zemského povrchu konvekciou ohrieva vzduch, ktorý je zdrojom tepla pre ekonomicky najprijateľnejšie, a tak aj najviac rozšírené tepelné čerpadlá typu vzduch – voda. Vo výparníku tepelného čerpadla sa zo vzduchu odoberá teplo pri vyparovaní pracovnej látky. Vzniknutá para sa dopravuje kompresorom do kondenzátora, kde pri kondenzácii odovzdá vykurovacej vode teplo odoberané zo vzduchu a zväčšené o energiu spotrebovanú na pohon kompresora. Následne sa tlak skvapalnenej pracovnej látky expanzným ventilom priškrtí na tlak vyparovania. Všetky tieto procesy sprevádza disipácia energie, ktorá znižuje COP tepelného čerpadla v porovnaní s ideálnym zariadením pracujúcim na základe vratného obráteného Carnotovho cyklu o vyše 50 %. Vyjadriť to možno vzťahom

COP = COP_C . η_ex = (T_k / T_k – T_v ) . η_ex       (1)                

kde je účinnosť obráteného vratného Carnotovho cyklu,
T_k  – kondenzačná teplota,
T_v  –  vyparovacia teplota,
η_ex – exergetická účinnosť tepelného čerpadla.

Dôkazom nízkej energetickej efektívnosti obráteného cyklu tepelného čerpadla je hodnota exergetickej účinnosti, ktorá v prípade tepelného čerpadla s elektrickým pohonom dosahuje podľa [6] len η_ex  0,4.

Na porovnanie: tepelný výkon, ktorý sa takto získava po množstve energetických premien v kondenzátore tepelného čerpadla, generuje solárny kolektor priamo z absorbovaného slnečného žiarenia. Tvrdenie, že tepelné čerpadlo využíva solárnu energiu efektívnejšie než kolektor, je teda rovnako neprijateľné ako názor, že bremeno sa ľahšie dopravuje z nižšej polohy na vyššiu ako naopak. Pravdou je, že nie je podstatné, aké množstvo solárnej energie sa spotrebuje na generovanie vykurovacieho výkonu, lebo ide o nevyčerpateľný zdroj, ktorý nezaťažuje životné prostredie a za využívanie ktorého účet neplatíme.

Z hľadiska naliehavej požiadavky udržateľného zásobovania energiou nám však nemôže byť ľahostajné, aké množstvo fosílneho paliva je nevyhnutné získať z prírody, teda z vyčerpateľného zdroja, a nenávratne spotrebovať na generovanie toho istého tepelného výkonu. Orientačné porovnanie niektorých druhov technológií zobrazuje obr. 2. Aj keď odráža pomery v Nemecku v čase približne pred 20 rokmi, relácie sa odvtedy podstatne nezmenili a sú poučné aj v súčasnosti v našich podmienkach.

Obr. 2: Porovnanie niektorých spôsobov vykurovania

Elektrické vykurovanie sa často propaguje ako najčistejšie. Z lokálneho hľadiska to aj platí, z globálneho hľadiska (zrejmé z obr. 2) však patrí medzi najväčšie zločiny páchané na životnom prostredí a jeho využívanie by sa malo obmedziť na nevyhnutné výnimky. Využívať elektrinu na generovanie nízkoteplotného tepla na vykurovanie je zvrátené najmä vtedy, keď sa vyrába nízkou účinnosťou v tepelných elektrárňach.

Zástancovia technológií čerpania tepla často používajú zjednodušený argument na ich podporu, že vynaložením 1 kWh dokážu vygenerovať 3 až 4 kWh. Nie je však kWh ako kWh. Na pohon kompresora tepelného čerpadla treba mechanický výkon na hriadeli, ktorý sa spravidla získava pomocou elektromotora. Vykurovací systém s takým tepelným čerpadlom na generovanie nízkohodnotného tepelného výkonu (s malým podielom exergie) teda spotrebuje najušľachtilejšiu formu energie, elektrinu (čistá exergia).

V skutočnosti ide teda o energeticky síce podstatne efektívnejšiu, ale investične výrazne náročnejšiu alternatívu elektrického vykurovania. Tak isto možno chápať vykurovací systém s tepelným čerpadlom s plynovým motorom za vylepšenú alternatívu vykurovania s plynovým kotlom, ktorá je však tiež investične podstatne náročnejšia.

Ako je zrejmé aj z obr. 2, plnosolárne vykurovanie je z hľadiska nárokov na spotrebu primárnej energie bez konkurencie, preto by sa vývoj v oblasti zásobovania teplom na vykurovanie mal uberať smerom zvyšovania podielu priamo využívanej solárnej energie, ktorá je najčistejšia a k dispozícii zadarmo.
V najbližšom čísle nadviažeme na túto tému priblížením termodynamickej predstavy vykurovacieho systému, konvenčných, nekonvenčných a ďalších vykurovacích systémov.

doc. Ing. Ladislav Böszörményi, CSc.
Autor pôsobí na Ústave budov a prostredia Technickej univerzity v Košiciach.

Recenzoval: prof. Ing. Dušan Petráš, PhD.
Foto a obrázky: archív autora, Dano Veselský, Mastertherm­

Príspevok vznikol v súvislosti s riešením výskumného projektu VEGA 1/3234/06.

Literatúra:
1. Allard, F.: REHVA strategic plan to enhance research activity in order to improve energy efficiencyand environmental quality of European buildings. In: Magyar  Épületgépészet, 2007, č. 6.
2. Böszörményi, L. st., Böszörményi, G.: The Barriers and Possibilities of Heat Supply Sustainibility. In: ASHREA Transactions Volume 114, Part 2.
3. Ferner, H. – Schnitzer, H.: Optimierte Wärmeintegration in Industriebetrieben. Graz: Technische Universität, 1990.
4. Havelský, V.: Porovnanie možností efektívneho využitia tepelných čerpadiel v podmienkach SR. In: TZB Haustechnik, 2008, č. 2.
5. Havelský, V.: Tepelné čerpadlá versus slnečné kolektory – ešte raz. In: TZB  Haustechnik, 2008, č. 5.
6. Kirn, H. – Hadenfeldt, A.: Anwendung von Elektrowärmepumpe. Karlsruhe: Verlag C. F. Müller, 1987.
7. Molnár, L.: Az EU energiapolitikájának elentmondásai. In: Magyar Energetika, 2008, č. 3.
8. Novák, M.: Tepelné čerpadlá verzus slnečné kolektory. In: TZB Haustechnik 2008, č. 4.
9. Tomlein, P.: Tepelné čerpadlá – využitie obnoviteľných zdrojov energie. In: TZB Haustechnik, 2008, č. 5.
10. Kalmár F. – Halász Gy-né: Kapcsolt központi fűtés és használati melegvíztermelés vizsgálata I – II. In: Magyar Épületgépészet,  2005, 9. – 10. sz.
11. Kalmár, F.: Központi fűtési rendszerek exergetikai elemzése. In: Debreceni Műszaki Közlemények, 2006, 2. sz.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.