Energie okolí a další

V posledních letech se v České republice prosadil ještě jeden druh alternativního zdroje, který využívá trochu jinou formu obnovitelné energie. Jedná se o tzv. tepelná čerpadla, která jsou schopna využít nízkopotenciálního tepla energie okolí a převést jej na teplo s vyšším potenciálem, které se dá už dále využít na vytápění či přípravu teplé vody. Energie okolí může být teplo obsažené ve vzduchu (případně odpadním vzduchu ze vzduchotechniky), vodě nebo zemině.

Tato zařízení mohou pracovat i s geotermální energii o nízkém potenciálu. Pak využívají jako zdroj primární energie vrty o hloubce desítek či stovek metrů, odkud čerpají teplo z tepelného toku nitra naší planety.

Jak tepelné čerpadlo pracuje

Základem tepelného čerpadla (schéma na obrázku) je chladicí okruh, jehož hlavním prvkem je kompresor poháněný zpravidla elektromotorem. Dalšími důležitými prvky jsou dva výměníky (výparník a kondenzátor) a expanzní ventil. Tepelné čerpadlo odebírá z prvního výměníku (výparníku) teplo z prostředí nízkopotenciálního tepla (voda, země, vzduch), tím prostředí ochlazuje a pomocí elektřiny pohánějící kompresor ho předává do prostředí s vyšší teplotou (otopný systém, teplá voda). Tím ho ohřívá.

Teplo převáděné z výparníku do kondenzátoru se přitom zvětšuje o teplo, na které se v kompresoru mění hnací elektrická energie. Topný výkon tepelného čerpadla je dán součtem vložených energií - energie nízkopotenciální a energie elektrické. Poměr topného výkonu tepelného čerpadla a jeho elektrického příkonu je vždy větší než jedna a nazývá se topný faktor.

Poměr mezi získanou přírodní energií ve formě nízkopotenciálního tepla a dodanou ušlechtilou energií elektřiny (tzv. topný faktor) se obvykle pohybuje 2,6 : 1 až 3,8 : 1 (u moderních čerpadel je poměr ještě výhodnější). Znamená to, že z dodané 1 kWh elektřiny lze získat 2,6 až 3,8 kWh energie tepelné. Za výhodných podmínek lze získat i více (4 až 5 kWh).

Pracovní látkou chladicího (primárního) okruhu je tzv. chladivo, které v zařízení trvale obíhá a cyklicky mění své skupenství (z kapalného na plynné a naopak). Ve výparníku tepelného čerpadla při odebírání přírodní nízkopotenciální energie dochází k přeměně skupenství z kapalného na plynné. Chladivo se v kompresoru stlačí, tím se zahřívá na vyšší teplotu, a v kondenzátoru kondenzuje, tedy při odevzdávání dále využitelného tepla mění plynné skupenství na kapalné. Použité chladivo v tepelném čerpadle musí splňovat ekologické, bezpečnostní a hygienické požadavky. Dnes se používají téměř výhradně bezfreonová chladiva, která při případném úniku do ovzduší nemohou narušit ozónovou vrstvu Země.

Kdy a jaké tepelné čerpadlo využít

Při úvaze využít tepelné čerpadlo jako zdroj tepla pro budovu by mělo předcházet kritické zhodnocení možností a požadavků. Tepelné čerpadlo je vhodné provozovat s přijatelně nízkou výstupní teplotou vody do otopného systému. Je proto dobře použitelné u podlahového vytápění nebo otopného systému navrženého na nízký teplotní spád. Vytápění objektu by mělo být nastaveno dle ekvitermní křivky s co nejlepším topným faktorem. Tepelné čerpadlo by mělo být využito i pro ohřev teplé vody pro běžnou potřebu v domácnosti. Provoz systému v souvislosti s nutnou dobou provozu dotopového elektrokotle (pokud je) by měl být zajištěn tak, aby se jeho provoz minimalizoval.
Abychom docílili optimální funkce tepelného čerpadla a celého otopného systému, je potřeba vytápěcí systém hydraulicky vyvážit. Výhodné je použití tepelného čerpadla i pro ohřev vody v bazénu.

1. Energetický a ekonomický důvod - tepelné čerpadlo svým provozem snižuje energetickou potřebu zdroje tepla u výrobce elektřiny a tím i celkové provozní náklady na vytápění v objektu.
2. Ekologický důvod - tepelné čerpadlo z 60 až 70 % využívá přírodní energii. Snižuje škodlivé emise tím, že samo žádné emise neprodukuje a zařízení vyrábějící potřebnou elektrickou energii pro chod tepelného čerpadla jí může vyrobit méně právě o tu část, kterou získá z přírodních zdrojů.

Už jsme uváděli, že zdrojem nízkopotenciálního tepla může být jak vzduch, tak voda, tak zemina. Máme proto několik možností jaký typ zařízení zvolit. Možnosti jsou zjednodušeně zobrazeny na dalším snímku.

1. zemní kolektor - vyměník (výparník) je umístěn v určité hloubce na dané ploše. Výparník má většinou podobu mnoha desítek až stovek metrů speciální plastové trubky, která se rozmístí do vykopaného prostoru a pak zahrne zeminou;
2. zemní vrt - výparník je umístěn do jednoho nebo více vrtů do hloubek desitek metrů (někdy i více);
3. zářez v zemině - většinou využívá možnosti, které větší stavby z hlediska terénních prací a přesunů zeminy nabízí, obdoba zemního kolektoru jen na "výšku";
4. systém voda-voda - využívá dvě studny z nichž nejméně jedna musí mít dostatečnou vydatnost pramene; výparník odnímá teplo vodě z jedné studny a vypouští ji do druhé (tzv. vsakovací);
5. systém voda-povrchová voda - trubky výparníku jsou umístěny do přírodní nebo umělé nádrže dostatečné velikosti;
6. nejnovější systém využívající teplo z odpadního vzduchu v systémech vzduchotechniky pasivních domů - obvykle systém vzduch-vzduch; teplo je odnímání odcházejícímu odpadnímu vzduchu.

V dnešní době existuje na trhu mnoho výrobců i prodejců těchto zařízení a jde jen o to, velmi pečlivě a nestranně posoudit, zda je tato technika vhodná pro vaši konkrétní aplikaci. Vhodnost by měla být posuzována nejen z pohledu technického, ale především ekonomického. Jsou dostupné nejrůznější technologie řízení a regulace, včetně možností akumulace tepla do akumulačních nádrží.

Bohužel jsou tato zařízení včetně doprovodných prací (zejména zemních vrtů) finančně nákladná, to však neznamená, že nemohou být ekonomicky efektivní. Je vždy potřeba s veškerou odbornou péčí posoudit konrétní případ a vyhodnotit jeho přínosy a ekonomiku v kontextu s cenou elektřiny v tarifech pro tepelná čerpadla. Tepelná čerpadla jsou velmi dobře využitelná zejména v oblastech, kde chybí distribuční soustava zemního plynu, ale nejen tam. Určitým problémem byla cenová politika distributorů elektřiny v tarifech pro tepelná čerpadla, ale zdá se, že se tento problém podařilo stabilizovat.

Jednoznačně se jedná o velmi dobrou a efektivní alternativu k přímotopným či akumulačním systémům vytápění. To je také jeden z mnoha důvodů, proč jsme v posledních letech svědky značného rozmachu této technologie a zvyšování počtu jednotlivých instalací. Svou významnou roli sehrálo a určitě sehrává i možnost dotační podpory při instalaci těchto druhů zařízenní při dodržení podmínek konkrétního dotačního programu.

Ostatní možnosti - voda a vítr

Vzhledem k omezeným možnostem využití těchto obnovitelných zdrojů pro rodinné a bytové domy se omezíme na pouhou zmínku.

Větrná energie se rovněž potýká s nemalými problémy, ale i tak se dají na našem území najít oblasti, kde je instalace těchto zařízení možná a jsou instalovány. Některé z velkých problémů jsou investiční náročnost, problémy umístění a především omezené možnosti instalací vzhledem k nedostatečné rychlosti větru a velkým sezónním výkyvům. Velké starosti způsobují větrné generátory umístěné na vysokých sloupech na exponovaných místech krajinářům a ochráncům přírody. Navíc vhodné podmínky se nacházejí vesměs v oblastech přírodních rezervací a chráněných krajinných oblastí.

Výhodou těchto zařízení je výroba elektřiny, která může být přeměněna na jakýkoliv jiný druh energie. V posledních letech se počet instalovaných větrných elektráren zvyšoval, a tak se s typickými stožáry s vrtulemi můžeme setkávat i v naší krajině. Některé přímořské či ostrovní státy již vybudovaly, budují či plánují vybudovat obrovské větrné parky umístěné dále od pobřeží, kde je rychlost větru a jeho stabilita mnohem optimálnější. To je pro využití větrné energie velmi dobré, ale starosti to dělá správcům přenosových soustav. Nelze dobře předpovídat a plánovat, kdy vítr vanout bude či nebude, a tak vznikají velké problémy s udržením stability sítě při prudkých nábězích těchto zdrojů či jejich náhlých výpadcích. Tyto negativní jevy se už dnes projevují v podstatě v celoevropském měřítku. Jedno z řešení je posílit přenosové kapacity na páteřových dálkových vedeních vysokého napětí..

V České republice došlo v posledním období k určitým změnám dotační politiky při výkupu elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů za garantované ceny, což vedlo ke snížení zájmů investorů o tuto oblast.

Obecně větrné elektrárny dnes slouží výhradně pro výrobu elektřiny a její dodávku do sítě. V minulosti se však síly větru využívalo i k jiným účelům, například mletí obilí, čerpání vody apod.

Energie vody se dá využít buď přímou přeměnou na mechanickou energii (vodní mlýny, hamry apod.), nebo můžeme mechanickou energii přeměnit na elektřinu pomocí vodních turbín. Tento způsob naráží na některé problémy.

Jedná se o stavby investičně náročné, které navíc mohou nepříznivě zasahovat do životního prostředí. Velkým problémem je nedostatečný průtok vody nebo jeho silné sezónní kolísání. Ovšem i přes zmiňované problémy má smysl ve vhodných lokalitách a vhodným způsobem vodní energií využívat. Výhodou je, že se energie vody přeměňuje na nejušlechtilejší formu energie – elektřinu, kterou je možné neomezeně využít mnohými způsoby. Počet malých vodních elektráren (MVE) na našich tocích je nízký, ale najít se dají. Slouží, až na malé výjimky, pro výrobu elektřiny a její dodávku do rozvodných sítí.

Samostatnou kapitolou jsou velké vodní elektrárny, které jsou součástí celostátního systému zdrojů a rozvodů elektřiny. Výhodou vodních elektráren je možnost (v případě dostatečného stavu vody) pružně reagovat na poptávku po elektřině v distribuční síti, protože doba potřebná k najetí vodní elektrárny na plný výkon je relativně velmi krátká oproti tepelným či jaderným elektrárnám.