Stav: vydání 2022

Anotace: Obsahem pomůcky jsou informace pro postupnou náhradu zastaralých zdrojů vytápěcích systémů a přípravy teplé vody s nižší účinností a osvěta podpory instalací vlastních zdrojů výroby elektrické energie. Zpracovány jsou také jednotlivé možnosti energetické úspory v oblastech TZB systémů – klimatizačních jednotek a v chladicích systémech, umělé osvětlení vnitřní i venkovní, úsporné energetické řešení s pitnou vodou a zpětné získávání tepla při hospodaření s vodou, využití dešťových vod apod.

Upozornění k textu

Obsah

ÚVOD

Motto
Na nynější směřování Evropy je kladen prioritní důraz na ochranu klimatu a zároveň na uplatnění nových realizací atraktivních technologických řešení inteligentních sítí (Smart Girds).

Aplikace těchto řešení a systémů se může v budoucnu stát dobrým technologickým základem pro rozšíření platformy Smart Girds (inteligentní silové a komunikační sítě), což umožní monitorovat jednotlivé procesy, regulovat spotřebu a výrobu energie v reálném čase.

Zaměření pomůcky
Základním smyslem pomůcky jsou informace pro postupnou náhradu zastaralých zdrojů pro vytápěcí systémy a přípravy teplé vody s nižší účinností a osvěta podpory instalací vlastních zdrojů výroby elektrické energie.

Dále jsou zde zpracovány jednotlivé možnosti energetické úspory v oblastech technického zařízení budov (TZB) systémů – klimatizačních jednotek a v chladicích systémech, free-cooling, umělé osvětlení vnitřní i venkovní, úsporné energetické řešení s pitnou vodou a zpětné získávání tepla (ZZT) při hospodaření s vodou, využití dešťových vod apod.

Současné vysoké ceny energií
Hlavním faktorem, ovlivňujícím současnou vysokou cenu nakupovaných energonositelů, je vysoká cena zemního plynu, vysoká cena elektrické energie a systém emisních povolenek, tzv. Evropský systém pro obchodování s emisemi, který byl spuštěn v roce 2005.

Nejlevnější elektrická a tepelná energie je ta, kterou nemusíme vyrobit, která se uspoří!!!

1 ÚČEL ZPRACOVÁNÍ

Účelem zpracování pomůcky je předložit možné navržené opatření ke snížení energetických spotřeb na vytápění, přípravu teplé vody, spotřeby elektrické energie a potenciály úspor v automobilové dopravě.

Cílem pomůcky je přispět k hodnocení a přínosu vybraných souborů energetiky úsporných opatření. Hodnocení přispěje k dosažení úspor spotřeby energií (nakupovaných energonositelů pro elektrické a tepelné procesy), bude přínosem pro ekonomiku nových projektů a jejich stanovaných úsporných opatření.

Pomůcka sleduje trend ke komunální energetice, částečné decentralizace a lokální soběstačnosti energetiky.

Může sloužit při tvorbě koncepce nových nízkoenergetických staveb a nových energetických zdrojů, případě při obnovách a modernizacích systémů TZB s důrazem na nižší provozní náklady.

Hodnocení energetického potenciálu možností energetické úspory je provedeno v souladu se stávajícími platnými a závaznými předpisy v oblasti energetiky a životního prostředí.

2 ZKRATKY POUŽITÉ V POMŮCCE

3 ENERGETIKA – EFEKTIVNÍ ENERGETICKÁ ŘEŠENÍ PRO BUDOVY A TECHNOLOGIE

3.1 JAK SE DÁ OVLIVNIT SPOTŘEBA ENERGIÍ

Co nejvíce ovlivňuje spotřebu tepla v řešených stavbách a při provozu vytápěcích systémů:

• účinnosti tepelných zdrojů a doby jejich provozu;
• účinnosti tepelných rozvodů media (špatné izolace, absence odrazných fólií za otopnými tělesy, absence termostatické regulace na radiátorech v místnostech, kde jsou významné energetické zisky od slunce nebo od osob či vnitřního vybavení staveb);
• režim vytápění (prediktivní regulace s využitím předpovědi počasí, nastavená průměrná vnitřní teplota, noční útlumové teploty, přerušované vytápění apod.);
• zvýšení vnitřní teploty místnosti oproti výpočtové/nastavené referenční vnitřní teplotě;
• vliv nekvalitní regulace vytápěcího systému nebo absence jakékoliv regulace;
• lidský faktor – velice špatné energetické povědomí a chování uživatelů (otevřená okna v pokojích apod.);
• cirkulace teplé vody po budově;
• izolace potrubí rozvodů TV;
• izolace zásobníků teplé vody.

Ekonomiku provozu a návratnost nových progresivních technologií nejvíce ovlivňuje:

• cena kompletní investice (případně ceny reinvestic);
• cena případné úpravy (posílení kapacity) distribučního připojení při modernizaci technologie;
• cena nakupované elektrické energie (EE) od distribuce;
• cena nakupované energie (energonositelů) pro vytápěcí systémy (zemního plynu, dále ZP, lehkých topných olejů, dále LTO, topných olejů extra lehkých, dáleTOEL apod.) stávajícího dodavatele/distributora;
• provozní doby chodu technologie;
• hledání „optimálního“ instalovaného výkonu pro konkrétní provoz (vyvažování kapitálových výdajů, dále CAPEX a provozních výdajů, dále OPEX);
• výše podpory kombinované výroby elektřiny a tepla (KVET) v případech instalací kogeneračních jednotek (je stanovena každoročně cenovým rozhodnutím Energetického regulačního úřadu ERÚ, s platností na 1 rok).

Energetický management – praktické příklady:

• zvyšování energetické účinnosti na straně spotřeby, opravou nebo náhradou stejného typu spotřebiče nebo výměnou za vyšší typ spotřebiče (včetně rozšířené funkčnosti);
• optimalizace spotřeby energie (ve snímku časového dne);
• snižování energetických ztrát (využívání možného potenciálu budov);
• snižování provozních energetických nákladů – přímo závislé na nákupní ceně energie;
• využití energie z odpadů;
• využití energie z obnovitelných zdrojů;
• energetické konzultace a poradenství (předprodejní a prodejní poradenství);
• monitorování cen energií na energetické burze a u jednotlivých obchodníků s energiemi;
• kontrola a optimalizace cirkulace TV;
• využití odpadního tepla pro provoz budovy – z chlazení a z odpadní vody.

U realizace nových technologií je výhodné i realizovat základní monitoring tepelných zdrojů a výroben elektrické energie (EE), mimo jiné informace by měly být sledovány:

• denní přehledy vyrobeného tepla ze zdroje;
• denní přehledy vyrobené elektrické energie ze zdrojů EE;
• denní přehledy provozních hodin sledované technologie;
• přehledy o nastavených monitorovacích veličinách (teploty, vlhkosti, tlak apod.);
• současná cena vyrobené elektřiny a vyrobeného tepla.

Rozdělení kotelen podle ČSN 07 0703

Kotelny III. kategorie – kotelny se jmenovitým tepelným výkonem jednoho kotle od 50 kW do součtu jmenovitých tepelných výkonů kotlů 0,5 MW včetně a kotelny se součtem jmenovitých tepelných výkonů kotlů větším než 100 kW, i když ani jeden z nich nedosahuje jmenovitého tepelného výkonu od 50 kW.

Kotelny II. kategorie – kotelny se součtem jmenovitých výkonů kotlů nad 0,5 MW do 3,5 MW včetně.

Kotelny I. kategorie – kotelny se součtem jmenovitých tepelných výkonů kotlů nad 3,5 MW.

Povinnost kontroly
Kontroly kotlů a rozvodů tepelné energie je podle zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů a podle prováděcí vyhlášky č. 194/2013 Sb., o kontrole kotlů a rozvodů tepelné energie, ve znění pozdějších předpisů.

Kontroly klimatizačních systémů je podle zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů a podle prováděcí vyhlášky č. 193/2013 Sb., o kontrole klimatizačních systémů ve znění pozdějších předpisů.

3.2 JAKÉ JSOU MOŽNOSTI MĚŘENÍ A REGULACE, MONITORING PROCESŮ

HVAC (heating, ventilating, air-conditioning) je značně obsáhlá oblast, řešená v určitém rozsahu na každé stavbě. V našich klimatických podmínkách je pro udržení tepelné pohody nutné v interiéru instalovat otopný systém, případně chlazení, a obojí dimenzovat na mezní teploty (v zimě podle klimatických oblastí až -18 °C), které nastávají nebo jsou překročeny jen několik dní v roce. Celkový systém topení, větrání a klimatizace (HVAC) je tak co do kapacity předimenzován a většinu roku se musí jeho činnost regulovat jak z hlediska výkonu, tak pro celkovou ekonomičnost provozu.

Pro snížení provozních nákladů budov, úspory energií a zlepšení vnitřního prostředí je důležité správné provázání a komunikace HVAC systémů.

Klíčovou roli při zajišťování optimálního prostředí v budovách hrají čidla/snímače. Nejdůležitější snímače monitoringu a následné regulace jsou čidla teploty, termostaty, snímače tlaku a čidla koncentrací CO₂.

Regulace vodních vytápěcích systémů s možností úspor systémem IRC (Individual Room Control)

Princip individuální regulace
Dosažení nejvyššího komfortu vytápění při maximálně možných úsporách tepla lze zajistit individuální regulací teploty jednotlivých místností nebo zón (systémy IRC). Tato elektronická regulace teploty jednotlivých místností/zón je efektivní metodou pro dosažení maximálního komfortu vytápění a současně při kompletní instalaci dosahuje i více jak 10% úspory v nákladech na vytápění.

Jedná se o časově teplotní režim jednotlivých místností/zón se stejnými požadavky na vytápění jak z hlediska teploty, tak z hlediska časového režimu (místnosti jsou vytápěny jen po dobu užívání, ve zbývajícím čase je v nich udržována taková teplota, aby k jejich opětovnému vytopení na požadovanou teplotu nebylo potřeba neúměrného množství energie).

Individuální regulací teploty jednotlivých místností (IRC) se dosáhne vysokého komfortu vytápění při maximálně možných úsporách tepla. Tento způsob digitální elektronické regulace teploty jednotlivých místností je efektivní metodou pro dosažení maximálního komfortu vytápění.

Princip regulace: ve vybrané místnosti/zóně, kterou chceme teplotně a časově regulovat, je umístěno teplotní čidlo. Na každém radiátoru je chod termoregulačního ventilu ovládán elektronicky podle dosažené požadované teploty místnosti pro daný časový úsek – podmínky se programují individuálně pro jednu místnost/zónu nebo centrálně pro více místností/zón.

IRC systém nepřetržitě kontroluje stav vytápěných prostor. Nasazením tohoto systému lze dosáhnout velmi úsporného vytápění – nikde se nebude vyskytovat přetápění ani podtápět.

Konečné úspory vycházející ze seskupování aktuálních teplotních požadavků jednotlivých místností a ve sjednocování těchto požadavků při případném ovládání výkonu zdroje/kotelny (resp. při regulování přívodu tepla jednotlivých větví). Tento efekt je hlavní výhodou oproti např. regulaci zajištěné lokálními regulátory nebo regulaci podle referenční místnosti.

Specifikace základních požadavků a vlastností systémů IRC:

• optimální řízení systémů vytápění (digitální řízení na bázi mikroprocesoru);
• komunikace s prvky systému po sběrnici (bus) – příjem informací o stavu systému a příkazy k výkonu regulačních funkcí;
• možnost komunikace s PC (prostřednictvím zásuvky PC);
• ovládání prostřednictvím vhodného uživatelského rozhraní – grafický SW na PC stanici a fóliové klávesnice z řídicí jednotky;
• archivace a vyhodnocování údajů o naměřených teplotách;
• ruční nebo automatické zahájení/ukončení topné sezóny;
• možnost zálohy dat i při výpadku napájení (data zůstávají uložena v řídicí jednotce);
• v případě poruchy řídicí jednotky nebo sběrnice (bus) zajistit regulaci v místnostech/zónách autonomně jako lokální regulaci;
• v případě delších úseků/tras je možné použít „obousměrný opakovač sběrnice“ (zesiluje digitální signál);
• možnost manuálního zásahu do systému.

Funkce a vlastnosti navrženého systému

Možnosti řízení systému:

• Automatizované řízení teplot v budovách.
• Jedna řídicí jednotka může obsloužit až 512 míst (prvků systému). Regulace teplot v jednotlivých místnostech probíhá podle jejich individuálně nastavených vytápěcích režimů (jednotlivé prvky jsou adresovatelné – hexadecimální adresa).
• Zdroj tepla může být regulován v návaznosti na teplotní požadavky jednotlivých místností a na venkovní teplotu (ekvitermní regulace).
• Možnost přímého ovládání systému z PC (jednoduchý software EkoSoft).
• Možnost „přepnutí“ režimu vytápění nebo jeho částí do teplotního útlumu.
• Možnost přechodného snížení/zvýšení teploty (z řídicí jednotky nebo z místa pobytu – funkce „korekční tlačítko“ na interiérových prvcích).
• Možnost programového řízení teplé vody (TV).

Jednotlivé řízené místnosti:

• Možnost bezdrátového přenosu informací v místnosti je dána použitím prvků komunikujících prostřednictvím vysokofrekvenčního (VF) rádiového přenosu (vzdálenost od regulační jednotky v rámci místnosti neomezeně, komunikační dosah na přímou viditelnost je > 50 m).
• Možnost regulace teploty povrchu radiátoru s ohledem na to, aby radiátor zůstával vždy alespoň vlažný (eliminace mikroprůvanu od oken).
• Regulace výkonu radiátorů je zajištěna termopohony (možnost zapojení až tří termopohonů paralelně).
• Možnost připojení okenního kontaktu (umožní přerušení vytápění při otevřeném okně).
• Princip adaptivní regulace přispívá k plynulým změnám teplot a eliminuje teplotní překmity.

Zdroj/přívod tepla:

• Řízení zdroje tepla může být s vlastní typovou regulací nebo může být řešeno zpracováním na zakázku s kompletním zapojením a novým ekvitermním řízením pomocí řídicí jednotky.

Ostatní:

• Systém je vybaven mimosezónní ochranou proti „zatuhnutí“ ventilu.

Způsob realizace opatření:

• Vytápění budov pokrývající tepelné ztráty prostupem a infiltrací při nasazení systémů IRC zůstává stávající centrální teplovodní otopnou soustavou ze zdroje. Otopné plochy rovněž zůstávají se stávajícími radiátory.
• Regulace otopné soustavy zůstává stávající centrální – závislá ekvitermní regulace podle venkovní teploty. Na tuto základní stávající regulaci jednostupňovou by navázala dvoustupňová řízená regulace jednotlivých místností/zón.
• IRC systém umožní sledovat spotřebu tepla v daných místnostech. Monitorování a případné nastavování řídicího SW (názorná vizualizace na obrazovce) lze na pracovní stanici PC. Přes internet nebo pomocí telefonu se lze připojit ke sledovanému otopnému systému a zjistit aktuální stav, případně zadat příslušné instrukce a korekce. O mimořádné situaci může IRC systém informovat prostřednictvím SMS doručené na zadaný mobilní telefon. Automatické rozpoznání otevřeného okna (systém rozpozná otevřené okno, a tím i důsledek rychlého ochlazování místnosti). Automaticky přepne na tlumený provoz, aby nedocházelo k plýtvání tepelné energie. Po uzavření okna přepne na komfortní provoz.

IRC systém v současné době nabízí více systémů tuzemských i zahraničních, např.: Micronic Přerov s.r.o., Winterm, Trasco, AS Open, BMR, MER, PEVEKO a další, nebo zahraniční, např. společnosti JOHNSON & CONTROLS – řízení budov, METASYS, HONEYWELL, SIEMENS (Landys & Gyr), HEIMEIER, DANFOSS, HERZ a další.

Tento systém na základě své jisté „míry inteligence“ má zmapovány dynamické vlastnosti vytápěných konkrétních prostor a na základě těchto informací poměrně přesně ví, s jakým předstihem je potřeba zahájit vytápění, aby bylo dosaženo požadované teploty v nastaveném a předepsaném čase. To je opět velkou výhodou z hlediska optimalizace systémů vytápění a dosažení maximálních úspor při vytápění. Systémy IRC se dají řešit nadstavbou optimalizace soustavy ústředního vytápění (ÚT) na stávající systémy ÚT.

Uvedené systémy umožňují propojit i komunikační modul se zabezpečovacími obvody EZS (pro systémy Jablotron, Paradox, možno připojit i jiné systémy EZS, případně EPS).

V každé konkrétní nasazené aplikaci se musí prověřit jejich komunikační protokoly, případně využít spínaný binární vstup.

Tab. 3.1 Výstupní měrné ukazatele opatření IRC

Finanční úspora bude u navrženého opatření vždy závislá na měrné ceně nakupovaného energonositele pro konkrétní stavbu.

Doporučené podmínky pro provoz a pro rozvody UT

• HW – optimální hydraulické i termické vyvážení celé vytápěcí soustavy pro zajištění možnosti nastavení optimálních proměnných průtoků.
• Doporučení pro energeticky nejefektivnější řešení je použití tlakově nezávislých ventilů (např. Siemens).
• U nových návrhů otopných soustav používat regulační prvky s nelineární charakteristikou (např. ekviprocentní, tato je v přechodných obdobích na regulaci daleko citlivější než lineární charakteristika), autoritu regulačních prvků volit vyšší  nejlépe nad 0,5 (min. je 0,3), hodnota jmenovitého průtoku k_v by neměla být předimenzována, nově instalovaná oběhová čerpadla musí být označena značkou CE (musí být v souladu s požadavky indexu energetické účinnosti – EEI).
• Při výběru dodavatele dbejte na to, aby instalační firma disponovala proškolením od daného výrobce zařízení, a tím byla zajištěna znalost podmínek instalace a její kvalita. Pro uznání záruk je podmínkou odborné uvedení do provozu, které zpravidla provádějí specializované certifikované společnosti, které následně na Vámi zakoupeném zařízení vykonávají roční prohlídky a záruční i pozáruční servis.

Zvýšené náklady z hlediska přetápění prostor
Pro vytápěné prostory hlídat, případně nastavit vhodné teploty, aby nedocházelo k přetápění těchto prostor.

Doporučení udržení lepší provozní účinnosti topných zdrojů a v topných systémech
Pravidelná údržba topného systému a zejména zdrojů pro ÚT a TV může ušetřit až 15 % nákladů na topné médium!

3.3 MODERNÍ INTELIGENTNÍ TECHNOLOGIE ŘÍZENÍ BUDOV (IQ – INSTALACE)

Efektivní využití energie obecně

BAT technologie (the Best Available Technology) – nejlepší dostupná technologie; BAT představuje nejlepší dosud vynalezené technologie dostupné z hlediska technického a ekonomického; o BAT se často hovoří v případě, že se jedná o řešení nějakého problému zasahujícího negativně do životního prostředí.

Systém výměny informací o technologii BAT řeší § 27 zákona č. 76/2002 Sb., ve znění pozdějších předpisů a informace jsou dostupné na portálech ministerstev MŽP, MPO a MZe.

Každá budova potřebuje perspektivně stanovit hospodárný a ekologický cíl provozního režimu. Odráží to změnu hodnot od konzumního přístupu v minulosti k zodpovědnému zacházení s energetickými zdroji v budoucnosti. Toto lze řešit vybavením a provozem budovy inteligentním SW systémem pro řízení budov. Systém automatizace a „inteligence“ budov v sobě zahrnuje systémy, sítě a součásti k optimalizaci řízení budov a energetických toků. Navíc systém řízení nabízí řešení vedoucí ke zvýšení kvality vzduchu v prostorách, sjednocení hlášení požáru a bezpečnostní techniky a také řízení osvětlení a zónové (fasádové) řízení při použití nejmodernějších komunikačních prostředků. Automatizovanými pochody s možnostmi přímého zásahu se provozovatelé budov dostávají do stavu, kdy mohou uživatelům nabídnout příjemné a bezpečné podmínky prostředí. Využití tohoto inteligentního řízení má následující možnosti:

Možnosti řešení v inteligentní budově – menší budovy:

• vytápění a chlazení – individuální nastavení vnitřní teploty pro každou místnost a denní dobu;
• stínění – stínicí technika v létě zajistí optimalizaci chlazení, v zimě pasivní vyhřívání místnosti;
• osvětlení – světelné scény, stmívání, ovládání jediným tlačítkem nebo dálkově;
• řízené větrání se zpětným ziskem tepla a s řízením dle kvality vnitřního prostředí, stále čerstvý vzduch nezávisle na ročním období;
• přístup – elektronický zámek a klíč nabízí nové možnosti využití;
• zabezpečení – propojení IQ instalací s alarmem a kamerovým systémem;
• energie – integrace fotovoltaiky a efektivní využití vyrobené elektřiny;
• monitoring – sledování teplot, zaznamenávání statistik a upozornění na události;
• ovládání – jednoduše přes tlačítka nebo pomocí mobilního telefonu, tabletu, počítače;
• více možností – s IQ instalací inteligentní budovy lze řídit a ovládat téměř vše v budově
• při chlazení optimalizovat využití odváděné energie pro provoz stavby.

Inteligentní regulace vytápění v kombinaci se stínicí technikou umožní spotřebovat jen nutné množství energií, jaké je aktuálně na vytápění nebo chlazení místností potřeba. Využít je možné i nastavení centrální funkce pro odpojení spotřebičů v době nepřítomnosti. Nové možnosti pak nabízejí integrace fotovoltaiky a efektivní využití vlastní vyrobené elektřiny.

V každé budově lze automaticky řídit a optimalizovat více technických systémů. Zde jsou uvedeny možné příklady, jak automatické funkce ideálně využít:

A) nepřítomnost
B) noční režim, pohotovostní režimy
C) regulace teploty

A) Pokud je budova mimo hlavní provoz, inteligentní instalace zajistí základní opatření v optimalizaci spotřeb energií a bezpečnosti:

• odpojí nepotřebné spotřebiče od elektrické sítě;
• automaticky sníží teplotu v budově na nastavený útlumový režim;
• dokáže spustit alarm v případě vloupání nebo požáru;
• v horkých dnech se samo ovládá stínění žaluzií podle slunečního osvitu. Lepší izolace pomocí automatických žaluzií sníží spotřebu EE. S IQ instalací lze rolety nebo venkovní žaluzie ovládat v závislosti na slunečním svitu, úhlu postavení slunce nebo intenzity teploty slunečního záření.

B) V nočním režimu je pochůzné a orientační osvětlení ztlumené např. jen na 30 %. Spotřebiče v pohotovostním režimu mají nezanedbatelný odběr elektrické energie (EE) a výše nákladů na EE se každým rokem zvyšuje pouze kvůli těmto zařízením i o tisíce korun.

C) Nejvíce tepla uniká a vniká do místností přes okna. Pomocí regulace stínicí techniky lze tento efekt jak v létě, tak v zimě redukovat na minimum.

Inteligentní instalace provádí ovládání teplot ve všech místnostech. Toto lze zabezpečit i pomocí automatizace stínicí techniky. V praxi to znamená, že se žaluzie samy spustí, když bude v pokoji vlivem pasivních zisků od slunce dosaženo požadované teploty.

Řízení inteligentní budovy
V IQ instalaci inteligentní budovy je všechno centrálně řízeno malým mikroprocesorem/miniserverem. Tím odpadnou oddělená řešení pro ovládání TZB systémů a běžných funkcí v budově. Běžná tlačítka a ovládání osvětlení jsou společně se stínicí technikou, topením, fotovoltaikou a dalšími prvky chytré budovy spojeny do jednotného komplexního fungujícího systému.

Ovládání je možné jediným tlačítkem nebo mobilním telefonem, či počítačem.

EcoStruxure – architektura aktivního řízení energií – větší stavby

Možnosti inteligentního řízení:

• regulace, hlášení stavu a poruch systémů větrání a klimatizace;
• regulace, hlášení stavu a poruch systémů topení;
• regulace chladicích systémů;
• regulace a optimalizace energetického systému – systémem pro efektivní nakládání s energií a energetickým zařízením – EMS (Energy Management Systems);
• regulace a optimalizace měřeného maxima;
• regulace a optimalizace osvětlení;
• možná regulace zastiňovacích prvků osluněných částí budovy;
• ovládání záskokového zdroje;
• ovládání a hlášení poruch výtahů;
• elektronický bezpečnostní systém (EZS);
• elektronický protipožární systém (EPS);
• systém televizních kamer (CCTV);
• přístupový (kartový) systém;
• evakuační rozhlas;
• hlášení o otevřených dveřích a oknech;
• systémy nepřetržitého sledování (hlášení o pohybu osob uvnitř budov i mimo budovy);
• provozně technická hlášení (oznamování důležitých a monitorovacích provozních stavů);
• technické poplachy;
• dozor nad obvodovými konstrukcemi budovy;
• dozor nad zásobníky záložních zdrojů a nádržemi nafty, topných olejů apod.

Jednotlivé systémy mají autonomní automatiku zajišťující optimální provoz zařízení s rozsáhlými možnostmi diagnostiky provozních a poruchových stavů. Automatika systémů je zpravidla založena na mikroprocesorové technice, prakticky každý takový elektronický výrobek má své vlastní rozhraní pro připojení sériové sběrnice pro komunikaci s osobním počítačem na pracovišti obsluhy, odkud lze efektivně řídit a monitorovat činnost zařízení.

Nejmodernější řídicí systémy v budovách pracují v prostředí tzv. „otevřeného protokolu“ (jsou to například systémy TAC, M-BUS, EIB (podle ENV 13 321-2), LON MARK 3.3, LONWORKS (podle ENV 13 154-2), BAC net (podle ENV 13 321-1).

Regulace zdroje tepla a jednotlivých topných okruhů bude podřízena regulaci celé stavby, která bude koordinovaně řídit chod celého technického vybavení. To umožní optimální a hospodárný provoz těchto zařízení.

Pro funkci budov jako celku je nutný přenos informací mezi jednotlivými systémy – např. při požárním poplachu se spustí požární ventilace, vypne ostatní vzduchotechnika, uvedou se do požárního režimu výtahy, osvětlí se evakuační trasy a odblokují únikové východy. Dalším řízením bude ovládání osvětlení vytypovaných hal/prostorů/pracovišť a klimatizace jednotlivých zón prostorů haly podle stavu jejich obsazenosti, který bude vyhodnocen přístupovým systémem. Řízena může být i aktivace příslušného okruhu alarmu při narušení objektu signalizovaném zabezpečovacím systémem EPS či CCTV. Přenos dat mezi systémy elektronickou cestou je operativnější a vzniká při něm méně chyb než při komunikaci pracovníků obsluhy jednotlivých systémů.

Vzhledem k tomu, že dominantní úlohu mezi systémy existujícími v budovách má obvykle řídicí systém technologických zařízení – nejčastěji vytápění nebo VZT a klimatizace(BAS – Building Automation System), přísluší úloha systémového integrátora právě dodavateli tohoto systému.

Řídicí algoritmy pro vytápění, chlazení a vzduchotechniku mohou být řešeny v decentralizovaném řídicím systému s inteligencí rozloženou do několika úrovní. Předností decentralizovaného systému je zejména:

• zvýšená odolnost proti poruchám systému – případná porucha v určité části systému má dopad pouze na omezenou část řízené technologie;
• snadná údržba a provozní kontrola systému – regulátory jsou umístěny v těsné blízkosti řízené technologie;
• zvýšená spolehlivost – díky zkrácení kabeláže k čidlům a akčním orgánům se snižuje riziko indukování rušivých signálů po trase, současně dochází k úsporám nákladů na montáž.

Regulace otopné soustavy může být navržena přímá mikroprocesorovým programovatelným regulátorem a rozdělením topných okruhů na jednotlivé zóny v kombinaci s termostatickými ventily na jednotlivých otopných tělesech v místech tepelných zisků.

K dosažení úspor energie u jednotlivých technologických zařízení budov je možné využívat následujících postupů:

3.3.1 Vytápění, chlazení, vzduchotechnika

• Vzájemné vazby v řízení vytápění a chlazení, které zabezpečují optimální součinnost těchto systémů (systémy nepracují „proti sobě“);
• řízením výkonu zdrojů tepla a chladu podle okamžité potřeby na odběr, rozložením celkového výkonu zdrojů tepla a chladu do více výkonových stupňů, aby bylo možné respektovat časově proměnné požadavky na jejich výkon;
• řízení vnitřního klimatu budovy s ohledem na vnitřní-technologické a vnější povětrnostní podmínky;
• řízení vnitřního klimatu jednotlivých místností/zón v budově s ohledem na výskyt osob (pohybová čidla jsou zapojena do systému akčních prvků);
• využíváním systémů s proměnným průtokem vzduchu podle skutečné potřeby ve větraných prostorech;
• snižování spotřeby pravidelným krátkodobým vypínáním zařízení, neboť většina zařízení je výkonově dimenzována pro nejhorší možný případ – např. ventilátory VZT jednotek mohou být vypnuty na 10 minut každou hodinu, aniž by se to projevilo na kvalitě prostředí.

3.3.2 Osvětlení – modernizace vnitřních a venkovních osvětlovacích soustav

Nedílnou součástí budov a také významnou částí spotřeby elektrické energie je umělé osvětlení. Mezi hlavní možnosti úspory ve společnostech patří modernizace zastaralých svítidel nebo výměna starých světelných zdrojů s nízkou účinností. Níže jsou uvedeny hlavní aspekty, výhody a nevýhody obnov vnitřních osvětlovacích soustav.

Hlavní zásady při celkových modernizacích nebo obnovách vnitřních osvětlovacích soustav:

• využíváním energeticky úsporných zdrojů – přechod na světelné systémy s LED zdroji;
• aplikací časových programů pro řízení osvětlení chodeb a schodišť, automatická regulace osvětlení podle intenzity denního světla;
• vytvořením více světelných okruhů v daném prostoru tak, aby mimo hlavní provozní dobu bylo možné prostřednictvím řídicího systému snížit úroveň osvětlení.

Podmínkou pro možnost požadovaného řízení osvětlení je samozřejmě vybavení příslušných napájecích vývodů v rozvaděčích spínacími prvky. Takové zapojení rozvaděče, stejně jako rozdělení svítidel do jednotlivých světelných okruhů, odpovídajících funkčním zónám budovy, musí být zabezpečeno již v příslušném projektu. Systémy osvětlení komfortních budov bývají realizovány jako kompletní funkční celek a vybaveny vlastním řídicím systémem, který je integrován do řídicího systému budovy.

U staveb s předpokladem vyššího standardu bude vhodné uplatňovat komplexní řešení, spojující regulaci osvětlení a ochranu proti oslnění v jednotlivých prostorách a místnostech budovy tak, aby v nich bylo dosaženo optimálního osvětlení konkrétního místa či pracoviště při maximálním využití denního světla, tam, kde je k dispozici.

Modernizace vnitřních osvětlovacích soustav

Tab. 3.2 Porovnání světelného toku a měrného světelného výkonu pro jednotlivé druhy zdrojů osvětlení

Z uvedené tabulky vyplývá obrovský rozdíl mezi klasickými, halogenovými nebo fluorescenčními žárovkami na straně jedné a LED žárovkami na straně druhé. Vhodnými záměnami dosáhneme nižší spotřebu a dosáhneme větší i svítivost (větší měrný světelný tok v lumenech).

Tab. 3.3 Vybraná minimální doporučená technická kritéria pro nová LED svítidla a LED světelné zdroje

Tab. 3.4 Přehled běžných typů zářivkových zdrojů

Tab. 3.5 Běžné teploty chromatičnosti lineárních zářivek a jejich kódy

Poznámka:
U světelných zdrojů bez spojitého spektra (kam světelné diody patří) je přesnější termín náhradní teplota chromatičnosti (CCT).

Při ověřováni pozměněné osvětlovací soustavy s LED trubicemi je třeba si uvědomit, že norma požaduje udržovanou osvětlenost. Jedná se o hodnotu, pod kterou nikdy osvětlenost nesmí klesnout. U všech osvětlovacích soustav, zvláště u světelných diod s dlouhou životností, dochází k postupnému snižování intenzity osvětlení vinou snižujícího se světelného toku a postupného zašpinění. Osvětlovací soustavy jsou tedy na počátku „přesvíceny“ o koeficient, který se nazývá „udržovací činitel“. Při požadavku např. 300 lx a udržovacím činiteli 0,75 musíme na počátku naměřit 400 lx (pro 500 lx je na počátku nutné naměřit 667 lx pro daný udržovací činitel). Vzhledem k relativně dlouhé životnosti LED trubic dochází obvykle ke snížení udržovacího činitele, a proto je nutné instalovat vyšší světelný tok proti lineárním zářivkám.

Jednostranné LED trubice se instalují do stávajících těles bez nutnosti jejich úpravy (stačí nahradit klasický startér LED startérem a vyměnit trubice).

Oboustranné LED trubice se instalují do těles k tomu určených nebo je nutné stávající těleso odborně upravit (odpojit startér i tlumivku, případně elektronický předřadník).

Pozor na přehřívání při výměnách klasických zářivek za LED trubice v uzavřených zářivkových tělesech.

Záměny a náhrady žárovkových zdrojů za výkonné LED osvětlení

V případě instalací zdrojů LED je spotřeba cca 5-7krát menší ve srovnání se spotřebou klasické žárovky. Lze nahrazovat jak patice E40, E27, tak i menší patice E14 a GU10, G 9, G23, G24, MR 11, MR 16.

Poznámka:
u záměn za nové LED svítidla a LED zdroje je nutné si prověřit v technických parametrech deklarovaný účiník, ten by měl být větší jak 0,95!

Návratnost investice při změně na LED osvětlení se, vzhledem k úspoře elektrické energie 60 % a více, neodvíjí až tak od velikosti samotné investice, ale od doby svícení (čím je doba provozu osvětlovací soustavy delší, tím je úspora větší, a tím bude i samotná návratnost rychlejší).

Příklad: v provozech s třísměnným provozem se návratnost investice pohybuje zhruba od šesti měsíců. V dalším období již nová soustava LED osvětlení vytváří čistý zisk formou úspory energie.

Modernizace stávajících – zastaralých osvětlovacích soustav

Nové osvětlení, které nahrazuje stávající zářivkové systémy, může být navrženo v lištovém systému LED (zářivková svítidla s elektronickými stmívatelnými předřadníky, zářivkové světelné zdroje, které ve spolupráci s řídicí jednotkou osvětlení zajistí další energetickou úsporu při maximálním využití denního světla přicházejícího z oken, prosklených konstrukcí nebo ze světlíků).

Nastavení řízení podle konstantní intenzity osvětlení, instalace čidel pohybu, kontrola přítomnosti osob

Stálá osvětlenost (FL) udržuje svítidla zapnutá jen na předem nastavené úrovni osvětlenosti. V případě požadavku je možné úroveň manuálně přizpůsobit. Pokud není zaznamenaná přítomnost během nastaveného časového intervalu, dojde po uplynutí přechodového času k automatickému vypnutí svítidel.

Jako příklad lze uvést Philips helvar (alt. Philips dynalite) – systém dálkové správy a ovládání osvětlení pomocí řídicích jednotek iDim (Dali).

Instalace spořičů elektrické energie (EE)

Další možností úspory na osvětlovacích soustavách (vč. venkovního osvětlení) je instalace spořičů elektrické energie (převážně se jedná o řízený regulátor napětí s doplňkovým volitelným příslušenstvím). Podle provedených konkrétních měření lze generovat úsporu 5 % pro řízené halogenové osvětlení (při sníženém napětí na 221 V) a 24,7 % na venkovním osvětlení.

(zdroj: časopis Energetika 10/2015)

Metody výběru řízení umělého vnitřního osvětlení:

• dostupnost denního světla;
• obsazenost;
• počet uživatelů;
• způsob využití (plné, proměnné, občasné využití).

Řízení osvětlení s využitím denního světla

Řídicí systém využívající denní světlo měří pomocí čidel množství přítomného denního světla a podle toho upravuje množství umělého světla. Čidla mohou být instalována buď centrálně a ovládat několik svítidel/sekce nebo je na každém svítidle individuální řízení. Instalace individuálního řízení každého svítidla je dražší, ale poskytuje přesnou regulaci hladiny osvětlení pro každou část dané oblasti – na toto řízení lze použit tzv. inteligentní svítidla.

V řízení se využívají dva typy řídicích systémů využívajících denní světlo:

• Automatické zapínání/vypínání. Je důležité zahrnout do řídicího systému časové prodlevy, aby se předešlo opakovanému vypínání, způsobenému rychle se pohybujícími mraky apod.
• Automatické stmívání zajišťuje, aby souhrn denního a umělého světla vždy dosáhl požadované úrovně osvětlenosti.

Stmívání poskytuje větší energetické úspory než zapínání/vypínání a je pro uživatele jednodušší na ovládání. Automatické zapínání či stmívání, využívající denní světlo, je výhodné především v místnostech s plnou obsazeností po celý den (v recepcích, na chodbách, v trvalé výrobě apod.).

Inteligentní svítidla mají svá vlastní ovládací čidla, která signalizují zapnutí/vypnutí, stmívání atd. Ovládání může být přepnuto na manuální pomocí dálkového ovladače. Svítidla mohou být naprogramována tak, aby poskytovala konstantní udržovanou osvětlenost v instalovaném osvětlovaném prostoru. Hladina osvětlenosti a časová prodleva, která se spouští, když čidlo obsazenosti přestane zaznamenávat pohyb, může být ručně upravena pomocí ovladačů na svítidle či řízena dálkově. Případně lze ovládat osvětlení fotobuňkami snímajícími intenzitu venkovního jasu.

Ovládání využívající čidlo obsazenosti

Automatické zapínání či stmívání, využívající denní světlo, je výhodné především v místnostech s plnou obsazeností po celý den, např. v recepcích a chodbách.

Pro nasazení jsou možné tři druhy čidel obsazenosti:

• PIR (pasivní infračervená) čidla obsazenosti reagují na pohyb osob (na podkladě infračervené energie či tepla produkované lidským tělem).
• Ultrazvuková čidla obsazenosti reagují na změnu v odražených zvukových vlnách v prostoru způsobenou pohybujícím se objektem. K detekci pohybu nevyžadují na rozdíl od pasivních infračervených čidel přímý úhel pohledu, neboť detekují menší pohyby. Ultrazvuková čidla pracují ve frekvencích nad lidskou citlivostí (20 kHz); běžné provozní frekvence jsou 25, 30, a 40 kHz.
• Čidla obsazenosti s duální technologií (hybridní) kombinují PIR a ultrazvukovou technologii. Udržují světla rozsvícená, pokud jedna z obou technologií detekuje pohyb, a zhasínají světla pouze tehdy, když obě technologie nedetekují žádný pohyb (anebo naopak). Tyto produkty jsou uživatelsky přívětivější, neboť snižují pravděpodobnost, že se svítidla zhasnou, pokud je prostor využíván.

Do budoucna je doporučen i systém KNX (mezinárodní standard a otevřený protokol) – „chytrý“ systém elektroinstalace v budovách (např. Gamma KNX stmívání osvětlení pomocí řídicích výstupů s 1 až 10 V a řízení střídavých motorů u stínicí techniky a pohonů odvětrávání), který přináší nové možnosti v oblasti řízení osvětlení, stínicí techniky – ochrany proti slunečnímu záření s ochranou vlastních žaluzií před větrem, deštěm a mrazem, ovládání provozu elektrických spotřebičů, hospodárného a komfortního provozu vytápění, větrání, klimatizace apod.

Při modernizaci původní zářivkové soustavy je možné počítat s dobou návratnosti cca 6-10 let. Dobu návratnosti samozřejmě zvyšuje započítání obnovy elektroinstalace a případné doplnění řídicího systému.

Modernizace venkovních osvětlovacích soustav

Hlavní formy úsporných opatření venkovního osvětlení (VO):

• Výměna svítidel za moderní nová – s vyšší účinností.
• Realizace záměn za kvalitní světelné zdroje.
• Realizace záměn stávajících předřadných přístrojů za kvalitní moderní nízkoztrátové elektronické předřadníky.
• Skupinová elektronická regulace osvětlení (centrální po jednotlivých větvích/celcích).
• Řízená elektronická regulace osvětlení s programovým časováním (např. systémem HDO kombinovaným s astronomickým spínacím kalendářem a soumrakovým čidlem).
• Řízená elektronická regulace vlastní spotřeby v režimu STANDBY (pohotovostní režim), hibernační režim. Jedná se o režim „spánku“, kdy rozvaděč VO v době nečinnosti sám sebe vypne a běží jen v pohotovostním režimu.
• Autonomní elektronická regulace osvětlení (po jednotlivých bodech).
• Zavádění skupinových výměn světelných zdrojů.
• Dimenzování osvětlení podle aktuální konkrétní komunikace (požadavky na osvětlenost).
• Maximální omezení svícení během dne provozováním noční údržby.
• Důsledná pasportizace a evidence všech údržbových zásahů soustavy VO v elektronické podobě.
• Odstranění vzrostlé zeleně, zakrývající osvětlovací plochy pod jednotlivými osvětlovacími tělesy.
• Optimalizace počtu rozvaděčů a jejich umístění – slučováním větví (to je vhodné provádět při rozsáhlých modernizacích VO, je sice poměrně náročné, pokud se však optimalizace provede dobře, sníží při stále stejné spotřebě náklady na elektrickou energii (méně odběrných míst, a tím méně paušálních poplatků).
• Výměna kabelů s nedostatečnou izolací (možnost dosažení úspory 5 %).
• Rovnoměrné zatížení fází (možnost dosažení úspory 1 %).
• Programové řízení nočních útlumů u moderních LED zdrojů (oboustranný přenos dat, možnost dosažení úspory 20-25 %).
• Programové skupinové řízení nočních útlumů u sodíkových zdrojů snižováním napětí na 210 V až 206 V (možnost dosažení úspory 20-25 %).
• Světelná soustava bez funkce CLO (zajištění konstantního světelného toku zvyšováním příkonu vlivem stárnutí zdrojů) má počáteční příkon zbytečně vyšší, neboť tento musí zahrnovat i ztráty dané postupným poklesem světelného toku (svítidla s funkcí CLO – úspora cca 5 %).
• Instalace fotovoltaických systémů na individuální nové vytypované/odlehlé stožáry.

V souvislosti s nastavením řízení jednotlivých větví VO se v rámci úsporných opatření nastavují i přesné časy zapínání a vypínání větví VO podle soumraku a svítání (s respektováním sezónních provozních dob zapnutí a vypnutí uvedených) přímo pro řešenou lokalitu.

U soumrakových spínačů je vhodné používat typy s nízkou vlastní spotřebou danou principem „nulové hystereze“ a s kompenzací vlivu spínaného svítidla, u případných spínacích hodin používat typy s astro funkcí a GPS databází pro místo instalace (např. přístroje společnosti Finder).

Používané regulátory by měly být s certifikací a přednostně při realizaci zvolit takové, které budou mít nejlepší energetické ukazatele pro snížení spotřeby EE.

Obr. 3.1 Princip regulace svitu

Tab. 3.6 Noční útlumy

3.3.3 Regulace ¼ hodinového maxima elektrického výkonu

K důležitým funkcím řídicího systému budovy patří sledování hodnoty technického maxima, smluvně dohodnutého s dodavatelem EE. Instalací tohoto systému bude zabezpečeno dodržování (nepřekročení) této hodnoty. Vzhledem k tomu, že porušení sjednaných podmínek je dodavatelem EE sledováno a finančně zohledněno, je tato funkce z hlediska provozních nákladů velmi významná. Systém porovnává ve stanovených časových krocích (řádově desítky sekund) skutečnou a ideální spotřebu a při překročení přípustné hodnoty odpojí podle předem definované tabulky priorit některý z určených spotřebičů.

Regulační algoritmy umožňují odpínání zátěží nejen podle okamžité spotřeby, ale též podle jejího trendu, tj. podle očekávané spotřeby na konci čtvrthodiny. Priority při odpojování zátěží mohou být trvale definovány nebo může být použito cyklicky se obměňující pořadí v jednotlivých časových intervalech, případně mohou být oba způsoby kombinovány.

Systém ovšem musí respektovat též specifické podmínky při ovládání některých spotřebičů, např. uvažovat dobu rozběhu a doběhu u větších pohonů, nepřerušitelnost určitých technologických procesů apod. Ideálními spotřebiči pro automatickou regulaci spotřeby jsou setrvačné spotřebiče s dlouhou časovou konstantou, na jejichž funkci nemá krátkodobé odpojení výrazný vliv ani je nepoškozuje – např. topidla, topné kabely, elektrické kotle a topné zdroje elektrických boilerů, vyvíječe páry, chladírny a mrazírny, čerpadla, ventilátory a kompresory. Vhodné jsou i spotřebiče, jejichž výkon lze redukovat ve stupních. Regulačním zásahem lze jejich výkon omezit při zachování funkce – např. sekce svítidel, topidel nebo jedno ze souboru čerpadel.

Naopak nepřípustné je automatické vypínání bezpečnostního osvětlení a větrání, zabezpečovacích systémů, výtahů, eskalátorů, počítačů a některých dalších pracovních strojů. U těchto spotřebičů lze příslušné výstupy regulačního algoritmu považovat za varování a pokyn k ručnímu vypnutí, které může při dodržení stanoveného postupu provést obsluha. Není účelné krátkodobě odpojovat ani drobné kancelářské spotřebiče, kdy přínos nebývá vyvážen potřebnými investicemi do elektroinstalace.

Je nutné si uvědomit, že tato regulace nepřináší absolutní úsporu elektrické energie. Krátkodobě odpojené spotřebiče odeberou většinou potřebnou energii později, ale úspora vzniká na platbách při nižším sjednaném technickém maximu odběru.

Regulace odběru je optimalizována podle zvolené regulační křivky a zadaného regulačního nebo technického maxima. Jestliže průměrný trend odběru směřuje k překročení nastavené hodnoty, jsou postupně odepínány podle zvolené priority jednotlivé stupně (el. spotřebiče). V případě, kdy trend odběru směřuje pod nastavenou hranici, regulátor zpět připíná dané okruhy.

Regulátory čtvrthodinového maxima jsou průmyslové automatizační přístroje, resp. decentralizované mikroprocesorové řídicí systémy určené pro přímé řízení technologických procesů.

Regulace ¼hodinového maxima elektrického výkonu může být provedena z hlediska HW – prostředky IT, např. soupravou DINOV typ UMJ – 2 (+ modulační relé pro UMJ-2, vysílač radiového přenosu VS-8K-R a optooddělovač nebo soupravou HM2006 společnosti BMR).

Přístroje/regulátory ¼hodinového maxima mají k dispozici standardní komunikační rozhraní RS485, které slouží k dálkovému připojení PC s vizualizací a monitoringem regulace.

Možnosti zajištění a výhody hlídání ¼hodinového maxima (T15):

• regulátor zabrání překročení sjednaného technického maxima (rezervovaný příkon/měsíční nebo roční rezervovaná kapacita), a tím i následné vysoké penalizace;
• vhodné nastavení umožní smluvní snížení výše odběru;
• regulace umožňuje více využít sjednaný odběr;
• 5 pulzních vstupů (činný odběr, jalový odběr, jalová dodávka, tarif nebo činná dodávka a měřicí perioda) a 6 releových výstupů (reléové přepínací kontakty 6A/250V AC);
• monitoring a interní paměť pro měřené hodnoty;
• diagnostika odběru a ovládání na PC (s vizualizací a monitoringem regulace).

Odběrové diagramy – profily spotřeby společnosti FAQ

Rezervovaný příkon (RP) – je hodnota průměrného čtvrthodinového elektrického příkonu, která je uvedena ve smlouvě o připojení (rezervovaným výkonem – hodnota připojovaného výkonu výrobny elektřiny sjednaná v místě připojení k distribuční soustavě v MW).

Rezervovaná kapacita (RK) – je smluvně sjednaná hodnota maximálního čtvrthodinového elektrického výkonu v kW, sjednává se buď měsíční (RKM) nebo roční (RKR).

Mikrozdroj – zdroj elektrické energie a všechna související zařízení pro výrobu elektřiny, určený pro paralelní provoz s distribuční soustavou nízkého napětí se jmenovitým střídavým fázovým proudem do 16 A na fázi včetně a celkovým maximálním instalovaným výkonem do 10 kW včetně.

15minutový interval (T15) – jedná se o tzv. 1/4 hodinový výkon (příkon, maximum).

60minutový interval – údaj o výkonu v kW se číselně rovná spotřebě kWh (průběhy jsou vyrovnané, bez špiček, neobsahují potřebné detaily).

Base load – základní zatížení sítě je minimální úroveň poptávky po elektrické energii po určitou dobu, nejčastěji například denní.

Obr. 3.2 Peak load – špičkové zatížení je maximální úroveň poptávky po elektrické energii, Offpeak load – mimošpičkové zatížení

3.3.4 Regulace denního maxima odběru ZP (zemního plynu)

Regulace denního maxima odběru ZP může být provedeno z hlediska HW a SW, např. nabízenou službou konkrétního distributora (hlídání a monitoring je zajištěn osazením akčních prvků na možné odpínané spotřebiče, výstupními modulačními relé, vysílačů radiového přenosu, příslušné SW aplikace apod.).

Možnosti zajištění služby

• monitorování denní spotřeby zemního plynu;
• včasné varování v případě nebezpečí překročení sjednané rezervované kapacity;
• pokud je sjednána priorita a lze některé spotřebiče odpojit, pak automatické odpínání dohodnutých spotřebičů podle nastaveného pořadí priority.

Výhody regulace denního maxima

• vstupní měření a analýza odběru ZP zdarma provedena distributorem;
• detailní přehled o skutečné denní a měsíční spotřebě zemního plynu;
• úspora provozních nákladů za sjednané rezervované kapacity zemního plynu/sjednaná maxima.

Tuto službu nabízí někteří dodavatelé v rámci úspory nákladů formou snížení sjednané rezervované kapacity zemního plynu, případně eliminace poplatků za překročení této sjednané kapacity.

Výpočet ceny za denní rezervovanou pevnou klouzavou distribuční kapacitu ZP lze najít např. na portále Energetického regulačního úřadu (ERÚ).

Základní členění celkové ceny dodávky zemního plynu je členění na část regulovanou(provádí ERÚ a část neregulovanou, kterou si určuje „obchodník s plynem“, dodávající plyn do konkrétního odběrného místa.

Regulované složky ceny ZP (stanovuje ERÚ vždy ke konci kalendářního roku – cenovým rozhodnutím ERÚ a je stanoveno na období jednoho roku):

• cena za přepravu ZP;
• cena za distribuci ZP;
• cena za služby operátora trhu.

Neregulované složky ceny ZP (určuje dodavatel plynu):

• cena za odebrané množství ZP (komoditu);
• cena za obchod, za strukturování (flexibilitu dodávky) a další poplatky stanovené dodavatelem ZP.

Uplatnění možného řízení denní rezervované pevné měsíční distribuční kapacity platí pouze pro odběrná místa zákazníka s měřením typu A nebo B. Úspora je generovaná snížením ceny a hodnoty za denní rezervovanou pevnou měsíční distribuční kapacitu.

Podrobnosti o trhu se ZP jsou uvedeny ve vyhlášce č. 349/2015 Sb., o pravidlech trhu s plynem, ve znění pozdějších předpisů.

Efektivní řízení energetického hospodářství

Nezbytnou podmínkou efektivního řízení energetického hospodářství a nakupované kapacity jednotlivých energonositelů je úzká spolupráce energetika společnosti/uživatele, který musí při definování tabulky priorit a ostatních podmínek algoritmů řízení uplatnit vlastní požadavky na funkci jednotlivých technologických zařízení budovy.

Úroveň správy informací – operátorská pracovní stanice

Operátorská pracovní stanice bude díky decentralizované struktuře systému osvobozena od řídicích a dohlížecích funkcí. Úkolem této pracovní stanice bude předávat obsluze zpracované informace o řízeném objektu.

Mezi základní funkce pracovní stanice patří:

• zobrazení jednotlivých oblastí stavby formou dynamizované barevné grafiky;
• zobrazování textových informací o stavu řízené technologie;
• automatická alarmová hlášení s rozlišeným stupněm priority;
• možnost doplnění alarmové zprávy informací o posloupnosti činností vedoucích k vyřešení problému, automatické přepnutí do grafického režimu se zobrazením příslušné lokality;
• několikaúrovňový systém hesla umožňující rozlišit přístupová práva pro jednotlivé operátory;
• komunikace a obsluha v českém jazyce s možností přechodu při zadání hesla i do jiného jazyka.

V budově (při předpokladu vyššího standardu) bude vhodné uplatňovat komplexní řešení, spojující regulaci osvětlení a ochranu proti oslnění v jednotlivých prostorách a místnostech budovy tak, aby v nich bylo dosaženo optimálního osvětlení konkrétního místa či pracoviště při maximálním využití denního světla.

Následuje stručný výčet technologických možností, při přechodu z klasicky užívané budovy k inteligentnímu řízení, které mohou být zařazeny do investičních a provozních kalkulací do dalších období.

Cílem těchto snah by mělo být dosažení stavu, kdy budova – inteligentní budova automaticky reaguje na měnící se podmínky jejího využívání, přičemž hlavní důraz je kladen na:

• zvýšení vnitřní pohody prostředí, mající za následek zvýšení produktivity práce;
• větší flexibilitu budovy umožňující optimální přizpůsobení např. při nákupu sjednané kapacity jednotlivých energonositelů nebo změně využití některých technických provozů, změny využití místností;
• zvýšení transparentnosti složitých technických systémů budovy, umožňující efektivnější údržbu a spolehlivější bezporuchový provoz;
• snížení spotřeby energie v budově.

3.4 JAKÉ ELEKTROSPOTŘEBIČE POUŽÍVAT – ENERGETICKÝ ŠTÍTEK SPOTŘEBIČŮ – EŠ

Stanovení podle zákona č. 406/2000 Sb. ve znění pozdějších předpisů.

• Povinnosti spojené s EŠ jsou uvedeny v § 8 zákona č. 406/2000 Sb. (provedení a obsah energetických štítků a informačních listů, metody a postupy měření, určení třídy energetické účinnosti, podrobnosti obsahu technické dokumentace stanovuje prováděcí právní předpis, vyhláška č. 319/2020 Sb.nebo přímo použitelný předpis EU – Směrnice Evropského parlamentu a rady 2009/125/ES).
• § 8a zákona č. 406/2000 Sb. (požadavky na ekodesign, náležitosti označování CE, obsah ES prohlášení o shodě, postupy posuzování shody a předpoklad shody výrobků spojených se spotřebou energie, postupy ověřování požadavků na ekodesign, poskytování informací o výrobku spojeném se spotřebou energie a jeho užívání stanoví prováděcí právní předpis vyhláška č. 319/2020 Sb. nebo přímo použitelný předpis EU – Směrnice Evropského parlamentu a rady 2009/125/ES).
• Energetické štítky se vztahují především na jednotlivá zařízení/spotřebiče spotřebovávající nějaký druh energie (EE, ZP atd.).

3.5 NASTAVENÍ, SLEDOVÁNÍ A PASPORTIZACE V BUDOVÁCH

Tab. 3.7 Nastavení, sledování a pasportizace v budovách

Využití vhodného strukturovaného dotazníku pro budovy a jejich technické systémy pro podrobné zmapování výchozího stavu.

3.6 PARAMETRY PRO BUDOVY S TÉMĚŘ NULOVOU ENERGIÍ PODLE NOVÝCH PRÁVNÍCH PŘEDPISŮ

3.6.1 NZEB (budova s téměř nulovou spotřebou energie)

Budovou s téměř nulovou spotřebou energie se rozumí podle § 2 odst. 1 písm. w) zákona č. 406/2000 Sb., ve znění pozdějších předpisů „budova s velmi nízkou energetickou náročností, jejíž spotřeba energie by měla být ve značném rozsahu pokryta z obnovitelných zdrojů“. Parametrické požadavky definuje vyhláška č. 264/2020 Sb., o energetické náročnosti budov.

Plnění požadavků se prokazuje zpracovaným průkazem energetické náročnosti budovy podle vyhlášky č. 264/2020 Sb.

Tab. 3.8 Budovy s téměř nulovou spotřebou energie (NZEB) – požadavky

Tab. 3.9 Data platnosti požadavku na budovy s téměř nulovou spotřebou energie v ČR

Povinnost navrhovat a realizovat budovy s téměř nulovou spotřebou energie – NZEB, která platí pro velké budovy vlastněné státem již od roku 2016, ale neznamená, že všechny novostavby budou muset být v pasivním standardu nebo že nebudou spotřebovávat téměř žádnou energii, případně že budou mít nulovou bilanci spotřebované a vyrobené energie.

Požadavky pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie po 1. 1. 2022, se označují NZEB 2022.

3.6.2 Zásady pro výstavbu energeticky úsporných budov:

• správná koncepční řešení stavby, orientace ke světovým stranám;
• progresivní nové a vysokoúčinné technologie TZB systémů;
• Smart Solutions (chytré řešení);
• ÚT – TČ nebo kombinace TČ/FVE, biomasa (vše s akumulačním zásobníkem);
• ÚT – v kombinaci se sálavými panely (nejrychlejší dynamické doplňkové topení); případně panely s parafínem (DuPont™ Energain®);
• radiátory s řízeným zatékáním, případně podlahové topení;
• TV s využitím OZE (kombinace TČ/FVE, termické solární systémy apod.);
• FVE pro částečné krytí vlastní spotřeby budovy (zálohované obvody);
• řízené větrání, vysoce účinné zpětné získávání tepla;
• vzduchotěsnost budovy;
• kvalitní izolace a kvalitní okna;
• konstrukce bez tepelných mostů a tepelných vazeb.

Obr. 3.3 Sedm kroků k pasivnímu domu

Obr. 3.4 Grafické znázornění průkazu energetické náročnosti budovy podle vyhlášky č. 264/2020 Sb.

Tab. 3.10 Charakteristické tepelně-energetické vlastnosti různých energetických stavebních standardů, Zdroj (Nagy, 2009, s.14)

3.6.3 Požadavek na součinitele tepelné vodivosti pro nové izolace

ČSN EN 12667 (73 05 69) Tepelné chování stavebních materiálů a výrobků – Stanovení tepelného odporu metodami chráněné topné desky a měřidla tepelného toku – Výrobky o vysokém a středním tepelném odporu a ČSN 72 7012-1 Stanovení součinitele tepelné vodivosti materiálů v ustáleném tepelném stavu. Metoda desky. Část 1: Společná ustanovení.

Tab. 3.11 Požadavek na součinitele tepelné vodivosti použitých izolací

Tab. 3.12 Normové hodnoty součinitele prostupu tepla U_N,20 jednotlivých konstrukcí podle ČSN 73 0540-2 pro referenční budovy novostaveb a pro budovy s téměř nulovou spotřebou energie

Hodnoty jsou uvedeny pro rozsah teplot pro budovy s převažující vnitřní návrhovou teplotou 18-22 °C a v jednotkách [W/(m²·K)].

Pro budovy s převažující nižší vnitřní návrhovou teplotou vycházejí hodnoty U příznivěji a musí se přepočítat podle ČSN 73 0540-2 Tepelná ochrana budov – Část 2

3.7 SEZNAMY PROVÁDĚNÝCH PROCESŮ VE SPOLEČNOSTI

Tab. 3.13 Seznamy prováděných procesů ve společnosti

Pro sběr dat a terénní práce je vhodné využití vhodných strukturovaných dotazníků pro jednotlivé mapované procesy a jejich technologické systémy pro podrobné zmapování výchozího stavu.

3.8 DOPRAVA – VOZOVÝ PARK VE SPOLEČNOSTI

V rámci sledování všech oblastí snižování energetických spotřeb ve společnostech a produkcích vytvořených emisí, se musí podle zákona č. 3/2020 Sb. (novela zákona o hospodaření energií č. 406/2000 Sb.) od 25. 1. 2020 hodnotit nově i spotřeba energie a emise z dopravy v rámci posuzovaného konkrétního energetického hospodářství. Kapitola je zaměřena na silniční dopravu (letecká, vlaková a lodní/vodní doprava je již nad rámec tohoto dokumentu), kde je zachycen i vliv dopravy na celkové emise a dokumentující evropský trend k jejich snižování.

U pozemní dopravy se hodnotí spotřebovaná roční energie přepočtená jednotně na MWh/rok a produkce emisí zejména oxid uhličitý (CO₂). Lze také hodnotit i ostatní emise typu TZL, NO_x, SO_x, PM_2,5, PM₁₀, NH₃, VOC.

3.8.1 Sběr dat, terénní práce, analýza a obsah zprávy o dopravě ve společnosti se provádí podle ČSN EN 16247-4 Energetické audity – Část 4: Doprava

V rámci veřejného sektoru (kraje, obce, příspěvková organizace státu, státní organizace založená zákonem, státní a veřejné vysoké školy apod. je hranice hodnocení (povinnost zpracovat energetický audit na své energetické hospodářství) od 500 MWh/rok. U podnikatelského sektoru je tato obecná hranice hodnocení od 5 000 MWh/rok.

Energetický specialista v rámci své činnosti musí tedy mimo jiné zmapovat vozový park dané společnosti, zjistit množství a typ nakupované pohonné hmoty ideálně v litrech za rok, podle zákona č. 406/2000 Sb., ve znění pozdějších předpisů, pak tato data vyhodnotit a zprůměrovat 2 roky po sobě jdoucí a rozhodnout, zda daný podnikatel či např. státní příspěvková organizace spadá do povinností zpracovat energetický audit.

Energetická bilance dopravy se stanovuje přes sledovanou roční spotřebu konkrétního vozidla, výhřevnost konkrétní pohonné hmoty se dopočítává k sledované spotřebě v MWh/rok a následně přepočtem přes všeobecné emisní faktory se provádí výpočet sledovaných emisí.

3.8.2 Emise a spotřeba pozemní dopravy

Hlavní emise v pozemní dopravě tvoří oxid uhličitý (CO₂), dále oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NO_x), prachové částice (PM), těkavé organické látky (VOC) a těžké kovy (např. olovo). Pozemní doprava produkuje zanedbatelné emise oxidů síry (SO_x). Největší podíl v produkci SO_x v dopravním sektoru má námořní doprava.

V aktuální environmentální politice je nejsledovanějším emisním parametrem CO₂. Produkce CO₂ je přímo úměrná množství spáleného paliva. Euro normy nestanovují limity pro emise oxidu uhličitého! Hodnoty produkovaného CO₂ jsou omezeny nařízením Evropské unie a jsou vztaženy k celé produkci automobilového koncernu, nikoliv ke konkrétnímu vozu. Emise CO₂ lze redukovat pouze snížením spotřeby paliva vozu. Při spálení 1 l paliva je vytvořeno 2,4 kg CO₂ (benzín) resp. 2,7 kg CO₂ (nafta).

Od roku 1992 byly v Evropské unii zavedeny Euro normy, které určují horní limity emisí vozidel. Euro normy jsou rozděleny do šesti kategorií, nejnovější Euro 6 byla uvedena v platnost v září 2015. Tato norma byla dále upravena aktualizacemi s podkategoriemi 6b/6c a 6d. Ke změně v hodnotách emisních limitů v rámci kategorií Euro 6 nedošlo, ovšem byl průběžně měněn systém měření emisí tak, aby více odpovídal reálnému provozu automobilů.

Pro vyhodnocení vozového parku byl vytvořen výpočetní nástroj PHMtool společnosti EnergySim s.r.o. Tento nástroj je primárně určen energetickým specialistům, pro výpočet energetické spotřeby a emisí dopravních prostředků.

Obr. 3.5 Výpočetní nástroj pro vyhodnocení vozového parku

V rámci této pasportizace je vždy zpracován seznam vozového parku ve společnosti s rozdělením na jednotlivé druhy vozidel – osobní vozidla, lehká užitková vozidla a těžká užitková vozidla (nákladní doprava), vlaková, lodní, letecká doprava:

Ze zpracované pasportizace je následně proveden SW výpočet vstupních podkladů energetického hodnocení dopravy a podkladů pro analýzu spotřeby energie v dopravě společnosti.

Tab. 3.14 Vstupy do SW výpočtu pro stanovení provozních parametrů vozového parku ve společnosti

Poznámka:
Vlaková, lodní, letecká doprava se ve společnosti neprovozuje (formou vlastnictví těchto dopravních prostředků).

Tab. 3.15 Jednotkové spotřeby energie a emise škodlivých látek

Tab. 3.16 Celkové spotřeby energie a emise škodlivých látek

Tab. 3.17 Sumární informace podle typu vozidel

Tab. 3.18 Sumární informace podle pohonné hmoty

Výpočetní nástroj má vlastní databázi spotřeb a emisí, v závislosti na typu a stáří vozů. Zároveň se nedoporučuje přebírat data z technického průkazu vozidel, jelikož nereflektují konkrétní styl jízdy ani technický stav vozidla.

Zdroj: Ing. David Staněk, EnergySim s.r.o.

Majitel společnosti takovouto podrobnou pasportizací může získat informaci, zda se na něj vztahuje povinnost zpracování energetického auditu, ale zároveň také kolik energie, emisí a peněz ušetří, vymění-li podnikový vozový park za novější, případně zkombinuje s nákupem nových elektromobilů. Z těchto údajů lze provést kvalifikovaný výpočet potenciálu úspory u vlastního vozového parku.

Tab. 3.19 Možná úsporná opatření v sekci doprava

Přehled jízd/sledování vozidel pomocí GPS – jedná se o opatření umožňující reálnou optimalizaci provozu autoparku a hlídání mimopracovních jízd (zde je nutné o této skutečnosti uvědomit řidiče tak, aby nemohlo docházet k nepřípustnému sledování jeho pohybu, zejména pokud má povoleno auto používat i k osobním účelům).

GPS-navigace také slouží k optimalizaci jednotlivých tras. Výhodou GPS monitoringu vozidel je i sledování vozidla při jeho odcizení. Orientační měrné náklady: 1 600-4 500 Kč/GPS lokátor.

3.9 ELEKTROMOBILITA A AUTA S PALIVOVÝM ČLÁNKEM

Novým trendem je postupná elektromobilita. Ta sice má nulové lokální emise (v místě svého provozu tyto mobilní prostředky nezanechávají emise), ale pro korektní vyhodnocení je nutné počítat s globálními emisemi, které v současném energetickém mixu České republiky nejsou vůbec příznivé. To, že se elektrická energie vyrobí v jiné lokalitě (převážně v dnešní době v uhelné nebo atomové elektrárně) nedělá z elektromobilu bezemisní vozidlo!

Pro korektnost ještě informace ohledně výroby (vysoce energeticky nákladná strojní těžba a zpracování vzácných kovů) a nákladná likvidace elektrobaterií: tyto výrobní procesy jsou vysoce neekologické!

Vyhláška č. 140/2021 Sb., o energetickém auditu, stanovuje hodnoty emisí CO₂. Hodnota současného všeobecného emisního faktoru CO₂ pro elektrickou energii je 860 kg/MWh. Je stanovena na základě energetického mixu ČR (při započtení všech instalovaných OZE je hodnota již mírně zkreslená a jako reálnější se jeví hodnota okolo 450 kg/MWh). Produkce CO₂ z elektromobilu by v tomto přepočtu byla oproti spalovacím motorům zhruba poloviční. Při současném energetickém mixu v ČR a současných platných emisních faktorech ČR není plná elektromobilita vhodné opatření z hlediska úspory emisí CO₂. Z environmentálního hlediska je vhodná náhrada starších dieselových automobilů za automobily hybridní.

Je pravděpodobné, že dojde k změně všeobecného emisního faktoru na EE a elektromobilita se stane vhodným opatřením i z tohoto hlediska. Její současnou nevýhodou je malý akční rádius elektromobilů. Elektroautomobil obvykle na jedno nabití ujede cca 150 až 480 km, a potom je nutné jej dobít (pozor – dojezdové vzdálenosti platí pro optimalizovanou jízdu, optimalizovanou rychlost, bez letního užití klimatizace, větrání, bez zimního topení, elektrického vyhřívání sedaček a volantů apod. – tyto spotřeby velice výrazně snižují skutečný dojezd). Nabíjení automobilu je poměrně zdlouhavé (s tímto prodlouženým časem je třeba počítat i při časech na plánování trasy, včetně naplánování kapacitně vhodných dobíjecích stanic) a v současné době je omezen i počet automobilů, které lze nabíjet současně (orientační příklad – akumulátor automobilu, který má kapacitu 50 kWh, musíme dobíjet při napětí 230 V proudem 200 A, abychom nabili akumulátor z 0 % na 100 %, trvá přibližně hodinu). Spotřeby EE se pohybují při kombinované jízdě v rozmezí 15-32 kWh/100 km.

Pro všeobecné porovnání elektromobilů se spalovacími motory je důležité upozornit, že spotřeba elektromotorů je daleko více ovlivněna stylem jízdy než spotřeba u spalovacích motorů. Např. při rychlosti 130 km/h je spotřeba cca 2krát vyšší než při optimální rychlosti okolo 50 km/h. Dále je spotřeba výrazně ovlivněna aktivitou topení, jelikož elektromobily, na rozdíl od klasických spalovacích vozů, nemohou využívat odpadní teplo z motoru. Spotřeba se zapnutým topením bude vyšší o desítky %. Není tedy dobré spoléhat se pouze na výrobcem udávané hodnoty spotřeby elektrické energie, ale brát v úvahu i reálný provoz.

Potenciál ke snížení spotřeby energie a redukci emisí CO₂ je při výměně vozů za nové velmi omezen. Snížení ostatních emisí, obzvláště oxidů dusíku a pevných částic, je možný v řádu desítek %. Z globálního pohledu spaluje elektromobil uhlí, jelikož je výroba elektrické energie z cca 57 % v ČR stále z uhlí.

Pořízení nových elektromobilů je z hlediska snížení spotřeby energie možné řešení. Emise CO₂ však při současném nastavení všeobecného emisního faktoru 860 kg/MWh se naopak navýší!!!

Je zarážející, že EE, určená pro elektromobilitu, je považována za „ekologickou“ a tatáž energie, když se použije pro vytápění, je považována za „špinavou“ a je klasifikovaná hůře než uhlí (např. EE je 2,44krát horší než hnědé uhlí tříděné podle stanoveného aktuálního emisního faktoru primární neobnovitelné energie pro elektřinu využitou v budově).

U elektromobility je nutné vzít v úvahu současné vysoké náklady na pořízení elektrických vozidel, jejich technická omezení a nedostatečnou technickou infrastrukturu pro elektromobily. Z těchto důvodů není 100% náhrada současných vozových parků za elektromobily vhodná.

Poznámka:
Automobilka Volkswagen Group v roce 2018 prodala 10,8 mil. vozů, což představuje historicky nejlepší výsledek této automobilové skupiny, do níž patří i Škoda Auto. Ovšem pouhých 55 tisíc (0,5 %) z tohoto velkého počtu bylo elektromobilů (důvod? – vysoká pořizovací vstupní cena a zcela nedostatečná infrastruktura na dobíjení elektromobilů!).

Tab. 3.20 Průměrné ceny klasických PHM v Kč/litr a alternativních paliv do 10/2021

Auta na vodík H₂ s palivovým článkem

Provoz na H₂ není v současné době v ČR možný, protože není vybudovaná síť plnících stanic. Vodík má navíc velkou nevýhodu, že je nutné jej uchovávat ve stlačeném stavu. Spalné teplo H₂ je 141,9 MJ/kg = 39,444 kWh/kg (12,760 MJ/m³ při 20 °C).

Jediné vhodné uplatnění do budoucna je spíše pro těžší vozidla s velkým nájezdem km (nákladní doprava, autobusy, vlaková doprava, tramvajová doprava, lodní doprava, ale i záložní zdroje nemocnic apod.).

Vodíkové palivové články mívají garantovanou životnost 20 000 hodin. Což je např. pro autobusovou dopravu málo, musí být provedena repase palivového článku v polovině životnosti vozidla.

Palivový článek z 1 kg H₂ při jeho 50% účinnosti vyrobí 20 kWh energie. Ovšem na stlačení kilogramu vodíku na 700 atmosfér je potřeba celých 6 kWh energie, což je poměrně hodně ztracené energie.

Tab. 3.21 Parametry současných/budoucích automobilů

Tab. 3.22 Nové emisní limity pro automobily v EU

3.10 SESTAVENÍ ROČNÍ ENERGETICKÉ BILANCE SPOLEČNOSTI

3.10.1 Energetické vstupy

Ucelené energetické hospodářství (UEH)

(možný příklad sestavení energetické bilance podle vyhlášky č. 140/2021 Sb., o energetickém auditu)

Tab. 3.23 Soupis základních údajů o energetických vstupech v MWh – energetický výpočet včetně nákladů bez DPH – průměr za poslední 2 (3) roky

Poznámky:
¹⁾ Obnovitelnými a druhotnými zdroji energie jsou považovány zdroje definované podle jiného právního předpisu.
²⁾ Bilance energetických vstupů je zpracována pro výchozí stav energetické náročnosti energetického hospodářství nebo ucelené části za období 12 po sobě jdoucích kalendářních měsíců. V případě pevných, kapalných a plynných paliv se použije výhřevnost udávaná jejich dodavatelem při obchodním styku.
³⁾ Údaje jsou výstupem z analýzy užití energie. Energie, která je exportována mimo hodnocené hranice (např. export elektřiny, tepla nebo chladu), je považována za poskytování služby a je zařazena do oblasti výrobního procesu.

Obr. 3.6 Procentuální rozložení [MWh/rok]

Obr. 3.7 Procentuální rozložení [tis. Kč/rok]

Vyhodnocení:
Z uvedeného přehledu energetického provozu je jednoznačně dominantní EE, která tvoří 67 %. Proto zaměření na hledání maximálního potenciálu úspor z hlediska nákladů jsou úspory na elektrospotřebičích.

Náklady na tepelnou energii vyráběnou v plynové kotelně tvoří jen 23 %.

Doprava tvoří 10 % z celkových finančních nákladů společnosti, takže není z hlediska potenciálu hledaných úspor tak významná.

3.10.2 Ukázka analýzy dominantního nakupovaného energonositele

Tab. 3.24 Přehled skutečné spotřeby EE v letech 2017 až 2019 (údaje o stávajících spotřebách za ucelené kalendářní roky)

Poznámka:
Ceny EE jsou za odebrané množství v MWh bez DPH včetně všech paušálních poplatků za výkon (velikosti jističů před elektroměrem, měsíční rezervované kapacity apod.).

Tab. 3.25 Analýza a podrobný přehled skutečné spotřeby EE po jednotlivých měsících

Tab. 3.26 Analýza vlastních skutečných spotřeb EE 2019

Z uvedeného přehledu vyplývá vyrovnaný odběr v jednotlivých měsících (výjimku tvoří vánoční období).

Obr. 3.8 Grafický přehled skutečných ročních spotřeb EE

3.10.3 Souhrn příležitostí pro snížení energetické náročnosti¹

Ucelené energetické hospodářství (UEH)

Tab. 3.27 Souhrnná bilance možností  snížení energetické náročnosti

Tab. 3.28 Vyhodnocenímožností snížení energetické náročnosti

Poznámka:
Tabulky jsou zpracovány vždy souhrnně pro celé energetické hospodářství. V případě, že je zpracovávána pouze na ucelenou část tohoto energetického hospodářství, jsou tabulky zpracovány pro tuto ucelenou část.
Celkové přínosy navržených možností jsou zkalkulovány tak, aby byly zohledněny možné synergické vlivy. Jedná se o maximální, technicky dosažitelný potenciál úspor souborem příležitostí.
Minimální úroveň snížení emisí a minimální úroveň úspory energie je stanovena v § 9 vyhlášky č. 140/2021 Sb., o energetickém auditu, na 10 %.

3.11 MOŽNOSTI ALERNATIVNÍHO FINANCOVÁNÍ MODERNIZACÍ TZB SYSTÉMŮ (SLUŽBY EPC, SLUŽBY EC, SPOLEČNOSTI ESCO)

EPC – Energetické služby se zárukou (Energy Performance Contracting) je komplexní služba zahrnující návrh, přípravu, zajištění financování a realizaci opatření převážně investiční a organizační povahy, které zajistí snížení provozních nákladů zákazníka zejména obecně na výrobu, distribuci a užití energie. Ušetřené provozní náklady slouží ke splácení investice, přičemž potřebné snížení nákladů je zákazníkovi smluvně garantováno. Tato metoda je možná doporučit jen pro navrhovaná opatření technického a organizačního charakteru s prostou dobou návratnosti T_s, která nepřekročí polovinu stanovené doby odpisu (z účetního hlediska příslušného hmotného majetku).

Metodou PEC se realizují energeticky úsporná opatření (na objektech, technologiích, otopných soustavách včetně tepelných zdrojů apod.) s výsledným efektem snížení spotřeby energie i dalších provozních nákladů.

Základní doporučené podmínky pro realizaci EPC podle metodiky:

T_s – prostá doba návratnosti souboru opatření zahrnutých do projektu EPC je rovna nebo nižší než 8 let.

CF – roční úspora dosažená aplikací souboru opatření zahrnutých do projektu EPC je minimálně 500 tis. Kč s DPH/rok, nebo pokud roční náklady na energie budovy před realizací projektu jsou vyšší než 2 mil. Kč s DPH/rok.

Roční úspora celkové energie dosažená aplikací souboru opatření zahrnutých do projektu EPC je rovna nebo větší než 15 % z potenciálu úspor po provedení všech energeticky úsporných opatření.

Pro doporučení realizace metody EPC by měly být všechny podmínky splněny současně.

EC – Energetický kontrakting (Energy Contracting) je dodávka energie se zárukou ceny, na klíč a bez investic zákazníka. EC je komplexní služba zaměřující se na opatření v modernizaci rozvodů a modernizaci zdrojů energie s výsledným zvýšením účinnosti výroby a rozvodu energie, nikoliv při její spotřebě a společnost těchto energetických služeb smlouvou zaručuje svým zákazníkům dodávky energie za smluvně sjednanou cenu energií.

ESCO – podstatou energetických služeb se zárukou je poskytnutí záruky za služby, které smluvní partner, společnost energetických služeb (ESCO – Energy Service Company) zákazníkovi zajišťuje.

Energetické služby, které zákazník firmě ESCO splácí, představují:

• návrh opatření řešící požadavky zákazníka na zajištění dodávek energie (tepla) do staveb;
• financování celého projektu;
• výstavbu „na klíč“ a zprovoznění zařízení;
• údržbu a provoz zařízení po dobu splácení projektu (tj. trvání smlouvy o energetických službách);
• dodávku energie (tepla) v souladu se smlouvou o dodávkách energie (tepla).

Garance obou stran jsou důležitou podmínku úspěchu

• Zákazník garantuje, že po dobu trvání smlouvy bude uvažovat se stejným rozsahem provozu (tj. odběrem minimálního množství energie (tepla) jako „před projektem“.
• ESCO garantuje, že bude dodávat energii (teplo) v množství a za cenu, která bude stanovena ve smlouvě s tím, že je znám princip dlouhodobého stanovování ceny dodávané energie (tepla).

4 NÁVRH NOVÝCH TECHNICKÝCH ŘEŠENÍ V NOVOSTAVBÁCH A V MODERNIZOVANÝCH BUDOVÁCH

Po provedení analýzy stávajícího stavu energetického hospodářství a aktuálních spotřeb nakupovaných energonositelů a jejich nákupních cen jsou navrhovány možné nové koncepce pro energetiku budov a jejich systémy TZB.

4.1 MODELOVÉ MOŽNOSTI PŘI REALIZACÍCH ZDROJOVÝCH A TZB SYSTÉMŮ A JEJICH PŘEDPOKLÁDANÉ INVESTICE

Hlavní zásady pro výběr tepelného zdroje/tepelného čerpadla:

• 1) stanovení správného technického a koncepčního řešení,
• 2) zpracovaní kvalitní projektové dokumentace,
• 3) výběr spolehlivého dodavatele a stavebního dozoru,
• 4) převzetí dokončené instalace,
• 5) optimalizace provozních režimů a přesné nastavení regulace.

ad 1) Toto je zásadní bod při volbě zdroje pro vytápění. Mezi tepelnými čerpadly s elektrickým kompresorem jsou velké rozdíly. Například systém vzduch/voda s radiátory na teplotním spádu 90 °C /70 °C má až o 50 % vyšší spotřebu elektřiny než systém země/voda s podlahovým topením.

ad 2) Kvalitní projekt je velmi důležitý. Systémy instalované bez projektu bývají preventivně předimenzované, a tudíž i zbytečně dražší. Předimenzovaný systém se špatně reguluje a některé komponenty (např. kompresor) pak může mít zkrácenou životnost.

ad 3) Tepelný zdroj je v TZB systémech velmi důležitá investice. Proto nutno vybírat podle kvality a zkušeností dodavatele a ne jen podle nejnižší ceny. Bezpečná volba je specializovaná dodavatelská společnost (s dostatečnými referencemi v historii), nikoliv běžné topenářské firmy nebo stavební firmy. Prověřte si, zda je v cenové nabídce kompletní montáž, elektroinstalace, systémy měření a regulace (MaR) a zda jsou povinné nějaké periodické/roční revize a prohlídky. Prověřte si místní prohlídkou a pohovorem s uživatelem alespoň jednu referenční stavbu vybraného dodavatele. Zjistěte si (v případě zdroje TČ), zda má tepelné čerpadlo Evropskou značku kvality Q. Kriticky zhodnoťte slibované záruky a schopnost společnosti slíbeným závazkům dostát. Zajistěte si kvalifikovaný a na dodavatelské společnosti nezávislý stavební dozor.

ad 4) Zjistěte si, kdo bude u vašeho topného zdroje provádět záruční a pozáruční servis.

ad 5) Vyzkoušejte si při převzetí způsob ovládání zdroje a systému regulace (ať jí pak energetik nemusí později nastavovat pracně podle manuálu). Zajistěte si při převzetí přímé kontakty na servis a uložte si je. Topnou křivku a teplotu vody v zásobníku (pokud je instalován) nastavte spíše níže a postupně je po malých krocích zvyšujte, pokud to bude potřebné. U novostaveb se v prvním roce chová dům odlišně než v dalších letech. Důvodem je vyšší vlhkost ve stavebních konstrukcích. Věnujte se proto správnému nastavení regulace i v druhé topné sezóně.

4.1.1 Instalace tepelných čerpadel TČ/ETČ – s kompresorem poháněný EE, možnosti systémů ústředního topení (ÚT) s těmito TČ

Obecně platí, že náklady na tepelné čerpadlo, instalované v rámci modernizace topného systému do již velice dobře zateplené stavby, mají delší dobu návratnosti než náklady na instalaci TČ do stavby špatně nebo průměrně zaizolované. V případě nedostatečně izolované obálky budovy, kdy se neuvažuje s revitalizací (zateplení, výměna oken), je instalace TČ vhodná a realizace má poměrně dobrou návratnost (v závislosti na ceně nakupovaných energonositelů).

Tepelná čerpadla vzduch/voda

Tepelná čerpadla vzduch/voda se dodávají na trh v provedení Kompakt nebo Split. Kompaktní jednotky mají v jednom boxu kompresor, kondenzátor i výparník. Splitové jednotky mají kompresorovou část v jednom boxu, výparník s ventilátorem je v samostatném opláštění.

V případě volby tepelného čerpadla vzduch/voda je třeba při výběru výrobce sledovat parametry při extrémních venkovních teplotách a hodnoty hluku. V průběhu roku se teplota venkovního vzduchu mění podle místa instalace v České republice od -25 °C až do 37 °C. Při volbě TČ je tedy velice důležité si ověřit, zda bude schopné pracovat při těchto venkovních teplotách vzduchu (pokud tedy není uvažováno se 100% dodatkovým zdrojem).

U kvalitně vyrobených zařízení není kompresor prakticky slyšet a ventilátory jsou také velmi tiché, nebývá u nich proto problém splnit požadované hlukové limity. Nevýhodou TČ vzduch/voda je, že výrazně reagují na změnu okamžité venkovní teploty změnou své účinnosti, a tím se mění i topný faktor.

Tepelná čerpadla země/voda

Tepelná čerpadla země/voda odebírají teplo nejčastěji ze svislých zemních vrtů nebo horizontálních výměníků. Podmínkou dlouhodobě dobře fungujícího zařízení je vhodně nadimenzovaný vrt nebo horizontální kolektor. Pokud není hloubka vrtu dostatečná, nepředá zemní výměník potřebné teplo a snižuje se teplota nemrznoucí směsi vstupující do tepelného čerpadla. Naopak předimenzování vrtu zvyšuje počáteční investici.

U těchto TČ je nutné provést kvalifikovaný návrh primární strany. Délky aktivní částizemních vrtů se počítají podle specifického výkonu odběru zemního tepla pro různé typy podloží. Empirické hodnoty dimenzování podzemních výměníků v různých horninových podmínkách jsou dostupné na webu Asociace pro využití tepelných čerpadel.

Výhodou TČ země/voda je poměrně stabilní teplota primárního okruhu. Tím je celoročně stabilní i topný faktor (změna teploty primárního okruhu o 1 °C, zvýší topný faktor o cca 2,5 %). Čím chladnější lokalita (nebo zimní vytápěcí sezóna), tím je rozdíl v provozních nákladech vzduchových TČ a zemních tepelných čerpadel vyšší.

Tepelná čerpadla voda/voda

Tepelná čerpadla voda/voda – se pro obnovy vytápěcích systémů obvykle navrhují velice zřídka (není převážně zajištěno dostatečné množství vody).

Výhodou TČ oproti přímotopnému vytápění přímou elektřinou je 2,5 až 4násobně nižší spotřeba elektrické energie. Velikost úspory nasazením TČ závisí na sezónním topném faktoru (SPF), který se liší podle typu primárního zdroje (země, vzduch a voda) a také podle druhu otopné soustavy (radiátory, konvektory, podlahové a stěnové vytápění). Dosahované hodnoty tohoto SPF jsou 2,5 až 4,5.

Instalace TČ do stávajících budov, kde je instalováno pouze elektrické přímotopné vytápění (tedy nejsou provedeny vodní rozvody ÚT), je poměrně nevhodná, jelikož obnáší kompletní investici do nových rozvodů ÚT a velice komplikovaný zásah do budovy. Proto u budov, kde je instalováno pouze elektrické přímotopné vytápění (a nechystá se kompletní přestavba budovy), se přechod a instalace na TČ nedoporučuje.

Pokud má investice do TČ dosahovat vyšších úspor, je nutné pořídit kvalitní tepelné čerpadlo a mnohdy ještě důležitější je dobře zpracovaný projekt.

Kvalitní tepelné čerpadlo může nevhodným zapojením a regulací dosahovat namísto například SPF = 3,5 hodnoty SPF = 2,5. Obliba TČ roste i díky pokročilým adaptivním regulacím.

TČ se doporučuje použít se speciálními celohermetickými kompresory, ve spojení s nízkoteplotními, ekologicky nezávadnými chladivy. Dále je vhodné TČ osadit číselným počítačem provozních hodin, např. ETS 429 S1L, společnosti ELVIS.

V poslední době je výhodná kombinace frekvenčně řízeného TČ s vhodně dimenzovaným fotovoltaickým systémem.

Dimenzování TČ

Pro koncepci nového zdroje je zásadní kvalifikovaný návrh dimenze TČ. Z hlediska ekonomie je kvalifikované nadimenzování TČ mnohokrát citlivější než navržení jiných zdrojů pro vytápění a přípravu TV!

Přesné dimenzování TČ znamená významnou úsporu při vstupní investici do zdroje a také úsporu v budoucích provozních nákladech!

U všech návrhů TČ je zásadní vhodně zvolit bod bivalence. Důležité pro ekonomiku provozu TČ je druh zdroje bivalence a jeho energonositel.

Bivalence – označení pro provoz TČ s přídavným, obvykle elektrickým zdrojem tepla v době, kdy jeho výkon nestačí pro pokrytí potřeby tepla. Opakem je monovalence, při níž TČ pokrývá celou potřebu tepla – otopná soustava nevyžaduje žádné další zdroje tepla.

Bod bivalence – venkovní teplota, při níž se vyrovnají tepelné ztráty budovy a výkon TČ.

Paralelně bivalentní provoz – TČ pokrývá celou potřebu tepla do bodu bivalence, předem stanovené teploty venkovního vzduchu. Poklesne-li teplota pod tuto hodnotu, připne další instalovaný tepelný zdroj. Vhodný provoz pro vytápění s teplotou topné vody do max. 65°.

Obr. 4.1 TBb (teplota bivalence)

Legenda: DZ – příkon dodatečného zdroje, B_B – bod bivalence

Dalšími bivalentními režimy u TČ jsou alternativně bivalentní provoz a částečně paralelně bivalentní provoz.

Dimenzování TČ se provádí podle ČSN EN 15 450 – Navrhování otopných soustav s tepelnými čerpadly. TČ vzduch/voda se obvykle dimenzují včetně přípravy TV na 80 %–95 % pokrytí potřeby tepla (zbytek je řešen bivalentním zdrojem). Ostatní systémy TČ se obvykle dimenzují včetně přípravy TV v rozmezí 60 %–80 %.

Obr. 4.2 Ukázka bodu bivalence u TČ země/voda

Zdroj: www.projektuj-tepelna-cerpadla.cz

Při návrzích je nutné zvážit, zda volit TČ s řízením výkonu (obvyklé rozsahy jsou od 15 % do 100 %) nebo TČ systému ON/OFF, tedy bez regulace kompresoru.

Při systému TČ s řízením výkonu většinou není potřebný akumulátor topné vody a systém je vhodný i pro kombinaci s fotovoltaickými panely.

Optimální provozní režim TČ je vhodné směřovat do období s nejvyšší spotřebou tepla.

Pokud je TČ předimenzované, pak se podstatně zkracuje jeho životnost a zvýší se spotřeba elektrické energie, zhoršuje se topný faktor (může nastat přetápění budovy).

Příprava teplé vody tepelným čerpadlem

Potřebný výkon TČ je nutné zohlednit i vzhledem k počtu osob, a tím i potřebu tepla pro přípravu TV (v zateplených novostavbách tvoří i více než 50 % celkové spotřeby tepla).

Běžný rodinný dům potřebuje pro přípravu TV navíc 0,75 až 1 kW výkonu.

Na 1 osobu se v rodinném domě obvykle počítá 0,25 kW potřebného výkonu TČ.

U větších staveb a systémů přípravy TV s TČ se provádí podrobnější výpočet na základě předpokládaného nebo skutečného odběrového diagramu spotřeby TV.

Důležité je i zohlednění současnosti provozu vytápění a příprava teplé vody.

Tab. 4.1 Základní druhy TČ

Obecně platí, že TČ vzduch/voda mají o cca 25-35 % vyšší provozní náklady než TČ země/voda a TČ země/voda frekvenčně řízená jsou úspornější cca o 5 až 10 % ve srovnání s TČ se spínáním ON/OFF.

Pokud je topný systém plánovaný jako podlahový – TČ pracuje v optimálním provozním režimu a s nejvyšším topným faktorem (SCOP/SPF – sezónní koeficient výkonnosti, Seasonal Performance Factor – ČSN EN 14511-1)

Při pohledu na budoucí provozní náklady je výhodné volit jako hlavní zdroj ÚT a TV kvalitní TČ (zejména tam, kde se uvažuje realizovat, nebo obnovit podlahové vytápění).

Podlahové vytápění se nejčastěji realizuje jako teplovodní s nízkou teplotou náběhové topné vody. Jako hlavní výhodu lze uvést velice úsporný provoz. Velkou výhodou teplovodního podlahového vytápění je nízká teplota otopné vody. Rozvody pro podlahové topení se navrhují na 35 °C. Díky tomu jsou podlahové topné systémy vhodné pro využití spolu s TČ nebo s kondenzačním plynovým kotlem.

Rozvody pro stěnové radiátorové topení (podkroví řešených budov) se navrhují na 55 °C.

Životnost TČ země/voda se pohybuje v rozmezí 15 až 20 let (při provozních hodinách 30 tisíc až 40 tisíc). Životnost TČ vzduch/voda se je řádově 15 let.

Obr. 4.3 Porovnání měrných investičních nákladů pro různé typy zdrojů

Tab. 4.2 Porovnání investičních nákladů pro RD s hodinovou potřebou tepla 10 kW

Zdroj: www.projektuj-tepelná-cerpadla.cz, aktualizovaná tabulka

Tab. 4.3 Měrné výdaje u realizací elektrických tepelných čerpadel

* Konkrétní měrné náklady jsou závislé na použité technologii TČ (vzduch/voda, země/voda, vrt/voda), způsobu umístění, instalace, způsobu regulace a pro konkrétní pracovní podmínky.

Energetická třída a energetická účinnost TČ

Energetická účinnost ηs:

• ηs = SCOP korigované o vliv regulace se zahrnutým koeficientem využití primární energie;
• zahrnuje všechny provozní režimy během roku;
• je povinně zveřejněna u všech TČ.

Rozdíly v účinnosti:

• nejúčinnější TČ mají hodnoty ηs nad 200 %;
• nejhorší kolem 100 % (chladicí jednotky vzduch/voda vyšších výkonů s funkcí tepelného čerpadla).

Obr. 4.4 Sezónní energetická účinnost vytápění

Nízkoteplotní = nedosahuje výstupní teploty topné vody min 52 °C při -7 °C.
Zdroj: www.projektuj-tepelná-cerpadla.cz

Jak hodnotit spotřebu elektrické energie TČ

• topný faktor COP – v praxi nepoužitelné, hodnota je ovlivněna různými otáčkami kompresoru, nejsou zohledněny spotřeby ostatních pomocných zařízení;
• průměrný roční topný faktor SCOP – ideální, ale většina výrobců/dodavatelů ho nezveřejňuje.

Sazba pro provoz tepelných čerpadel

Pro provoz TČ je vhodné zřídit samostatnou dvoutarifovou sazbu určenou pro systém vytápění s tepelným čerpadlem a operativním řízením doby platnosti nízkého tarifu po dobu 20 hodin. Podmínky pro provozování této sazby jsou dostupné u příslušného distributora EE.

Problematika hluku a tepelných čerpadel

Při kolaudaci realizace s TČ by mělo být doloženo měření hlučnosti – přesněji „hladiny akustického tlaku – A“ akreditovanou společností. Hygienické limity jsou uvedeny v Nařízení vlády č. 272/2011 Sb. o ochraně zdraví před nepříznivými účinky hluku a vibrací, ve znění pozdějších předpisů (celá problematika je dána zákonem č. 258/2000 Sb., o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů, ve znění pozdějších předpisů). Proto je v projektové fázi konkrétní instalace TČ vhodné provést tzv. studii hladiny akustického tlaku pro konkrétní návrh a umístění TČ.

Hygienické limity jsou v současnosti:

• 50 dB(A) ve dne a 40 dB(A) v noci pro RD;
• 40 dB(A) ve dne a 30 dB(A) v noci pro BD.

Důležité parametry při návrzích konkrétních TČ:

• Vyžádat si energetický štítek navrhovaného TČ!!!
• Prověřit, zda má tepelné čerpadlo Evropskou značku kvality Q.

Další důležité parametry:

• Hladina akustického tlaku – A (definování v určitém místě v prostoru, např. 1 m od instalovaného TČ) – výsledná hodnota je uváděna v dB(A).
• Hladina akustického výkonu (jde o vlastnost zdroje hluku, u TČ – definovanými otáčkami ventilátoru, průtokem, dopravním tlakem apod.) – výsledná hodnota je uváděna v dB(A).
  Nestačí sdělení výrobce, že hlučnost TČ je 50 dB(A) (pozor je to logaritmická stupnice!!!, např. zvýšení výkonu instalace TČ o 100 % – instalovány 2 ks, TČ v kaskádě znamená zvýšení akustického tlaku o 3 dB).

4.1.2 Chlazení tepelnými čerpadly – free-cooling

Přichlazování topnou soustavou je v dnešní době čím dál žádanější. Jeden systém snižuje investici, protože dokáže chladit, vytápět a případně i ohřívat teplou vodu. Chlazení tepelnými čerpadly bez zdravotních rizik a bez nepříjemného průvanu jako od klasických chladicích systémů.

V letním období lze TČ při celoplošném podlahovém, stropním či stěnovém kapalinovém vytápění (částečně i při radiátorových rozvodech do cca 18 °C) využít jako chlazení – reverzní chod. Budovu můžete příjemně ochladit bez hluku a průvanu od klimatizačních jednotek (ušetří se investice v budoucnu za klima jednotky, jejich údržby, pravidelné servisy, čištění a realizace odvodů kondenzátu).

U tohoto systému se není potřeba bát studených nohou, protože při chlazení podlahou má podlaha teplotu od 20 °C do 24 °C. Zdrojem chladu může být TČ vzduch/voda, nebo pokud použijete systém země/voda s vrtem, lze získávat chlad přímo ze země, aniž by TČ muselo zapnout kompresor, zapínají se pouze oběhová čerpadla do podlahového topení – tzv. free-cooling (volné chlazení). Zároveň se tímto systémem provozu TČ regenerují – ohřívají vrty pro budoucí zimní sezónu.

Free-cooling (volné/pasivní chlazení) – tato technologie využívá nízkých venkovních teplot pro výrobu chladu (chladicí vody) bez nutnosti používat kompresorové chlazení. Provoz free-coolingových jednotek je z energetického hlediska velice nenáročný, protože při tomto druhu chlazení jsou poháněny EE pouze ventilátory, které nasávají vzduch skrz lamelový výměník s nemrznoucí kapalinou, která své teplo odevzdává do vzduchu, a tím se ochlazuje, přičemž elektrický příkon ventilátorů bývá v porovnání s příkonem kompresorů pouze desetinový.

Výhody pasivního chlazení:

• při provozu TČ v režimu chlazení neběží kompresor;
• v režimu chlazení odpadá problém s hlučností a chladným prouděním, nevysušuje se vzduch;
• pouze jedna soustava pro předávání tepla a chladu;
• zlepší se celoroční COP (nižší provozní náklady).

Nevýhody pasivního chlazení:

• není možné dosáhnout nízkých teplot jako u aktivního chlazení ;
• pro potřebu chlazení jsou nutné poměrně velké přestupní plochy (zpravidla neodvede celou tepelnou zátěž);
• TČ musí být dovybaveno výměníkem pro pasivní chlazení a přepínacím 3-cestným ventilem (topení na chlazení);
• pro výkonnější systém pasivního chlazení je nutnost realizace vrtů.

4.1.3 Instalace plynových tepelných čerpadel (PTČ)

GAHP – Gas-engine Heat Pump – označení pro plynové absorpční tepelné čerpadlo.

PTČ je výjimečným řešením potřeb vytápění s vysokou přidanou hodnotou, protože odpovídá jak nejnovějším současným, tak budoucím požadavkům na energetickou účinnost při racionálním využití přírodních zdrojů a obnovitelné energie z nich.

Je všestranně vhodným řešením pro modernizaci nebo zefektivnění stávajícího vytápění budov, a to díky možnosti integrace do tradičního vytápěcího systému s ohřevem vody na vyšší teploty (radiátory). Je nejvhodnějším řešením pro novostavby, kde je plánovaný nízkoteplotní systém podlahového vytápění nebo ventilátorové konvektory (fancoily).

Funguje jednoduše převážně na zemní plyn stejně jako kotel, avšak poskytuje mnohem více. Je to tepelné čerpadlo o vysoké účinnosti, které využívá jako zdroj obnovitelnou energii z okolního vzduchu, který je stále k dispozici. Plynová tepelná čerpadla se vyznačují levnějším provozem v porovnání s elektrickými tepelnými čerpadly, ale mají nižší topný faktor (COP).

Je kompaktní řešení vše v jednom, které zásadně zjednodušuje instalaci respektováním všech technických norem. Při instalaci není nutné žádné složité sladění se stávajícím zdrojem, jako je tomu například při instalaci solárních systémů. Pouze malé množství mechanických komponentů vyžaduje pouze minimální údržbu. Na zařízení se nevztahují požadavky právních předpisů týkající se F-plynů, protože používá přírodní chladivo, které nemá vliv na globální oteplování či poškozování ozónové vrstvy.

Díky využití „odpadního“ tepla motoru a spalin se zvyšuje celková účinnost tohoto typu topení. Z ekologického hlediska hraje podstatnou roli rovněž využití zemního plynu nebo LPG, tedy paliv charakteristických velmi nízkými emisemi. Výsledkem je tak mnohem nižší elektrická zátěž vytápěných, případně chlazených budov. Z hlediska celkové úspory spotřebované a získané energie je důležitým parametrem takzvaný topný faktor tepelného čerpadla, přičemž jeho vyšší hodnota značí efektivnější a úspornější vytápění. Při provozu tepelného čerpadla je teplo uvolňováno nejen z chladicího okruhu sestávajícího z plynového motoru a kompresoru, ale také ze spalin, takže dochází k efektivnímu využití takzvaného „odpadního“ tepla, případně chladu.

Plynové absorpční tepelné čerpadlo využívá teplo okolí pro vytápění a přípravu teplé vody. Ve srovnání s kompresorovými tepelnými čerpadly má výrazně nižší topný faktor. Pro vlastní pohon nevyužívá elektřinu, ale zpravidla zemní plyn. Jmenovitý topný faktor se pohybuje obvykle okolo 1,6 až 1,7, průměrný sezónní topný faktor (za celou topnou sezónu) se pohybuje na hodnotě 1,2. To znamená, že plynové absorpční tepelné čerpadlo dodá o 20 % více tepelné energie, než kolik spálí zemního plynu.

Částečnou výhodou plynového absorpčního tepelného čerpadla je fakt, že není považován za kotel, tedy stacionární zdroj emisí, a tímto se na něj nevztahují povinné zákonné kontroly a posouzení, jako na plynové kotle.

Běžné návratnosti bez dotací se pohybují od 20 do 40 let.

Návratnost závisí především na době využití tepelného čerpadla, na teplotách výstupní vody z tepelného čerpadla (čím vyšší teplota vody, tím nižší topný faktor, tím delší životnost).

Na plynová absorpční tepelná čerpadla (jedná se o alternativní zdroj energie) lze využít dotační tituly pro instalaci OZE.

Obr. 4.5 Porovnání jednotlivých sezónních účinností plynových kotlů, plynového tepelného čerpadla, plynového absorpčního čerpadla a elektrického tepelného čerpadla

Možné typy pro doplnění stávajících vytápěcích systémů

Plynové tepelné čerpadlo K 18 systému vzduch/voda o výkonu 18,9 kW a příkonu hořáku 11,2 kW využívá zemní plyn a energii ze vzduchu pro vytápění a ohřev teplé vody.

Plynové tepelné čerpadlo GAHP-A INDOOR systému vzduch/voda o výkonu 38,3 kW. Účinnost spalování (%): 151 % (pracovní podmínky A7/W50) využívá zemní plyn a energii ze vzduchu pro vytápění a ohřev teplé vody. Spotřeba plynu: zemní plyn G20 2,72 m³/h. Hladina hluku: při minimálním výkonu 39 dB(A), při maximálním výkonu 42 dB(A) v 10 m.

Výhody nasazení PTČ:

• všestranné řešení pro modernizaci nebo zefektivnění stávajícího vytápění;
• vzdálený dohled nad tepelným čerpadlem je součástí programu ROBUR;
• podporovaná technologie v rámci možných dotačních programů.

Ceny jednotlivých instalací podle možných použitých tepelných výkonů

• 18 kWtep – 270 000 Kč bez DPH a 300 000 Kč bez DPH – provedení „indoor“;
• 38 kWtep (pracovní podmínky A7/W50) – 498 000 Kč bez DPH;
• 2 x 38 kWtep (pracovní podmínky A7/W50) – 945 000 Kč bez DPH.

Jednotlivé ceny jsou uvedeny včetně potřebného příslušenství, regulace DDC – digitální ovladač a komunikátor GPRS RS232 pro TČ a včetně nákladů na uvedení do provozu.

Tab. 4.4 Maximální (limitní) měrné výdaje u realizace nové jednotky – plynové tepelné čerpadlo na zemní plyn

* Technologie vzduch – voda a pro pracovní podmínky A7/W50

Finanční úspora se u těchto navržených opatření s TČ počítá vždy podle měrných cen nakupovaných energonositelů pro danou stavbu.

4.1.4 Možný návrh fotovoltaického systému (FVE), akumulace elektrické energie – BESS a řešení předehřevu u přípravy teplé vody – TV

Obr. 4.6 Možnosti umístění prvků FV systému na budovu (BIPV)

Realizace a uplatnění integrované fotovoltaiky do fasádních systémů (BIPV) spojuje hlavní výhody:

• fasáda vyrábí elektrickou/obnovitelnou energii;
• principiálně funguje jako skleněná fasáda;
• jedná se o výrazný architektonický prvek.

Ve spojení s vysoce tepelně izolovanými obálkami budov nabízí BIPV perfektní řešení pro naplňování rostoucích požadavků na udržitelné a energeticky účinné budovy. S BIPV mohou architekti, vývojáři a projektanti kombinovat inteligentní moderní technologie s vysoce kvalitní a progresivní architekturou.

Obr. 4.7 Barevná ukázka pro možné realizace fasády s použitím FVE a semitransparentní fasády

Další možné aplikace systému FVE:

• semitransparentní fasády a střechy (speciální FV moduly, Onyx Solar);
• skleněné výplně, izolační skla se zabudováním fotovoltaiky (semitransparentní);
• zastřešené kryté parkovací stání;
• skleněné zábradlí, lodžie u bytových domů;
• skleněné stříšky, semitransparentní stínění, zimní zahrady a atria;
• integrace místo střešní krytiny.

Obr. 4.8 Principiální blokové schéma řešení v hybridních systémech FVE se střídači a s akumulací do aku-baterií

Legenda:
(1) FV panel – střídač – síť
(2) FV panel – střídač – akumulátor
(3) Akumulátor – střídač – síť
(4) Síť – střídač – akumulátor

Konkrétní topologie, konfigurace a kapacitní velikosti FVE/AKU se dimenzují přímo na skutečné spotřeby EE ve společnosti a kapacitní možnosti umístění FVE.

Dnešní FVE i hybridní HFVE s akumulací se nenavrhují kapacitně na „velikost střechy – systémem co se tam vejde“, ale na maximální efektivní využití FVE (pokrytí elektrické spotřeby budovy z výroby FVE) s minimálními přetoky. Vždy záleží v konkrétní instalaci na rozložení spotřeby v čase a současného výkonu FVE, případně na snížení hodnoty rezervovaného instalovaného výkonu, či na snížení hodnot hlavního jističe před obchodním měřením!

Zásadní je optimalizovat velikost FVE (výrobu elektrárny) tak, aby odpovídala co nejvíc spotřebě elektrické energie v místě instalace.

Při realizaci vlastní FVE by měly být použity takové technologie a typy technického vybavení a topologie FVE, aby byly maximalizovány/optimalizovány zisky z instalovaného systému FVE (maximální měrný instalovaný výkon na plochu, vysoká provozní účinnost panelů a měničů, bezpečnostní a ochranné prvky apod.).

Při realizaci fotovoltaických panelů na střechy nedochází k podstatné změně vzhledu dotčených staveb ani nedochází ke změně způsobu užívání dotčených staveb a nová FVE nezhorší statickou odolnost stavby (je nutné zajistit v předstihu statické posouzení střechy s instalovanou FVE statikem s příslušnou autorizací ČKAIT).

Dále musí být respektována podmínka, že provedení celé FVE negativně neovlivní požární bezpečnost stavby (zajistit v předstihu požárně bezpečnostní řešení – PBŘ na novou instalaci FVE od příslušného specialisty).

Poznámka:
Všechny střechy, s dřevěnou nosnou konstrukcí jsou zařazeny do kategorie vysokého požárního zatížení podle ČSN EN 62 305-2 ed. 2.

Fotovoltaické systémy s akumulací elektrické energie (BESS)

Náběhy velkých točivých strojů a další vysoké odběrové špičky ve výrobních procesech potřebují vysoký špičkový výkon po krátkou dobu, např. náběhu. V běžné praxi se tato situace ve společnostech řeší instalací většího jističe před obchodním/fakturačním měřením, kterým si společnost zajistí dostatečně vysoký příkon, ale ne krátkodobě, nýbrž neustále, a to stojí peníze. Pokud si ale společnost pořídí akumulační baterii, zvládne tyto krátké špičky pokrýt s výrazně nižším příkonem z distribuční sítě. Stačí jí proto si z distribuční sítě sjednat nižší rezervovaný příkon, a platit tak menší měsíční paušál za tuto poskytovanou službu. Při současném instalovaném příkonu v řádu stovek kilowattů a vyšším může baterie ve společnosti přinést úsporu v řádu desítek tisíc korun měsíčně.

Primární funkcí aku-baterií je tedy vyrovnávání krátkých špiček v odběru EE, aku-zařízení se nazývá SAS – špičkovací akumulační stanice.

Možnosti úsporných a provozních opatření při instalacích SAS:

• akumulace elektřiny;
• omezení čtvrthodinových maxim;
• snížení rezervovaného výkonu – regulace výkonu (nabíjení/vybíjení);
• provozní kapacitní záloha pro doběh technologií;
• možnosti ostrovních režimů – mikrosítě;
• zjednodušené plánování odběrového diagramu;
• filtrace a vykrývání mikrovýpadků z distribuce – a tímto minimalizace škod z odstavení výrobních technologií, zde jsou úspory násobně větší než optimalizace ¼hod. maxim;
• regulace kvalitativních parametrů dodávek EE.

UPQ – Uninterrupted Power Quality – nepřetržitá kvalita elektrické energie:

• režim ochrany napájení;
• ochrana kritických zátěží před poruchami napětí a výpadky napájení;
• vysoká účinnost (99 %);
• vynikající životnost (15 let);
• provozní režim kvality elektrické energie;
• zmírnění harmonických proudů a napětí;
• celková kompenzace jalového výkonu;
• zmírnění kolísání napětí a flicker efekt;
• flexibilní design;
• modularita umožňuje široký rozsah výkonu od úrovně nízkého až středního napětí;
• podpora spouštění motoru s přímým připojením (DOL);
• možnost ochrany společných napájecích systémů pomocí jednoho UPQ;
• neomezuje zkratový proud, což zaručuje provoz pojistek a selektivitu.

Posun od centralizovaně řízené energetiky k decentralizované energetice:

• starty „ze tmy“ při blackoutech a následný přechod do ostrovního provozu a po modernizaci sítě zpět na standardní napájecí soustavu;
• snižuje vlastní spotřebu EE;
• flexibilita stávajícího provozu;
• baterie zvýší rozsah regulačních schopností;
• eliminace působení opětovných zapnutí a krátkodobých podpětí či přepětí (baterie zajišťuje také vyšší kvalitu elektřiny dodávané do lokální distribuční sítě).

Tab. 4.5 Přehled parametrů současných nejčastějších baterií

Pro bateriový systém je doporučeno použití prismatických článků s pevným pláštěm nebo válečkové články (jsou odolné proti nafouknutí).

Použité baterie – doporučený typ LFP – LiFePO4 (nevytváří zkraty mezi anodou a katodou jako články cobaltové, např. LNMC) musí být kompatibilní s použitými střídači.

Použité baterie musí být kompatibilní s použitými střídači a opatřeny systémem BMS (battery management system), který zajistí provozování baterií v nastaveném intervalu. Zvolený systém BESS by měl zahrnoval i řízení výkonu z FV (dobíjení + vybíjení baterií) a dodávku výkonu – EMS řízení (energy management system). EMS si řídí kapacitu a stav nabití baterií (SOC – State Of Charge).

Systém nabíjení (vč. balancování) a vybíjení (aktivní/inteligentní balancování) musí být přes regulátor, který je pro použitý typ baterií určen (balancér je mimo balancování článků velmi důležitá ochrana proti nevratnému poškození baterie).

Všechny systémy BESS by měly být monitorovány (Modbus – protokol) přes Web a iOS/Android APP.Připojení přes ETHERNET, měření EE provádět přes kompatibilní elektroměr. Komunikace mezi BESS a příslušným střídačem v rámci dodávky do stavby probíhá převážně systémem CAN/RS485.

Systém BMS monitoruje a řídí:

• řídí nabíjecí a vybíjecí napětí (omezí špičky např. z významných indukčních spotřebičů);
• řídí nabíjecí a vybíjecí proud (omezí nadměrné vybíjení baterie);
• sleduje celkovou uloženou energii (hlídá úroveň nabíjení baterie SOC, omezí přepětí během nabíjení);
• sleduje celkovou dodanou energii (hlídá úroveň vybíjení baterie DOD, omezí podpětí během vybíjení);
• sleduje vnitřní impedanci článků (omezí přehřátí a podchlazení baterie);
• hlídá celkovou kondici baterie SOH, omezí přebití článků baterie mimo povolené provozní napětí, celkovou dobu provozu;
• BMS komunikuje s EMS systému přes rychlou CAN sběrnici;
• při špičce odběru dodá z AKU okamžitý špičkový výkon do zátěže;
• při nízkém odběru zajistí uložení EE do AKU.

Výhody kombinací FVE a bateriových systémů:

• kombinace nových špičkových technologií;
• použitím tří hybridních systémů lze vytvořit síť 400/230V, 50 Hz;
• využívání nového zdroje jako pojistky proti budoucímu růstu cen elektřiny z distribuční soustavy;
• zajištění dodávek elektřiny v případě blackoutu pro důležité provozní spotřebiče (dokončení výrobního procesu a výrobku, minimalizace zmetkovosti);
• zájem o dosažení vlastní energetické úspory;
• využití virtuální akumulace prostřednictvím distribuční sítě;
• budoucí využití „net meteringu“ (při řešení přetoků, výkupy EE za momentální (spotovou) tržní cenu, při obchodování s EE na burze);
• uložení přebytků EE vzniklých za víkend (spotřebuje se v pracovním týdnu);
• omezení špiček spotřeby, a to okamžitou dodávkou výkonu z AKU (peak shaving) klesající ceny fotovoltaických a bateriových systémů.

Předpoklad umístění AKU baterií bývá vedle rozvaděče FVE (podle následného zpracování požárně bezpečnostního řešení může dojít k tomu, že se pro BESS bude jednat o samostatný požární úsek!!!).

Příklad z praxe č. 1 – Baterie Li-Ion o výkonu 100 MW a kapacitě 129 MWh uskladní energii na pokrytí spotřeby zhruba 30 tisíc domácností po dobu jedné hodiny.

Příklad z praxe č. 2 – rozšíření stávajícího zdroje C-Energy v teplárně v Plané nad Lužnicí o fotovoltaickou elektrárnu o výkonu 520 kWp a bateriové úložiště o celkové kapacitě 2,5 MWh a výkonu 4,0 MW. Jedná se o unikátní spojení konvenčního zdroje tepelné a elektrické energie s obnovitelným zdrojem s akumulací. Je to v současné době největší bateriové úložiště v ČR. V kombinaci se stávající parní turbínou a plynovými motory je tak díky vysoce výkonným bateriím celý zdroj schopen poskytovat podpůrné služby přenosové soustavě v kategorii MZ5 (minutová záloha).

Obr. 4.9 Ilustrační foto: zdroj AES Energy Storage

Tab. 4.6 Průměrné měrné výdaje u realizace síťové FVE bez akumulace EE

* Cena je odvislá na použité konfiguraci FVE, její topologie a použitého konstrukčního systému pro uchycení panelů.

Tab. 4.7 Průměrné měrné výdaje u realizace akumulace/AKU EE z výroby FVE

* Cena je odvislá od použitých typů akumulátorů, systému BMS a jejich instalace a platí do kapacity 400 kWh (bez technologie chlazení). Nad tyto kapacitní výkony je cena vždy individuální podle druhu a topologie instalace BESS.

Fotovoltaické systémy s akumulací do vody

Obr. 4.10 Principiální blokové schéma předehřevu u přípravy teplé vody – TV

S klesajícími cenami fotovoltaických panelů se stává aktuální možnost ohřevu teplé vody pomocí fotovoltaiky. Ohřev vody pomocí solární elektřiny začíná být ekonomicky zajímavější než běžná termická solární technologie. Fotovoltaický ohřev vody výrazně zlepšuje ekonomiku ostrovního solárního systému, protože umožňuje snadno zužitkovat přebytky energie v letních dnech. Na trhu jsou již k dostání ohřívače s možností napojení na fotovoltaický zdroj energie. K ohřívačům jsou na trhu i levné měniče napětí s modifikovanou sinusovkou.

Instalace fotovoltaických panelů má největší efekt u staveb, kde se pro přípravu TV používá elektrická energie. Samotné panely nemusí nutně být přímo na řešené stavbě, může být instalována na přidružených stavbách typu nadstřešní, pergola apod., zapsaných v katastru nebo integrována do pevných konstrukcí spjatých se stavbou (předsazené fasády, zábradlí, slunolamy apod.). Vyrobená elektrická energie se jednoduše pomocí kabelu převede do místa spotřeby. Takto nevznikají náročné stavební zásahy do stávajících staveb jako v případě termických kolektorů.

V tomto úsporném opatření se jedná o menší/malý fotovoltaický systém pro výrobu a akumulaci vyrobené elektrické energie do vodních akumulačních zásobníků.

Sestava může být doplněná o nádrž na ohřev teplé užitkové vody a inteligentní regulaci iBoost Plus.

Inteligentní regulace iBoost Plus dokáže rozpoznat, kdy je elektřiny přebytek a tyto přebytky dokáže přesměrovat do ohřevu teplé vody ve stávajícím, nebo v dodaném akumulačním zásobníku. iBoost Plus maximalizuje využití vyrobené energie z FVE v objektu tím, že zabrání, aby elektřina odtekla do distribuční sítě nevyužitá. Regulace je bezdrátová. Není proto potřeba ve stávajících stavbách dělat razantní úpravy elektroinstalací.

Zásobník TV je možné použít dvojím způsobem – buď na předehřev vody, nebo jako primární zdroj teplé vody. V obou případech dochází k výrazným úsporám za energie.

Předehřev vody

Stávající, nebo dodavatelem dodaný zásobník TV je nahřívaný pouze pomocí energie ze slunce. Je předřazen hlavnímu již existujícímu zásobníku na TV, který je ohříván elektřinou, plynem nebo jiným energonositelem.

Ohřev vody

Stávající, nebo dodavatelem dodaný zásobník TV, je jediným zdrojem teplé vody pro budovu. TV je primárně ohříván energií z FVE, tedy ze slunce. Ale pokud je slunečního svitu nedostatek, třeba v zimě, použije se na dohřev vody např. elektřina ze sítě.

Sestava FVE obsahuje FV panely, inteligentní regulaci iBoost Plus, střídač a propojovací kabely.

Modulové řešení

Velikost fotovoltaické elektrárny – modulový příklad:

FVE o instalovaném výkonu 2,88 kWp – FV panely – 360 Wp – 8 ks.

Roční výroba EE – podle způsobu a umístění FV panelů (sklon a orientace k jihu, zastínění apod.) 2 600-2 900 kWh/rok.

Kapacita FVE podle konkrétních potřeb na přípravu TV v budově se dá modulově rozšiřovat.

Běžné účinnosti panelů: 16-21 %.

Optimální velikost zásobníku TV při ohřevu pomocí FVE: cca 80-120 litrů/1 kWp.

Orientační velikosti střech pro instalaci panelů (kopírující sklon střechy): 6-10 m²/1 kWp.

Průměrné měrné produkce pro střešní instalace:

Orientační roční produkce FVE (podle konfigurace a topologie FVE, lokality apod.):

880-1 050 kWh/1kWp.

1 m² FVE vyrobí cca 150-180 kWh/rok.

Důležitý poznatek z reálných provozů FVE:

Produkce FVE v měsících 04 až 08 tvoří 61 % z celkové roční produkce.

Zbylé měsíce 01-03 a 09-12 tvoří jen 39 % z celkové roční produkce.

Zimní denní produkce je cca 5-10krát menší než letní! Tedy pouze 10 až 20 % ve srovnání s letní produkcí!

Tab. 4.8 Průměrné měrné výdaje u realizace FVE pro předehřev přípravy teplé vody – TV

* Cena je odvislá na použité konfiguraci FVE, její topologie, použitého konstrukčního systému a použité aku nádoby a její velikosti

Povinnosti při realizaci FVE a parametry produkcí FVE v ČR podle právních předpisů:

• Do 10 kWp – mikrozdroje bez licence
  Vyhláška o podmínkách připojení k elektrizační soustavě č. 16/2016 Sb. (§ 3 – klasický proces připojení a § 16 – zjednodušený proces připojení mikrozdroje k DS), + PPDS, Příloha č. 4 aktualizovaná, aktuální cenové rozhodnutí ERÚ a další.
• Nad 10 kWp – NUTNÁ licence, registrace u OTE.
• Nad 20 kWp – NUTNÁ licence + stavební povolení, registrace u OTE.
• Nad 30 kWp – dtto předchozí + platí se daň z vyrobené EE, výkazy na OTE + řízení výkonu 0, 100 %.
• Nad 100 kWp – dtto předchozí + dispečerské řízení výkonu 0, 30, 60, 100 %.

Hlavní zásady před započetím prací na FVE/AKU v rámci přípravy:

• zpracování realistické studie proveditelnosti záměru realizace FVE/AKU;
• správně nadimenzovat velikost FVE (přetoky do DS výrazně prodlužují návratnost FVE);
• zajištění statického posouzení vytypovaných střech na budoucí zatížení FVE;
• respektování stávajícího požárně bezpečnostního řešení (PBŘ) a návaznost PBŘ na novou FVE;
• prověření připojitelnosti k distribuční soustavě (DS);
• prověření případného získání stavebního povolení;
• špatný (příliš optimistický), výpočet návratnosti FVE/AKU (např. budoucím dodavatelem FVE, bez zohlednění přetoků do DS).

Technická příprava na projektu FVE/AKU:

• projektová dokumentace;
• statický posudek na nové zatížení stávajících střech;
• zpracovat požárně bezpečnostní řešení (PBŘ);
• připojení k distribuční soustavě (DS).

Hlavní zásady, které ovlivňují návratnosti FVE/AKU:

• kvalitní příprava;
• pečlivě provedená analýza/profil spotřeby EE na odběrném místě v průběhu dne v porovnání s velikostí FVE/AKU;
• meziroční nárust ceny EE (nákup i výkup přebytků/prodej EE);
• meziroční inflace;
• střední životnost všech komponentů FVE/AKU.

Přehled normových zatížení větrem a sněhem pro stavební část FVE na střechách:

Tab. 4.9 Normové zatížení stavby větrem v ČR

* charakteristickou hodnotu určí příslušná pobočka příslušného hydrometeorologického ústavu

Tab. 4.10 Normové zatížení stavby (FVE) sněhem v ČR

Tato tabulka sněhových oblastí je přílohou ČSN EN 1991-1-3/Z1, která určuje normové zatížení stavby sněhem. Většina ČR se nachází v 1.-4. oblasti, kde je charakteristická hodnota zatížení sněhem od 0,7 do 2,0 kPa. V 8. oblasti určuje zatížení sněhem příslušný hydrometeorologický ústav (1 kPa = 102 kg/m²).

4.1.5 Hybridní moderní zdroje tepla – možnosti realizace a jejich investice

Hybridní zdroje tepla (kombinace více různých zdrojů, například kondenzačního plynového kotle a tepelného čerpadla, do jedné jednotky se společným řízením).

Dnešní doba nabízí mnoho způsobů a variant, jak vytápět a jakým tepelným zdrojem. Každý systém je nejefektivnější při jiných provozních a vnějších podmínkách. Například plynový kondenzační kotel funguje efektivněji při mrazivém počasí nebo při ohřevu vody. Tepelné čerpadlo je zase efektivnější v mírných podmínkách, tedy v období od jara do podzimu, ale také přijatelně funguje i při nižších výstupních teplotách.

V současné době jsou na trhu technologická zařízení, kde je možné oba systémy propojit v jedno zařízení, které umí efektivně vytápět v celém rozsahu venkovních teplot a daných klimatických podmínek. Výsledkem tohoto spojení je velmi výkonné hybridní vytápěcí zařízení.

VITOCAL 250S, topný výkon při – 7/35 – 13,3 kWtep – 330 000 Kč bez DPH vč. montáže(pracovní podmínky A7/W35). Tato jednotka je vhodná pro dodatečné vybavení již k existujícímu plynovému kotli pracujícímu do podlahového vytápění.

VITOCALDENS 222F, topný výkon při – 7/35 – 9,5 kWtep – 488 000 Kč bez DPHvč. montáže(pracovní podmínky A7/W35). Tato jednotka je vhodná pro novostavby a také pro modernizace. Jde o velmi výkonné a progresivní hybridní zařízení, tedy energetický mix v jednom. Vytápí plynem, nebo teplem z okolního prostředí a dosahuje maximální energetické účinnosti: třídy A+++. Hlavní součásti jsou splitové tepelné čerpadlo vzduch/voda, kondenzační kotel a zásobník pitné vody.

VITOCALDENS 222F má dva zdroje tepla a regulaci Vitotronic 200 s inteligentním řízením energie Hybrid Pro Control, které automaticky vybere nejvýhodnější a nejefektivnější způsob provozu. Venkovní jednotka odebere tak venkovnímu vzduchu teplo a převádí ho kompresorem na výstupní teplotu až 55 °C. Plynový kondenzační kotel se zapne pouze tehdy, když je třeba dodat vyšší teplotu nebo zajistit komfort teplé vody. Tímto principem jsou velmi nízké provozní náklady.

Vysoký komfort přípravy teplé vody díky 130litrovému nabíjecímu zásobníku v létě umožní velmi levnou přípravu teplé vody. Pokud je třeba vyšší potřeba vody, volitelně se zapne plynový kondenzační kotel, který zajistí odběr i při zásobování na více jak jednom odběrném místě. Hybridní tepelné čerpadlo VITOCALDENS 222F je již připraveno pro využití vlastní elektrické energie vyrobené fotovoltaickým zařízením.

Vzhledem k poměrně vysokým investičním cenám budou tyto vytápěcí moderní technologie vhodné pro koncepčně chystané novostavby nebo celkové přestavby/modernizace TZB systémů ve stávajících budovách.

4.1.6 Modelová studie nasazení kogenerační jednotky (KGJ) s fotovoltaickými systémy (FVE/AKU), nouzový/autonomní zdroj

Výhody technologického spojení KGJ + FVE/AKU

• Snížení provozních nákladů za nakupované energie.
• Snížení environmentálního zatížení.
• Vzájemně se technologie KGJ a FVE doplňují v zásadních ročních obdobích zima/léto.
• Možnost při vhodné konfiguraci zapojení/vyvedení výkonu jako nouzový/autonomní zdroj (prevence blackoutu, možné starty zařízení „ze tmy“).
• Možnost při vhodné konfiguraci zapojení/vyvedení výkonu ostrovního provozu.
• Využití přebytků vyrobené elektrické energie (EE) z FVE v létě do akumulace v zásobníku ÚT, provozovaný systém bude tedy bez přetoků do distribuční soustavy.
• Vysoká společná/synergická účinnost provozu výroby elektrické energie a tepla u KGJ (multivalentní systém).
• Garantovaná roční úspora formou zeleného bonusu za výrobu EE.
• Provedení „vše v jednom“ (Plug & Play) umožňuje kogenerační jednotku velmi snadno zapojit do tepelného systému budovy (díky vodou chlazenému generátoru nepotřebuje být jednotka ventilována, čímž odpadají složité stavební úpravy).
• Kogenerační jednotka pracuje díky sofistikovanému řídicímu systému zcela automaticky, je možné ji řídit/monitorovat i na dálku prostřednictvím počítače nebo mobilního telefonu.
• Možná úspora při použití této kombinace v dotačních titulech.

Kogenerace představuje vysoce efektivní princip současné výroby tepla a elektrické energie.

Teplo i elektrická energie vznikají navíc v místě své spotřeby, čímž odpadají náklady na rozvod i ztráty způsobené dálkovým rozvodem. Teplo z kogenerační jednotky je využíváno k vytápění budov, přípravě teplé vody nebo technologického tepla. Kogenerační jednotky se synchronním generátorem mohou rovněž plnit funkci náhradního zdroje elektrické energie v místech její nepřetržité potřeby. Pomocí absorpčního výměníku je možné vzniklé teplo využít i k výrobě chladu pro technologické účely nebo klimatizaci.

Navržení optimálního typu, výkonu a provozního režimu jednotky do značné míry ovlivňuje ekonomickou návratnost celé technologické investice. Výkon kogenerační jednotky nemusí plně pokrývat okamžitý elektrický příkon budovy, neboť kogenerační jednotka je provozována paralelně (v souběhu) se sítí distribuce. V době, kdy elektrický příkon budovy převyšuje instalovaný elektrický výkon kogenerační jednotky, je chybějící příkon odebírán ze sítě.

Kogenerační jednotka s funkcí nouzového zdroje (označení SPE) pracuje paralelně se sítí a v případě výpadku sítě napájí důležité obvody. V tomto případě je i možnost napojení např. pro evakuační výtah, důležité obvody, méně důležité obvody apod.

Tab. 4.11 Modelová ukázka sestavy KGJ + FVE/AKU

Předpokládaná velikost AKU nádrže: 2 x 5 m³.

Tab. 4.12 Přehled: Technicko-ekonomické výstupy pro uvedenou velikost KGJ

Vyvedení elektrického a tepelného výkonu z kogenerační jednotky

V rámci kompletní dodávky KGJ bude její osazení do prostoru kotelny a připojení jednotky na tepelný systém a případně na chlazení při nouzovém provozu. Zároveň součástí dodávky bude vyvedení elektrického výkonu do stávající elektroinstalace a dodávka systémů měření a regulace.

Měření a regulace (MaR)

V kotelně bude instalován nový mikroprocesorový řídicí systém, který zajistí automatický chod celé nové instalované technologie kotelny bez nutnosti trvalé přítomnosti obsluhy. Řízen bude chod KGJ (výroba EE, výroba tepla, řízení dodatkového zdroje ÚT – stávajících kotlů podle okamžité potřeby tepla). Teplota vody na výstupním rozdělovači v kotelně bude řízena podle vyšší požadované teploty topných větví a podle venkovní teploty/prediktivní řízení. Teplota topné vody na výstupu do topných větví bude řízena pro každou větev samostatně v závislosti na požadované nastavené teplotě.

Součástí MaR bude i koordinace výroby KGJ s akumulační nádobou a s FVE/AKU a plný monitoring celého technologického systému.

Kogenerační jednotka bude pracovat v režimu krytí vlastní spotřeby elektrické energie, a proto doporučujeme instalovat zařízení pro kopírování vlastní spotřeby, které je sestaveno se snímacích transformátorů a z převodníku na činný výkon, který poskytuje řídicímu systému KGJ informaci o příkonu objektu. Tepelný výkon KGJ bude využit na ústřední vytápění a přípravu teplé vody, případně na jinou technologii využívající teplo.

K předchozímu návrhu Micro T50 – 1 ks je doplněna instalace fotovoltaické elektrárny o instalovaném příkonu 50 kWp a akumulační bateriový systém 91,2 kWh.

Vzájemně se systémy KGJ + FVE + AKU můžou v období provozu celého roku efektivně doplňovat (v létě pracuje KGJ v menším útlumu – není potřeba vyrobit až tolik tepla – vyráběno je tolik tepla, jaká je potřeba pro přípravu teplé vody (TV), naopak jsou letní měsíce více kryty vlastní spotřebou elektrické energie z fotovoltaiky, v zimě to bude provozně zase naopak). Tato kombinace technologického a SW spojení výroby z KGJ a FVE má budoucnost i potenciál v nových energetických koncepcích.

FVE bude ve dvou sekcích s orientacemi

• FVE 1: jiho – východ 163°, sklon panelů je uvažován 15° na profesionální konstrukci.
• FVE 2: jiho – západ 253, sklon panelů je uvažován 15° na profesionální konstrukci.

Instalace bude na rovných střechách dvou ubytovacích pavilonů, bez vnějšího zastínění. Jednotlivá FVE nebudou svou zvolenou polohou zastíněny ani vzdáleným horizontem.

Instalace v těchto sekcích zajistí více rovnoměrnost vyrobené elektrické energie z FVE během celého dne (výhoda ve srovnání s přímou jižní orientací).

Základní technické údaje FVE

FVE je navržena o výkonu 49,5 kWp. Měniče budou pracovat paralelně se sítí a instalace FVE bude připojena do hlavního rozvaděče stavby.

Optimální dimenzování/topologie FVE znamená dosáhnout nejlepšího poměru investičních nákladů a maximálního podílu skutečného využití energie z produkce z FVE.

Tab. 4.13 Technická data FV panelů

V současné době je možné volit i panely s větším instalovaným výkonem. Díky využití větších formátů článků M6 jsou již nyní k dispozici „panely XL“, které disponují velmi vysokým výkonem 370-470 Wp s nadstandardními produktovými zárukami v délce až 25 let. Možný typ použitých měničů – FRONIUS ECO 25.0-3-S – 2ks.

Základní technické údaje AKU – bateriového systému

Baterie typu Storion Alpha / LiFePO4 jsou kompaktní bloky pro systém spolupráce s FVE. Jedná se o AKU systém (v technologii BESS – Battery energy storage system) s dlouhou životností baterií. Garantovaný počet cyklů je až 10 000 při 80 % DoD vybíjení 1C a podle provozních skutečných podmínek (nabíjecí a vybíjecí napětí, proudy, hloubky vybití, provozní teploty apod.).

Uvažovaný typ pro výpočet: AC cupling – měniče ALPHA ESS T30 + AKU blok 45,6 kWh – 2 ks, 48 V, 91,2 kWh

Maximální kapacita – celková: 91,2 kWh.

Systém nabíjení (vč. balancování) a vybíjení (aktivní balancování) musí být přes regulátor, který je pro použitý typ baterií určen! (balancér je mimo balancování článků velmi důležitá ochrana proti nevratnému poškození baterie).

Použité baterie musí být kompatibilní s použitými střídači a opatřeny systémem BMS (battery management system).

Systém BMS monitoruje a řídí:

• řídí nabíjecí a vybíjecí napětí (omezí špičky např. z významných indukčních spotřebičů);
• řídí nabíjecí a vybíjecí proud (omezí nadměrné vybíjení baterie);
• sleduje celkovou uloženou energii (hlídá úroveň nabíjení baterie – SOC, omezí přepětí během nabíjení);
• sleduje celkovou dodanou energii (hlídá úroveň vybíjení baterie – DOD, omezí podpětí během vybíjení);
• sleduje vnitřní impedanci článků (omezí přehřátí a podchlazení baterie);
• hlídá celkovou kondici baterie – SOH, omezí přebití článků baterie mimo povolené provozní napětí, celkovou dobu provozu;
• BMS komunikuje s EMS systémem přes rychlou CAN sběrnici;
• při špičce odběru dodá z AKU okamžitý špičkový výkon do zátěže (zde až 60 kW!);
• při nízkém odběru zajistí uložení EE do AKU až 90 kWh (nouzový chod např. 18 hod. při zálohování velmi důležitých obvodů s Pi = 5 kW).

Výhody kombinací FVE a bateriových systémů:

• kombinace nových špičkových technologií;
• využívání nového zdroje jako pojistky proti budoucímu růstu cen elektřiny z distribuční soustavy;
• zajištění dodávek elektřiny v případě blackoutu pro důležité provozní spotřebiče (dokončení výrobního procesu a výrobku, minimalizace zmetkovosti);
• zájem o dosažení vlastní energetické úspory;
• využití virtuální akumulace prostřednictvím distribuční sítě;
• budoucí využití net meteringu (při řešení přetoků, výkupy EE za momentální (spotovou) tržní cenu, při obchodování s EE na burze);
• uložení přebytků EE do BESS vzniklých za víkend (spotřebuje se v pracovním týdnu);
• možnost využití přebytků z FVE jako přímý předehřev AKU zásobníku pro přípravu TV;
• omezení špiček spotřeby, a to okamžitou dodávkou výkonu z AKU baterií (peak shaving);
• možnost nabíjení BESS v levnějším nočním/nízkém tarifu (NT);
• klesající ceny fotovoltaických a bateriových systémů;
• jednoduchá modulová možnost při budoucím rozšíření FVE/AKU, jeho optimalizace.

Tab. 4.14 Předpokládané investiční náklady

Tab. 4.15 Předpokládané garance účinnosti a životnosti jednotlivých použitých komponentů (předpokládaná obecná kritéria přijatelnosti pro chystané dotační tituly)

Poznámka:
Na jednotlivé komponenty FVE by mělo být po realizaci dáno ES prohlášení o shodě.

Obr. 4.11 Modelové ukázkové informativní principiální schéma ostrovního zdroje s kogenerací TEDOM Micro T50 SPI – tepelný výkon 88,5 kWtep., elektrický výkon 50 kWel., FVE – 50 kWp, baterie 91,2 kWh

Tab. 4.16 Měsíční modelové výstupy produkce EE, KGJ a FVE v MWh pro danou konfiguraci

Grafické výstupy

Obr. 4.12 Přehled výroby EE v KGJ, vlastních spotřeb a výroba z FVE

Obr. 4.13 Přehled výroby EE v KGJ – 50 kWel, vlastních spotřeb a výroba z FVE – 50 kWp

Z uvedených grafů je patrná vyrovnaná konečná vlastní spotřeba na úrovni 31 % (69 % vyrobí KGJ + FVE). Touto technologickou kombinací dojde k podstatnému snížení vlastní spotřeby EE z distribuční soustavy. Z grafů a průběhu vlastních spotřeb EE je také patrný potenciál na budoucí zvýšení instalovaného výkonu FVE.

Předpoklad hodnocení z hlediska přetápění prostor

Pro vytápěné prostory hlídat / případně nastavit vhodné teploty, aby nedocházelo k přetápění těchto prostor. Příklad – při přetápění o 3 °C nad potřebnou teplotu jsou náklady o 18 % větší než pro dostačující nominální hodnotu pro otopný režim!!!

Doporučení udržení lepší provozní účinnosti topných zdrojů a v topných systémech

Pravidelná údržba topného systému a zejména zdrojů pro ÚT a TV může ušetřit až 15 % nákladů na topné médium!

Ekonomické vyhodnocení opatření KGJ + FVE/AKU

Tab. 4.17 Výstupy ekonomického hodnocení jsou přehledně uvedeny níže

Poznámka:
Kalkulace investičních nákladů byla stanovena v CÚ 02/2021.

Pro modelové výpočty úspor jsou uvažovány ceny energií v době předpokládané realizace.

Ceny energeticko-investičních opatření jsou bez DPH.

Parametry ekonomického výpočtu:

• ekonomické hodnocení je bez poskytnuté dotace;
• doba hodnocení úsporného návrhu = 20 let;
• diskont: 4,00 %;
• meziroční nárůst cen nakupovaných energií: 4,0 %.

Přesnější ekonomické propočty návratnosti budou záviset na konkrétní konfiguraci FVE/AKU a způsobu instalace a provozu KGJ. Následně mohou být zpracovány formou CBA (Cost-Benefit Analysis) – analýza nákladů a přínosů.

Možné výhody budoucího způsobu energetického inovativního zajištění provozu s KGJ a komplexní řešení s FVE/AKU – systémy, které se vzájemně doplňují a synergicky podporují:

• flexibilita výroby EE a tepla v čase (možností je autonomní regulace pomocí definované charakteristiky);
• provoz KGJ i na částečný/snížený výkon v kombinaci s levnou výrobou elektrické energie z FVE;
• dobíjení bateriového systému (v případě vybití) v noci na levnější nízký tarif (NT) v provozované sazbě C26d;
• možnost provozu v základním diagramu i jako lokální nezávislost na rozvodné distribuční síti;
• v případě vhodně navržené konfigurace – možnost plně automatizovaného ostrovního/autonomního provozu;
• beznákladová výroba elektrické energie z FVE;
• výroba elektrické energie a tepla z vysoce účinné KVET;
• akumulace vyrobené energie (do akubaterií a do akunádrží do vody);
• zvolené priority záskokového vybíjení z BESS;
• nouzové zásobování EE „důležitých obvodů/spotřebičů“ z KGJ;
• nouzové zásobování EE „velmi důležitých obvodů/spotřebičů“ z AKU baterií;
• budoucí možnost využití tepla pro možnou klimatizaci;
• vzhledem k vlastní výrobě EE možnost snížení roční/měsíční rezervované kapacity EE, tím i výrazné snížení paušálních plateb za EE;
• vzhledem ke stále klesající ceně FV panelů a stoupající jejich účinnosti – možnost efektivního rozšíření instalovaného výkonu (zvýšení podílu samozásobení elektrickou energií).

4.1.7 Modelové energetické úspory při modernizacích VZT systémů, klimatizací a chladicích systémů

Snižování provozní energetické náročnosti klimatizačních systémů:

Možnosti snížení požadavků na chlazení u budov

• snížit zátěž slunečním zářením (odstínit „solární zisk“, clony pevné, pohyblivé, přesahy apod.);
• provést dostup. opatření pro snížení vnitřních tepelných zisků (od osob, osvětlení, technologie);
• používat venkovní chladnější vzduch, když to je výhodné (noční prostorové předchlazování, nachlazení akumulace do vnitřních hmot apod.);
• zlepšit účinnost distribuce chladu v místnostech:
  • vyhýbáním se chlazení za vnitřních teplot nižších než 25 °C;
  • zlepšením účinnosti lokální regulace (SW – inteligentní řízení chlazení);
  • zastavováním chlazení (i místních ventilátorů) během doby, kdy prostor není obsazen;
  • vyhýbáním se souběžnému chlazení a vytápění (např. centrální chlazení a místní vytápění, nebo směšování ohřátého a chlazeného vzduchu);
  • zlepšením tepelné izolace potrubí rozvodů chladu;
  • zvýšením teploty chlazené vody, pokud to je funkčně/technologicky možné;
  • snížením energie potřebné pro ventilátory, čerpadla (vypínáním během doby neobsazenosti, nebo když chlazení není potřebné, či použitím motoru s proměnnými otáčkami);
  • optimalizace budovy – přizpůsobení se změnám v používání nebo úpravám budovy (E-t křivky);
  • využití potenciálu a kvality odpadního vzduchu – ZZT ze strojoven chladu:
    běžné ΔT = 8K (odvod tepla)
    V = 0,5 ∙ Q, kdy Q je chladicí výkon;
  • náhrada zastaralých zvlhčovačů (el.) zamoderní ultrazvukové/adiabatické, pokud to provoz umožní;
  • účinnost výroby chladu závisí na údržbě (například nedostatek chladiva, čištění výměníkových ploch kondenzátorů, které u komerčních strojů nejsou od okolí nijak chráněny. Po několika týdnech provozu se tak na jejich povrchu začíná tvořit vrstva z nečistot, která brání přestupu tepla, snižuje účinnost stroje, zvyšuje spotřebu a snižuje maximální dostupný výkon apod.).

Při modernizaci technologie chladicích zařízení používat přednostně (tam, kde to technologicky lze):

• Free-cooling (volné chlazení) – tato technologie využívá nízkých venkovních teplot pro výrobu chladu (chladicí vody) bez nutnosti používat kompresorové chlazení. Provoz free-coolingových jednotek je z energetického hlediska velice nenáročný, protože při tomto druhu chlazení jsou poháněny EE pouze ventilátory, které nasávají vzduch skrz lamelový výměník s nemrznoucí kapalinou, která své teplo odevzdává do vzduchu, a tím se ochlazuje, přičemž elektrický příkon ventilátorů bývá v porovnání s příkonem kompresorů pouze desetinový.
• Suché chladiče – jedná se o velice efektivní a levné řešení, jak ochladit kapaliny. Nevýhodou je min. dosažená teplota výstupní kapaliny, která je o cca 2°K vyšší než teplota okolí.
• Chladicí věže – jsou schopny chladit vodu na +23 °C (léto).
• Kompresorové kondenzátory chlazené vzduchem patří mezi energeticky nejnáročnější chladicí zařízení.
• Pro Fan-Coil-FCU systémy ÚT/CH_L – použití 6cestných ventilů.
• V rozvodech ÚT/CH_L používat tlakově nezávislé ventily.
• Nové ventilátory již podle Směrnice ErP 2009/125/ES.
• Použití přímého a nepřímého adiabatického chlazení (odpařováním rozstřikované vody do proudu vzduchu dochází k ochlazení a vlhčení vzduchu).
• Při návrzích nové klimatizace použití HVAC IEQ (heating, ventilating and air conditioning);
• Integrovaný přístup.

Kontroly klimatizačních systémů

Pravidelné kontroly klimatizačních systémů vyplývají z požadavků zákona č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů (zejména § 6, 6a – zákona č. 3/2020 Sb.) a ze současné vyhlášky č. 284/2022 Sb. o kontrole provozovaného systému klimatizace a kombinovaného systému klimatizace a větrání (účinnost: 15.10. 2022).

Pravidelné kontroly klimatizačních systémů vnitřních prostředí pro užívání osob (netýká se procesních technologických klimatizací) jsou na provozované klimatizační systémy se jmenovitým výkonem nad 70 kW.

4.1.8 Řešení energetické úspory na elektropohonech, elektrických motorech, kompresorech Modelová úspora

Elektrické motory a jejich účinnost, stanovení roční provozní úspory:

IEC 60034-30:2008 – definuje kategorie účinnosti pro elektromotory IE1, IE2 a IE3 do 1 000 V (o výkonech 0,75 až 375 kW);

IEC 60034-31:2010 – definuje kategorie účinnosti pro elektromotory IE1, IE2, IE3 a IE4:

• IE1: Standard – kompatibilní s EFF2, přizpůsobená novému způsobu určení účinnosti;
• IE2: High – kompatibilní s EFF1, přizpůsobená novému způsobu určení účinnosti;
• IE3: Premium – extrapolována z IE2 s menšími ztrátami o 10 až 15 %;
• IE4: Super – Premium – extrapolována z IE3 se ztrátami menšími o 10 %.

Poznámka:
Podle Nařízení Komise (ES) č. 640/2009 z 22. 7. 2009, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2005/32/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign elektromotorů:

• od ledna 2015 motory se jmenovitým výkonem 7,5 až 375 kW musí vyhovovat třídě účinnosti IE3, anebo třídě účinnosti IE2 a být vybaveny plynulou regulací otáček;
• od ledna 2017 motory se jmenovitým výkonem 0,75 až 375 kW musí vyhovovat třídě účinnosti IE3, případně účinnosti IE2, avšak při současném vybavení pohonu s proměnnými otáčkami;
• výrobci motorů jsou povinni od 17. 6. 2011 označit svoje výrobky štítkem, na kterém je uvedena třída účinnosti;
• pro ventilátory s příkonem od 125 W do 500 kW platí nařízení ErP 2015.

U modernizace systémů VZT je vhodné již použití EC motorů (elektronicky komutovaný DC motor). Tyto motory mají rotor z permanentního magnetu a jeho konstrukce umožňuje plynulou regulaci.

Obr. 4.14 Třídy elektromotorů podle IEC (graf pro 4-poly a 50 Hz)

Výměna kompresorů v technologických modernizacích za účinnější

Běžná úspora se dosahuje záměnou kompresoru o nižším příkonu při stejném či vyšším výkonu stlačeného vzduchu.

Výměna kompresorů za účinnější je častým efektivním řešením úspory elektrické energie. Pro vyhodnocení efektivity záměny je nutné změřit výkon kompresoru na základě spotřeby elektrické energie pro výrobu stlačeného vzduchu, četnost spínání a zároveň je potřeba změřit i spotřebu stlačeného vzduchu u spotřebičů. Na základě těchto údajů lze provést modernizaci kompresoru.

Konkrétní návratnost je závislá na stávajícím stavu původního kompresoru, parametrech nového kompresoru a spotřebě stlačeného vzduchu návratnosti jsou cca od šesti měsíců a výše.

Ukázka výpočtu provozní úspory při náhradách starých motorů za nové moderní s vysokou účinností

Tab. 4.18 Srovnání původního a nového strojního vybavení

4.1.9 Úsporné energetické řešení s pitnou vodou a ZZT při hospodaření s vodou

Snížení spotřeby studené pitné vody a teplé vody

Renovace vodovodních baterií – vodovodní baterie má v co nejkratším čase smíchat studenou a teplou vodu na vodu o požadované teplotě. Baterie, u nichž vyteče relativně mnoho vody, než se namíchá na potřebnou teplotu, nepatří mezi úsporné. V místech, kde tyto starší nehospodárné baterie stále slouží, se postupně vyměňují za hospodárnější. Úsporné baterie umí velmi rychle smíchat studenou vodu s teplou a voda zbytečně neodtéká bez užitku.

Renovace výtokových armatur – úsporné perlátory/omezovače průtoku vody: stávající výtokové armatury v budovách jsou vybaveny buď většinou běžnými perlátory nebo jsou bez perlátorů. Standardní perlátor provzdušní proud vody a částečně také sníží její spotřebu. Úsporný perlátor kromě provzdušnění proudu výrazně omezí průtok vody armaturou. Tímto snížením průtoku lze dosáhnout úsporu až 45 % na TV.

V rámci terénní prohlídky lze u vytypovaných výtokových armatur navrhnout instalaci úsporných perlátorů, v případě potřeby včetně výtokového ramena. Těmito opatřeními je možné dosáhnout cca 10% úsporu teplé vody. Maximálních úspor dosahují baterie bezdotykové, které oproti těm běžným spoří až 60 %. Výhoda automatické technologie spočívá v poskytnutí přesně takového množství vody, které je nezbytně nutné pro aktuální potřebu, přitom svým snadným ovládáním uživatele nijak neomezují. Podle potřeby je možné nastavit i zpoždění vypnutí vody.

Instalace pákových baterií – doba nastavení požadované teploty vody je u pákových baterií přibližně o 6 sekund kratší než u baterií kohoutkových. Jejich výhodou je snadné nastavení teploty a průtoku vody a možnost jednoduchého přerušení průtoku vody s již namíchanou teplotou. V porovnání s klasickými míchacími bateriemi uspoří pákové baterie okolo 20 % vody.

Tam, kde je to vhodné, je doporučeno instalovat termostatické baterie – tyto pracují na bázi tepelné roztažnosti čidla. Roztažením nebo smrštěním tohoto prvku lze přesně nastavit požadovanou teplotu vody. Termální prvek reaguje jak na změnu teploty, tak i na změnu tlaku vstupní vody a požadovanou teplotu výstupní vody nastaví během asi 2 s. Teplotu lze regulovat v rozsahu 20 až 50 °C.

Tab. 4.19 Informativní porovnání úspornosti jednotlivých druhů baterií

Hlídání unikající/kapající vody z kohoutků, toalet a záchodů: včas nezjištěné úniky vody mohou být významné. Při dlouhodobě neřešeném úniku SV, kde toaleta protéká celý rok, to pak může být významná položka v úspoře pitné vody. Významné navýšení nákladů mohou ale přinést i trvale kapající kohoutky. Proto jsou nutné preventivní a pravidelné prohlídky těchto systémů.

Využití šedých vod

V průměru zhruba jen 3 % vody, kterou každý den spotřebujeme, musí mít atributy vody pitné.

Recyklovaná, tzv. šedá voda nabízí v poslední době poměrně velký potenciál úspor. Trend spočívá v centrálním shromažďování a filtraci šedé vody v rámci celého areálu. Nutným vícenákladem je realizace dvojích rozvodů vody.

Principy s využitím šedých vod

Hospodaření s vodou, které se dříve opomíjelo, se v poslední době dostává do popředí v energetických hospodářstvích. Proto je zde uvedeno pár zásad, jaký potenciál úspory v této komoditě lze nalézt.

Definice šedých vod:

Podle DIN 4045 (2003) je šedá voda komunální voda bez fekálií a moče. Např. jsou to vody z van, sprch, umyvadel a výlevek.

Základní rozdělení šedých vod:

• šedé vody myček, mytí aut a z kuchyní;
• šedé vody z umyvadel, sprch a van;
• šedé vody z praček;
• neseparované šedé vody.

V průměru zhruba jen 3 % vody, kterou každý den spotřebujeme, musí mít atributy vody pitné. Část lze využít pro technologické účely areálu, ale lze je užít i například na splachování WC, které na kvalitu vody není tak náročné. Prvním opatřením by měly být dvě splachovací tlačítka pro dvě množství vody – obvykle 3 a 6 litrů. Zajímavým spořičem vody je pak její recyklace.

Recyklovaná, tzv. šedá voda nabízí v poslední době poměrně velký potenciál úspor. Trend spočívá v centrálním shromažďování a filtraci šedé vody v rámci celého areálu. Nutným vícenákladem je realizace dvojích rozvodů vody.

Lze využívat i možnost jímání kapacity dešťové vody z vhodných střech přes filtrace do zásobníků odpadních/retenční nádrže šedých vod s následným využitím těchto vod pro náhrady pitných vod.

Konkrétní možná realizace systému využití šedých vod musí být nejdříve navržena projektantem TZB systému a na základě navrženého řešení bude možno spočítat vyvolanou investici a celkový energetický přínos.

Největších ekonomických efektů se dosáhne použitím těchto systémů u společností a budov s velkou produkcí a hlavně velkou spotřebou bílých vod.

Závěr k úspoře odpadních vod

Z dostupných studií proveditelnosti se ukazuje, že u podniků či budov s větší spotřebou vody lze získat (tedy vyčistit šedou vodu) bílou vodu za cenu kolem 2,5 EUR/m³ – při započtení všech provozních i investičních nákladů. Velmi důležité je si uvědomit synergický efekt, že šetříme nejen náklady na nákup pitné vody, ale i za její vypouštění (úspora za stočné). Šetření s pitnou vodou je výhodné již i při dnešních cenových relacích za nákup komodity. V budoucnu, kdy se počítá s nárůstem ceny za vypouštění odpadní vody(stočné na cca 100 Kč/m³), pak ekonomické vyhodnocení vyjde ještě příznivěji.

Využití tepla šedých vod – odpadní voda jako zdroj tepelné energie – zpětné využití tepla – (ZZT)

Šedé vody jsou vody ze sprch, umývadel a výlevek, případně z van a praček. Složení a množství těchto vod je silně závislé na typu zařízení, které ji produkuje a na stylu použití jednotlivých pracovníků. Teplota těchto vod je proto různá a je závislá na mnoha faktorech v rámci těchto zařízení (např. kapacitní návštěvnost těchto zařízení, směnnost provozu apod.). Energetické využití z těchto odpadních vod se v současné době začíná využívat. V konkrétních případech je to nutno posoudit (z různých hledisek) a propočítat vhodnost nasazení (velikost stavebních úprav u modernizací a stávajících zařízení) a ekonomické přínosy. Ekonomičnost bude lepší tam, kde je větší produkce odpadních vod, tam, kde se vypouští voda s vyšší teplotou a kde je i vyšší cena za ohřev užitkové vody a cena za komoditu/vodné.

Pro zpětné získávání tepla z odpadní vody pro ohřev studené vody se používají rekuperační výměníky voda – voda. Mohou být instalovány centrálně v technické místnosti (u velkých systémů) nebo lokálně v místě odtoku, např. pod sprchovým koutem. Takový lokální systém zpětného získávání tepla využívá odpadní vodu aktuálně odtékající ze sprchového koutu při sprchování a teplo z ní přenáší přes teplosměnnou plochu do vody studené, která ve stejném okamžiku přitéká do vodovodní baterie. Protože se ve výměníku studená voda ohřeje na vyšší teplotu, pro dosažení požadované teploty smísené vody pro sprchování je potom zapotřebí menšího přítoku teplé vody ze zdroje do vodovodní baterie pro smísení s vodou studenou (předehřátou). To funguje automaticky za předpokladu osazení termostatickou vodovodní baterií s nastavitelnou teplotou, kterou zajišťuje vestavěný termostatický člen. Rekuperační výměníky tedy spoří odběr teplé vody ze zdroje (jako jsou akuzásobník, kotel, výměníková stanice, rozvod teplé vody).

Příklad

Realizace výměníků pro rekuperaci odpadní vody ve sprchách (do max. tlaku vody 16 bar a teploty 90 °C).

Pro běžné sprchování se používá voda 37-40 °C teplá. Z této teplé vody použijeme pro vlastní sprchování asi 5 °C, to je necelých 10 %. Zbytek vody teplé kolem 35 °C končí bez využití v kanálu.

To znamená, že se nezužitkuje 90 % energie, kterou jsme pro ohřátí vody spotřebovali.

Úsporu lze realizovat sprchovým výměníkem NELA. V odpadním systému dokáže tyto ztráty velmi účinně snížit. Celých 45 % energie dokáže využít pro předehřátí studené vody, a tím značně snížit spotřebu vody teplé.

Pracovní část výměníku – absorbéru je tvořena profilovanými deskami z leštěného nerezového plechu. Studená voda z vodovodního řadu mívá teplotu kolem 10 °C. Od odpadní 35 °C teplé vody odebere 12-14 °C, tím dochází k úsporám a zpětnému využití tepla – ZZT při provozu TV.

Výrobek sprchový výměník NELA má certifikát s ověřením teplotní účinnosti výměníku 40,5 %. Měření proběhlo podle kritérií vydaných Institutem PHI – Passive House Institut Darmstadt. Měřením se prokázalo, že s klesajícím průtokem odpadní vody roste teplotní účinnost sprchového výměníku. Při použití úsporné sprchové hlavice s průtokem 6 l/min se účinnost pohybuje v rozsahu 42 až 48 %.

Další možnost rekuperace je pomocí centrálního tepelného rekuperačního výměníku společnosti Akiretherm.

Závěr k využití ZZT z odpadních vod

K vyhodnocení konkrétní investice je vždy potřeba mít následující údaje: spotřeba teplé vody (m³/rok), spotřeba tepla na ohřev teplé vody (kWh/rok, nebo GJ/rok), fixní složka ceny tepla (Kč/kW), variabilní složka ceny tepla na přípravu teplé vody (Kč/kWh) a konkrétní cenu investice realizovaného opatření.

Největšími zdroji tepelné energie v rámci vodního hospodářství jsou mimo čistíren odpadních vod také zejména výrobní společnosti, administrativní budovy, lázně a nemocnice, rehabilitace s vodním provozem, wellness centra, bazény, ale také hotely, školy, restaurace, ubytovny, blokové prádelny a další veřejná zařízení.

Energetické úspory a možnost využití energie při úpravě a čištění vod

Energetická optimalizace všech prvků u těchto systémů se stává v poslední době nutností. Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by měl být proto v kontextu energetických úspor založen na třech hlavních základech:

• zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vod (opětovné použití vyčištěné odpadní vody v technologických i jiných procesech, produkce bioplynu);
• minimalizace množství energie potřebné na čištění odpadních vod (využití energetických zisků a jejich zpětného využití k výrobě elektrické energie, tepla nebo i chladu – tepelná čerpadla, kogenerace, ORC turbíny, absorpční chladiče apod.);
• snížení negativního dopadu čištění odpadních vod na okolní životní prostředí.

Hospodaření se srážkovou vodou v nemovitostech je podrobněji zpracováno v systému PROFESIS, v pomůcce TP 1.20.

Základní zákonná ustanovení, která požadují omezení odtoku srážkové vody z nemovitosti, jsou ve vyhlášce č. 268/2009 Sb., o technických požadavcích na stavby a ve vyhlášce č. 501/2006 Sb., o obecných požadavcích na využívání území, ve znění pozdějších předpisů.

5 ENVIRONMENTÁLNÍ ASPEKTY PŘI MODERNIZACÍCH TZB SYSTÉMŮ V BUDOVÁCH, PŘI NASAZENÍ OZE A V DOPRAVĚ

5.1 VÝPOČET LOKÁLNÍHO HODNOCENÍ ÚSPORY EMISÍ CO₂ PRO JEDNOTLIVÉ ENERGETICKÉ ÚSPORY

Výpočet emisí CO₂

Všeobecné emisní faktory CO₂ jsou stanoveny podle metodiky dané vyhláškou č. 140/2021 Sb. Příloha č. 8.

Tab. 5.1 Všeobecné emisní faktory pro výpočet emisí CO₂

Výsledný emisní faktor zahrnuje oxidační faktor.Ostatní emisní faktory jsou stanoveny podle § 12 odst. 1 písm. b) vyhlášky č. 415/2012 Sb., ve znění pozdějších předpisů.

Místně specifické emisní faktory oxidu uhličitého – vzorec pro výpočet emisí CO₂ ze spalování fosilních paliv:

(hmotnost paliva) x (výhřevnost paliva) x (emisní faktor uhlíku) x (1 – nedopal)

kde:

• emisní faktor uhlíku (t CO₂/MWh výhřevnosti paliva) je stanoven na základě složení místního paliva, které je používáno pro zabezpečení energetických potřeb konkrétního projektu; standardně doporučené hodnoty pro nedopal jsou:
  • 0,01 pro kapalná paliva;
  • 0,005 pro plynná paliva.

Faktory energetické přeměny [kWh/kWh] pro globální hodnocení (faktory primární energie aktuální podle přílohy č. 3 k vyhlášce č. 264/2020 Sb.):

• Úspory EE se počítají pro systémové elektrárny, přepočet na primární EE je upraven od 1. 9. 2020 na koeficient EE = 2,6.
• Přepočet na primární/globální hodnocení tepelné energie je uvažován koeficientem pro ZP = 1,0.

Emise z automobilové dopravy – využití programu MEFA pro stanovení produkce emisí z automobilové dopravy (ATEM nebo nové metodiky MŽP, CENEST apod.).

V současnosti probíhají v mnoha zemích včetně ČR rozsáhlé emisní studie, které budou podkladem pro zpracování nové sady emisních faktorů se zapracováním zvýšených emisí v reálném provozu na komunikacích. Se zapracováním stárnutí vozového parku v rámci emisní třídy, teplé emise (TE, g/kg), studené více emise ze studeného startu (SVE, g/start), zahrnutí vlivu teploty, vliv doby stání – vychládání motoru apod.

Hlavní emise v pozemní dopravě tvoří oxid uhličitý (CO₂), dále oxid uhelnatý (CO), oxidy dusíku (NO_x), prachové částice (PM), těkavé organické látky (VOC) a těžké kovy (např. olovo). Pozemní doprava produkuje zanedbatelné emise oxidů síry (SO_x). Největší podíl v produkci SO_x v dopravním sektoru má námořní doprava.

5.2 FAKTORY PRIMÁRNÍ ENERGIE Z NEOBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE HODNOCENÉ BUDOVY A EMISNÍ FAKTORY CO₂

Tab. 5.2 Příloha č. 3 k vyhlášce č. 264/2020 Sb.

Tab. 5.3 Příloha č. 8 k vyhlášce č. 140/2021 Sb.

¹⁾ Emisní faktory v [t CO₂/MWh] jsou vztaženy k výhřevnosti paliva.

5.3 EMAS – SYSTÉM EKOLOGICKÉHO ŘÍZENÍ A AUDITU

EMAS (Eco-Management and Audit Scheme) je systém řízení organizace z hlediska ochrany životního prostředí. Je dobrovolným programem environmentálního řízení, který byl vyvinut v roce 1993 Evropskou komisí. Umožňuje organizacím posoudit, řídit a neustále zlepšovat své životní prostředí. Systém je globálně použitelný a otevřený pro všechny typy soukromých a veřejných organizací. K registraci v systému EMAS musí organizace splňovat požadavky nařízení EMAS. EMAS tvoří nadstavbu normy ISO 14001.

Přístup spočívá ve vytvoření, zavedení a udržování vhodně strukturovaného systému managementu a jeho validaci nezávislým ověřovacím orgánem.

5.4 IPPS – INTEGROVANÁ PREVENCE A OMEZOVÁNÍ ZNEČIŠTĚNÍ

IPPC (Integrated Prevention Pollution Control) je integrovaná prevence a omezování znečištění.

Řídí se podle zákona č. 76/2002 Sb., o integrované prevenci a o omezování znečištění, o integrovaném registru znečišťování a o změně některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů. Zákon je základem harmonizace českých právních předpisů v oblasti životního prostředí s právními předpisy Evropské unie. Zákon implementuje Směrnici Rady č. 96/61/EC, o integrované prevenci a omezování znečištění, kodifikované znění této směrnice pod označením 2008/01/ES. V roce 2010 vyšla Směrnice Evropského parlamentu a Rady pod označením 2010/75/EU, o průmyslových emisích (integrované prevenci a omezování znečištění) – IED.

Zákon č. 76/2002 Sb., o integrované prevenci, ve znění pozdějších předpisů, představuje tržně kompatibilní nástroj, který slučuje výhody individuální motivace podniků a jejich vlastníků s možností efektivní účasti odborné i laické veřejnosti v rozhodovacích procesech. Tím podněcuje proces samovolného a dobrovolného zvyšování nároků v oblasti energetické a materiálové úspornosti podniků, environmentální šetrnosti výrobních procesů, výrobků a produkce znečišťujících látek. V oblasti právních předpisů a jejich implementace je jedním z pilířů snahy Evropské unie o směřování k trvale udržitelnému rozvoji. Příloha č. 1 zákona stanovuje kategorie průmyslových činností, na která se vztahuje jeho působnost. V této příloze jsou zastoupeny téměř všechny kategorie činností – nakládání s odpady, energetika, chemický průmysl, zpracování kovů, velkochovy hospodářských zvířat apod.

Informace k novele zákona o IPPC:

• Informační systém IPPC MŽP.
• Stránky MPO k IPPC.

Tab. 5.4 Specifické emisní limity pro kotle a teplovzdušné přímotopné stacionární zdroje

Poznámky:
¹⁾ Na spalovací stacionární zdroje spalující hnědé uhlí, provozované nejvýše 3 200 provozních hodin ročně, se vztahuje specifický emisní limit 2 000 mg·m^-3.
²⁾ Pokud provozovatel prokáže, že nelze této hodnoty z technických důvodů dosáhnout použitím nízkoemisních hořáků, platí specifický emisní limit 200 mg·m^-3.
³⁾ Platí v případě spalování biomasy ve stacionárních zdrojích s výjimkou spalování výlisků z biomasy.
⁴⁾ Vztahuje se na spalování těžkého topného oleje a jemu podobných kapalných paliv.

6 PROPOJENÍ PROCESU A VÝSTUPŮ PENB + EA + ČSN EN ISO 50001/50002 A ČSN EN 16247-1 AŽ 5

7 AKTUÁLNÍ VÝVOJ PRÁVNÍCH PŘEDPISŮ PRO REALIZACI ÚSPORNÝCH OPATŘENÍ A JEJICH FORMY A MOŽNOSTI FINANCOVÁNÍ

Možnost využití provozních dotací na podporu kombinované výroby elektřiny a tepla (KVET) při splnění právních předpisů pro kombinovanou výrobu:

• zákon č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií, ve znění pozdějších předpisů;
• zákon č. 458/2000 Sb., o podmínkách podnikání a o výkonu státní správy v energetických odvětvích, ve znění pozdějších předpisů, připravuje se novela zákona;
• zákon č. 165/2012 Sb., o podporovaných zdrojích energie a o změně některých zákonů, ve znění pozdějších předpisů, připravuje se novela zákona;
• zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší, ve znění pozdějších předpisů;
• vyhláška č. 37/2016 Sb., o elektřině z vysokoúčinné kombinované výroby elektřiny a tepla a elektřině z druhotných zdrojů, ve znění pozdějších předpisů;
• zelené bonusy – výše podpory zelených bonusů je každoročně vyhlašovaná Energetickým regulačním úřadem (ERÚ) – Cenové rozhodnutí ERÚ.

Možnosti financování jednotlivých energetických úsporných opatření:

• aktuální výzvy OPŽP, OPPIK, IROP a chystaný OPTAK na programové období 2021-2027, NPO a modernizační fond;
• aktuální výzvy lze také dohledat na stránkách MPO, MŽP, Státního fondu životního prostředí ČR a v případě fotovoltaických systémů na stránkách Solární asociace.

8 INFORMAČNÍ ZDROJE

• technické normy, závazné zákony, vyhlášky a technická literatura;
• vlastní zpracované energetické audity, energetické posudky a energetické koncepce nebo studie;
• u převzatých částí např. výpočtové aplikace pro řešení dopravy, obrázky apod. je uvedený zdroj čerpání.

POUŽITÉ ZÁKONY, VYHLÁŠKY, PŘEDPISY A NORMY

Další informace lze nalézt na stránkách Energetického regulačního úřadu.

9 ZÁVĚR

Zhodnocení výsledků navržených opatření:

• A. Nasazení nových progresivních energetických systémů při modernizacích je vhodné a obecně generuje provozní energetickou i finanční úsporu.
• B. Např. uvedené spojení nasazení KGJ se současnou realizací FVE s akumulací do baterií umocňuje synergický efekt vzájemné podpory těchto progresivních energetických systémů.
• C. Při realizaci nových energetických systémů je potřeba zohlednit vždy konkrétní možnosti nasazení v dané stavbě, jejich vzájemné výkonové nadimenzování na stávající energetický provoz a jejich provozní podmínky a tento provoz SW řídit, monitorovat, vyhodnocovat a optimalizovat.

Stav: vydání 2012

Anotace:
Tato pomůcka poskytuje pohled na vyvíjející se možnosti energetických úspor při čištění odpadních vod. Po všeobecném úvodu jsou popsány možnosti optimalizace procesů ČOV a získávání energie z odpadních vod v příkladech, zejména ze zahraničí. Je popsáno přístrojové vybavení, strojní zařízení, recyklace energie, možnosti intenzifikace procesů a jejich metody a další zdroje energie na ČOV.

Upozornění k textu

OBSAH

ÚVOD

Tato technická pomůcka je určena autorizovaným osobám, zejména projektantům v oboru stavby vodního hospodářství a krajinného inženýrství, pracujícím v oblasti staveb zdravotně-technických. Obsahuje pohled na vyvíjející se možnosti energetických úspor při čištění odpadních vod. Po všeobecném úvodu jsou popsány možnosti optimalizace procesů ČOV v příkladech, zejména ze zahraničí. Popsané možnosti bude nutno sledovat a jejich uplatnění konkrétně aplikovat na jednotlivé případy ČOV v závislosti na místní situaci, výhledu a technických možnostech a finančních zdrojích.

Snížení provozních nákladů, mimo jiné i energii, se v současné době stává, vedle splnění požadavků právních předpisů, prioritou pro provozovatele vodohospodářských a čistírenských infrastruktur. Pokles růstu ekonomiky, vzrůstající cena a spotřeba energie a stále přísnější nároky na kvalitu vyčištěné odpadní vody jsou jedny z hlavních faktorů, vedoucích k tlaku na energetickou optimalizaci v oboru. Zatímco jinde ve světě, zejména v zemích s nedostatkem vody, je normální vyčištěnou odpadní vodu recyklovat a zároveň optimalizovat spotřebu energie s využitím alternativních zdrojů energie, u nás v České republice zatím panuje poměrně konzervativní vyčkávací přístup. Koncepty zabývající se zlepšením hospodaření s energií jsou k dispozici, jeden z nich je detailně rozpracován např. v tzv. „městech budoucnosti“ (z anglického Cities of Future) [1] a zahrnuje, vyjma optimalizace nakládání s energií, i s tím spojené nádoby, např. recyklaci vyčištěné odpadní vody nebo recyklaci nutrientů.

Obr. 1 Primární funkce sanitačních systémů [16]

Někdy je také možné se v této souvislosti setkat s akronymem NEW – nový přístup k energii (E), recyklaci vody (W) a recyklaci nutrientů (N), a někdy se preferuje ještě komplexnější přístup – do požadavků jsou zahrnuty i nároky na minimalizaci znečištění ovzduší. Dalším obdobným přístupem je pak pohled tzv. udržitelného rozvoje a na jeho základě definovaná funkce sanitačních systémů.

Primárními funkcemi sanitačních systémů jsou ochrana zdraví, recyklace vody, živin a energie a zabránění snižování kvality životního prostředí. Řešení ekologické sanitace (odpadních vod) by pak tedy mělo zahrnovat přinejmenším tyto funkce. Ochrana zdraví je propojena s kvalitou životního prostředí a požadavky v této oblasti jsou z velké části vyjádřeny právními předpisy (emisní hodnoty, BAT nebo NEK), spotřeba energie, vody a snaha o recyklaci nutrientů je pak funkcí tržních mechanismů. Bohužel právní předpisy i tržní mechanismy jsou často ovlivněny vyjednávací silou lobujících subjektů, a ne tím, co je objektivně nejoptimálnější pro lidstvo jako celek. Proto se také změny většinou dějí diskontinuálně poté, co se stane situace v té které oblasti neudržitelná. V každém případě je ale dobré optimální řešení znát, a alespoň v jejich duchu řešení navrhovat tak, aby byla v budoucnu v případě potřeby realizovatelná s co nejmenší ztrátou. Přímo se nabízí jeden citát „je zbytečné utíkat ve vlaku v uličce v protisměru, když vlak jede jiným směrem“. V podstatě se tento směr dá popsat také tak, že odpadní voda, živiny i energie by měly být řešeny co nejblíže místu, kde ke znečištění vody došlo, a nepřenášet problém jinam. Uvedené zásady platí zejména pro rodinné domy, skupiny rodinných domů, vesnické a horské oblasti. Využít je lze také v městské zástavbě, i když tam se často z důvodů ekonomických a urbanistických řeší problematika centrálně. Někdy je důvodem pro centrální řešení i síla společností zabezpečujících provoz kanalizace, podpořená dotační politikou státu. Ale i centrální řešení skýtají velké možnosti pro využití energie a nutrientů, a případně i recyklace části vod. Další možnosti se pak nabízejí v komplexním přístupu k odpadům jako celku – sloučením likvidace odpadů a čištění odpadních vod. Bohužel v tomto případě na sebe narážejí často neslučitelné zájmy různých podnikatelských subjektů a jejich lobbystické možnosti.

Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by měl být proto v kontextu energetických úspor a udržitelného rozvoje založen na těchto hlavních cílech:

a) volba vhodného systému odkanalizování (centrál x decentrál) pro danou lokalitu,

b) volba vhodného typu technologie (technologie s nejmenšími nároky na energii),

c) minimalizace množství energie potřebné na čištění vod optimálním řízením,

d) výměna přístrojového vybavení za energeticky úspornější,

e) volba vhodného předčištění,

f) zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vod,

g) produkce energie z kalů,

h) recyklace energie,

i) využití další energie z obnovitelných zdrojů,

j) využití energeticky méně náročných technologií,

k) ochrana recipientu a životního prostředí,

l) snižování odtokových koncentrací polutantů,

m) zvyšování kvality kalů aplikovaných na půdu,

n) minimalizace množství vznikajících odpadů a ukládání na skládky,

o) odstraňování mikropolutantů,

p) snižování celkové stopy zařízení (carbon footprint, zápach, zastavěná plocha apod.),

q) čištění vzduchu, zachytávání aerosolů,

r) využívání vznikajícího CO₂,

s) výběr technologie s menšími požadavky na zastavěnou plochu,

t) umožnění recyklace energie, nutrientů, vody,

u) recyklace makronutrientů (hlavně fosforu),

v) znovu využívání vody,

w) využívání dostupné energie nesené vodou.

Postup uplatňování by měl začít od úvah nad celkovým řešením, a teprve pak řešit detaily podle toho, co je racionálně realizovatelné. V řadě případů může být ekonomičnost optimalizace spojena až např. s rekonstrukcí ČOV, nebo s výměnou některých opotřebovaných zařízení.

1 ENERGETICKÝ POHLED NA ČOV (ÚSPORY ENERGIE A PRODUKCE ENERGIE)

Dá se prokázat se, že v komunálních vodách je až 9x více energie než je jí potřeba k jejímu vyčištění – v podstatě by tedy ČOV měla energii spíše produkovat než spotřebovávat. Současným cílem by však měla být alespoň minimalizace spotřeby, případně i energetická soběstačnost. Což by samo o sobě představovalo nemalé snížení provozních nákladů. Spotřeba energie totiž patří mezi významné provozní náklady na čistírnách odpadních vod a tvoří cca 15–30 % nákladů na větších čistírnách a 30–40 % na menších čistírnách [2]. Obdobná studie v našem regionu – v Rakousku došla zhruba ke stejným číslům (obr. 2) [2]. Většina čistíren odpadních vod byla navržena především za účelem maximální účinnosti čištění a provozní náklady nebyly při návrzích čistíren příliš zohledňovány. Je dokonce znám případ v ČR, kdy po rekonstrukci ČOV, díky změně technologie realizované v roce 2011, stoupla spotřeba elektrické energie z asi 1 kWh/m³ vyčištěné vody na více než 2 kWh/m³.

V současné době se na čistírnách používají stále pokročilejší technologie, dokonce se objevují nové požadavky, a to jak za účelem odstraňování „nových“ polutantů jako jsou např. endokrinní disruptory, tak i za účelem recyklace vyčištěné odpadní vody. Tyto technologie (např. pokročilé oxidační procesy nebo membrány) mívají zpravidla vyšší energetické nároky, a proto je zde pochopitelná snaha kompenzovat zvýšenou spotřebu a optimalizovat energetický management na čistírnách. Použití nových technologií není však omezeno jen na řešení nových požadavků. Často je největší překážkou konzervativní přístup provozovatele a v podstatě i neexistující motivace – úspory se nepromítnou do příjmů společnosti a potřeba investic je obtížně prosaditelná např. z důvodu délky provozních smluv.

Obr. 2 Průměrné provozní náklady na 98 čistírnách v Rakousku [2].

Efektivní a ekonomický systém čištění odpadních vod by proto měl být v kontextu energetických úspor založen na třech hlavních cílech:

• minimalizace množství energie potřebné na čištění odpadních vod;
• zajištění energeticky soběstačného čištění odpadních vod;
• snížení negativního dopadu čištění odpadních vod na okolní životní prostředí.

Obecně odpadní voda obsahuje organické látky, tepelnou a kinetickou energii, jejíž množství je, jak již bylo uvedeno, zhruba 9x vyšší než je potřeba na její čištění [3, 4]. Paradoxně ačkoliv odpadní voda obsahuje takové množství energie, na valné většině čistíren je nutno energii na vyčištění odpadní vody ještě dodat. Proto je potřebné provést na čistírně bilanci energetických vstupů a výstupů, což může v praxi znamenat schéma znázorněné na obr. 4.

Jak již bylo zmíněno, energetický obsah v odpadní vodě lze rozdělit na čtyři hlavní formy: chemickou, tepelnou, kinetickou a potenciální [5].

Tepelná energie

Množství tepelné energie obsažené v odpadní vodě je dáno měrnou tepelnou kapacitou vody, které je přibližně 4,2 kJ/kg·K nebo 4,2 MJ/m³ na 1 °C teplotní změny.

Hydraulická (kinetická a potenciální) energie

Potenciální energie je energie vodního sloupce a je rovna 9,8 kJ/m³ na metr výšky. Kinetická energie je rovna 0,18 kJ/m³ při rychlosti proudění 0,6 m/s [9].

Chemická energie

Chemická energie je energie obsažená v organické hmotě v odpadní vodě, nejčastěji vyjadřovaná ve formě chemické spotřeby kyslíku – CHSK v mg/l. Tchobanoglous [3] definuje potenciál chemická energie kalu v rozmezí 12–15 MJ/kg CHSK (13 MJ/kg CHSK v průměru), což lze přepočítat na 3–12 MJ/m³ (5,6 MJ/m³ v průměru) pro složení běžné komunální vody o složení 250–800 mg/l CHSK. Např. Shizas [3] naměřil na ČOV North Toronto hodnotu 6,3 MJ/m³ pro surovou odpadní vodu.

Obr. 3 Energie má mnoho forem a ty mezi sebou konvergují

Na čistírnách dochází k mnoha procesům vzájemné konverze mezi jednotlivými typy energií, a to jak při jejich tvorbě, tak při jejich spotřebě. Spolu s využitím údajů na obr. 2 a identifikací možných externích zdrojů lze potenciál energetických úspor na čistírnách hledat následujícími způsoby:

• optimalizací technologického uspořádání a provozování;
• optimalizací přístrojového vybavení na čistírně;
• recyklací energie z vody;
• optimalizací získávání energie z biomasy;
• využitím obnovitelné energie.

Obr. 4 Potenciál energetických úspor pro vyvážené nakládání s energií [5]

2 OPTIMALIZACE TECHNOLOGICKÉHO USPOŘÁDÁNÍ A PROVOZOVÁNÍ

Selským rozumem to znamená minimalizovat procesy, při nichž se energie vydává, a maximalizovat procesy, při nichž je možné energii získat – tj. minimalizovat aerobní část (minimalizovat množství organického znečištění) a maximalizovat produkci energie z kalu, pokud je to ekonomicky výhodné.

Audity a benchmarking

Pravidelné provádění energetického auditu, benchmarkingu čistíren a navržení „energetických BATů“ jsou základní kroky, které by měly vést k energetickým úsporám, vyplývajícím z optimalizace přístrojového vybavení na čistírnách odpadních vod. Ale šetřit lze okamžitě, a to poměrně nenáročnými opatřeními. Byla provedena důkladná studie na evropských čistírnách, která prokázala, že bez výrazných investičních nákladů lze uspořit 10–15 % celkových nákladů na energii [3]. Celkově lze říci, že v průměru lze dosáhnout úspor dokonce okolo 20 % oproti stávajícímu stavu, přirozeně s vyššími úsporami u větších čistíren.

Ve světě už je známých několik různých návodů nebo scénářů, jak energetické úspory na čistírnách odpadních vod provádět. Jedním z nejzajímavějších návodů je manuál, který vydala americká EPA, a dále ENERGY STAR Portfolio manažer. Ze starších návodů se dá připomenout SAIC nebo UK WIR [1]. Existuje i řada cílených software na jednotlivé technologické procesy, např. na optimalizaci čerpadel a čerpacích stanic existuje program PSAT a na výběr vhodných motorů MotorMaster+ nebo 1*2*3 Approach to Motor Management.

Optimalizace pomocí matematické simulace

K optimalizaci procesů lze využít různé simulační programy; dostupné jsou již i programy, které neoptimalizují jen dosažení odtokových hodnot, ale zároveň i spotřebu energie. Opět je důležité při tom postupovat komplexně, tj. brát v úvahu celou čistírnu. Vyjmutím některé části může dojít k značnému zkreslení, což je často používáno k manipulacím zdůvodňujícím použití některého jednotlivého zařízení. Simulace v rámci celé ČOV pak tyto manipulace dokáže odhalit. Případně lze pomocí simulace najít možnosti, kde zvýšit produkci energie nebo jaké přístrojové vybavení zvolit.

Lze tak také rychle a levně porovnávat systémy, ve kterých dojde k výměně spotřebičů, změně technologie nebo provozních parametrů a zavedení řídicích systémů. Namodelovaná data potom mohou tvořit základ případové studie přínosů jednotlivých změn na celkovou spotřebu energie a zároveň i na kvalitu vypouštěné vody.

Obr. 5 Strojní vybavení ČOV – část předčištění [14]

Optimalizace přístrojového vybavení na čistírně

Optimalizace přístrojového vybavení zpravidla vyžaduje provedení energetického auditu na čistírně. V mnoha provozech je měřena spotřeba elektrické energie, nicméně s daty se nepracuje a shromažďují se data pouze proto, aby byla. Data a jejich vyhodnocení jsou nesmírně důležité pro kontrolu systému (spotřeba elektrické energie) a v předcházení mnoha havárií (např.: pokud vidíme zvýšenou spotřebu, je něco v nepořádku a můžeme hledat příčinu).

Po provedení energetického auditu následují zpravidla tyto kroky:

• analýza výměny spotřebičů za spotřebiče se stejným výkonem, ale nižší spotřebou energie, kdy se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu, jak je vidět i na obr. 6. Řešením je pak nahrazení stávajících přístrojů nízkoenergetickými spotřebiči;
• optimalizace řízení procesu – opět se soustřeďujeme především na čerpací stanici a dodávku vzduchu. S výhodou lze použít jednoduché modelovací systémy a na základě těchto dat upravit chod jednotlivých spotřebičů podle skutečné potřeby výkonu, například pomocí frekvenčních měničů, popřípadě výměnou zastaralých spotřebičů za spotřebiče s vyšší účinností.

Obr. 6 Procentuální rozdělení spotřeby energie na ČOV o velikosti 100 000 EO [6]

Aerace

Jak je i z grafu patrné, největší důraz by měl být kladen na optimalizaci aerace. Ve světě se vyhodnocuje řada ekonomických postupů, které aeraci optimalizují např. dodávkou velice jemných mikrobublin (intenzita dodávky vzduchu nezajistí postačující promíchávání v aeraci) v kombinaci s dodávkou bublin umožňujících udržet aktivovaný kal ve vznosu, nebo s umístěním míchacího zařízení přímo v oxické zóně aktivace. Dalších významných energetických úspor může být dosaženo instalací senzorů a sond (např. kyslíkových nebo amoniakálních sond) za účelem automatického řízení dodávky vzduchu, nebo instalací dmychadel s frekvenčními měniči nebo optimalizovaným automatizovaným systémem řízení dodávky vzduchu. Mezi další energetické úspory spojené s dodávkou vzduchu patří např. vypínání dodávky vzduchu při nízkém průtoku nebo zatížení na čistírně, nicméně tyto provozní zákroky by měly být ošetřeny nejprve nejlépe dynamickou počítačovou simulací, aby nedošlo neuváženým zákrokem ke skokovému zhoršení v kvalitě odtékající vyčištěné odpadní vody.

Čerpací stanice

Druhým místem, kde leží největší potenciál úspor, jsou čerpací stanice, ačkoliv zde je potenciál úspor ve značné míře závislý na reliéfu krajiny a typu přítoku na čistírnu. Zde je nutné poznamenat, že účinnost využití čerpadel závisí především na potenciálu jejich využití. Je proto bezpodmínečně nutné, aby čerpadla pracovala na plánovaný maximální výkon a byla podrobena pravidelné kontrole a údržbě. Systém úspor by měl zahrnovat monitoring spínání a chodu čerpadel v reálném čase, který by měl být buď pravidelně vyhodnocován, anebo opatřen signálním systémem, hlásícím přetížení nebo nevytížení jednotlivých čerpadel.

V celkovém kontextu a dlouhodobém měřítku se doporučuje využívat zařízení s motory s vysokou účinností a frekvenčními měniči namísto zařízení s konstantními otáčkami, což je pochopitelné i z ekonomického hlediska, protože pořizovací cena zařízení je naprosto zanedbatelná ve srovnání s provozními náklady a životností zařízení.

Tornow [4] srovnával chod čerpadel v čerpací stanici při kontinuálním a diskontinuálním chodu. Pro čerpadlo o diskontinuálním chodu a výkonu 14 kW tvoří investiční náklady 40 % po pětiletém provozu při 1 000 provozních hodinách za rok; po 10 letech tvoří tyto náklady pouze 25 %. Přirozeně nejvyšší částku tvoří spotřeba energie, která je 50 % nákladů po pěti letech a 63 % nákladů po 10 letech. Srovnání i s čerpadlem s kontinuálním chodem je znázorněno na následujícím obrázku.

Obr. 7 Náklady na provoz čerpadla 14 kW při diskontinuálním (nahoře) a kontinuálním (dole) provozu [4]

Míchání

Ačkoliv míchání není na prvních dvou místech energetické náročnosti procesů, i jej lze optimalizovat za účelem úspor. Nižší spotřebu než klasická míchadla mají hyperbolická nebo pulzní hrubobublinná míchadla [4]. Dále se jako ekonomické jeví optimalizovat náklady na spotřebu elektrické energie snížením její spotřeby. Pokud jsou čistírny vybaveny vyrovnávacími nádržemi, bude ekonomicky výhodné zachycovat píkové přítoky v nich a poté odpadní vody čistit později, kdy není energetická špička.

Biologické procesy

Budoucnost: z pohledu energetické úspornosti by se teoreticky měly upřednostnit anaerobní procesy, což určitě bude v budoucnu jedna z cest, zatím je jejich nevýhodou nižší úroveň čištění. S lepší schopností pracovat více s tepelnou energií, případně dalšími novými procesy (anaerobní membránové procesy, deamonifikace) význam anaerobie poroste. V současné době však některé technologické uzly nejsou ještě dostatečně provozně ověřeny, návrhy a poloprovozy avizující změny však již existují.

Obr. 8 Příklad schématu komunální ČOV s využitím anaerobního stupně [16]

Současnost: pokud se chceme pohybovat v rámci dnes nejčastěji používaných technologií, pak máme několik možností jak šetřit energií a jak intenzifikovat procesy.

Asi nejefektivnějším opatřením je minimalizace aktivační části tím, že se sníží obsah organických látek přiváděných do aktivace a tím, že se zabezpečí optimální množství dodávaného vzduchu a jeho distribuce. K tomu slouží automatizace řízení, založená na měření a regulaci. Mimo výše zmíněné inovativní technologie budoucnosti přicházejí již dnes v úvahu pokusně ověřené nové biologické procesy. Potřeba odstraňování nutrientů vedla totiž k dalším energetickým nárokům zejména na aeraci. Tudíž se jeví jako slibné některé novátorské technologie, např. deamonifikace prostřednictvím anaerobní oxidace amoniaku, tzv. proces Anammox. Problematiku odstranění dusíku lze řešit s využitím nosičů biomasy (nejčastěji vznášené filtrační vrstvy MBBR) a využít tak toho, že v přisedlé biomase je větší podíl nitrifikantů, a tím je možno pracovat s menšími objemy a tedy i menší spotřebou vzduchu.

Kalové hospodářství

Oblast, která spolu s předčištěním a aerací nejvíce ovlivní energetické hodnocení. Snahou by měla být výroba bioplynu a jeho energetické využití na výrobu elektrické a tepelné energie, která se využije např. na sušení kalu. Nové prognózované směry vývoje pak dokonce preferují výrobu vodíku z bioplynu a použití palivových článků na výrobu elektrické energie.

Snahy v této oblasti se tak logicky ubírají několika cestami:

• snaha o co nejvyšší produkci bioplynu – což lze dosáhnout vyššími teplotami při anaerobních procesech při zpracování kalu nebo dezintegrací kalu. Asi nejnadějnější z užívaných typů dezintegrace je tepelná dezintegrace, ale vyzkoušená je i celá řady dalších dezintegračních metod, např. ultrazvukem. Další možnosti, jak zvýšit produkci bioplynu, skýtá podpora rozkladu volbou vhodných bakterií a vytvářením optimálních podmínek pro ně;
• snaha o co nejmenší provozní náklady a spotřebu energie při zpracování kalů;
• snaha o minimalizaci množství kalů a snížení nákladů na jejich likvidaci.

Jednou z cest ověřovaných např. ve Švýcarsku je využití tepla z výroby elektrické energie na sušení kalu a jeho následné využití v cementárně nebo ve spalovně.

Příklad zařízení používaných pro intenzifikaci ČOV

Po létech tučných, kdy se rekonstruovaly čistírny spíše extenzivním způsobem, neboť náklady byly hrazeny z veřejných prostředků, se očekává, že další kroky povedou spíše cestou intenzifikce. Ve stávajících objemech s co nejúspornějšími technologiemi se budou řešit jak požadavky na zvýšení kapacity, tak i požadavky na přísnější odtokové parametry. Při tom by měly mít přednost technologie spotřebovávající co nejméně energie a technologie, které budou schopny získat co nejvíce energie z odpadních vod.

V budoucnu se předpokládá, že další intenzifikace čistíren odpadních vod budou muset být řešeny s co nejmenšími prostorovými a energetickými nároky. Na významu nabude jak odstranění nutrientů, tak i otázka energií – co nejvíce ušetřit, případně i co nejvíce energie vyprodukovat. Pomůcka se tedy zaměří na některá vybraná technologická zařízení a postupy v tomto směru působící.

Je zřejmé, že některé dnešní požadavky budou a jsou protichůdné. V tom je právě výzva dnešní doby – dokázat minimalizovat náklady a zároveň maximalizovat výnosy a zvyšovat kvalitu produktů. Ze zkušeností a minulosti se ví, že když je potřeba (poptávka), tak se řešení najde. Také realizované výzkumy ukazují, že se objevují nové možnosti – ať už v oblasti recyklací nutrientů (což je jedna z priorit), recyklací energií (ve vodě odchází takové množství energie, že by se tím dala pokrýt z velké části současná potřeba) a recyklaci vody samotné.

Zásady navrhování

Pokud chceme zohlednit energetické hledisko, je třeba si v první řadě uvědomit, v jaké formě se energie ve vodě nachází:

• jako organické látky, které v aerobním prostředí reagují za vzniku tepelné energie;
• jako tepelná energie (samotná teplota odpadní vody);
• jako hydrostatická nebo hydrodynamická energie.

Z tohoto pohledu by tedy měly být upřednostněny postupy, kdy se co nejvíce organických látek využije na výrobu tepelné nebo elektrické energie, postupy, při nichž je minimální spotřeba elektrické energie a uspořádání, kdy se co nejméně energie spotřebuje na dopravu vody a kalu.

Předčištění

S ohledem na výše uvedené by na významu měly získat technologie umožňující zachycení co nejmenších částic organických látek. Separace organických látek umožní jejich další využití a tím, že se sníží koncentrace znečištění, se pak sníží i potřeba aerace a tedy výdaj elektrické energie na aeraci.

Vhodná strojní zařízení

Je již celá řada zařízení specializujících se na odstranění co nejmenších frakcí nerozpuštěných látek. Na trhu jsou nejrůznější jemné česle, rotační síta nebo dokonce filtrační zařízení.

Vhodná strojní zařízení – česla a síta

Obvykle jsou česle prvním stupněm na ČOV; nejčastěji se používají vertikální pruty se štěrbinou 6–12 mm. V některých případech se používají i síta, přičemž jejich funkce je obecně spolehlivá. V Německu se navrhují česle a síta podle DIN 19569, část 2 (DIN 2002). Podle konstrukčních aspektů a podle technického vybavení a velikosti otvorů se síta dělí na česle s otvory do 2 mm a síta s otvory nad 2 mm. Dalším technickým aspektem je konstrukce povrchu síta a geometrie. Dnes se používají štěrbiny, otvory a oka. Podle konstrukčního uspořádání se česle a síta dělí na zařízení s horizontálními a vertikálními průlinami (štěrbinami). Tab. 1 a obr. 9 ukazují dnes používané rozdělení česlí a sít (viz DWA – Merkblattentwurf – Membranbelebungsanlagen) a používané geometrické uspořádání.

Tab. 1 Charakteristika česlí a sít (rozměry v mm)

Obr. 9 Geometrie česlí a sít [14]

Pro navrhování je důležitý podíl otvorů. Zde většinou vycházejí lépe oka než otvory. Důležitý je pak i způsob čištění a potřeba např. vody nebo vzduchu na ostřik a čištění. Z provozních důvodů se síta a česle navrhují se 100 % předimenzováním (zejména u menších čistíren).

Vzhledem k vývoji předčištění je třeba zohlednit množství zachycených nečistot i při navrhování. Shrabky činí (při sušině asi 25 %) 4–8 l /EO·den. Zkušenosti ukazují, že při použití jemného síta se štěrbinami se dosahuje obdobných výsledků. Při použití jemného síta s oky a otvory může být zachycené množství až 5x větší. V extrémních situacích (splachy po delší době bezdeštného průtoku) pak ještě významně větší množství (tab. 2).

Tab. 2 Shrabky (odvodněné na 25% sušiny) v l /EO·den

V Německu bylo dále provedeno dlouhodobé sledování na asi 20 ČOV s různými způsoby filtrace na sítech – vliv na odstranění má jak geometrie otvorů (tab. 3), tak i jejich velikost.

Tab. 3 Vliv geometrie otvorů na zachycení NL a snížení CHSK

Síto s oky vykazuje očekávaně téměř dvojnásobný výkon, co se týká zachycení odfiltrovatelných látek.

Tab. 4 Vliv velikosti otvorů na odstraněních NL a CHSK

Pokus proběhl na ČOV Nordkanal/Karst. Předčištění před oběma štěrbinami bylo identické (česle s průlinami 5 mm a lapák písku a tuků). Pokus také ukazuje, že velikost štěrbiny má podstatný vliv.

Vhodná strojní zařízení – filtrace – SFT filtr jako jedno z možných řešení

Nařízení EU pro primární usazování jej definuje jako zařízení, jež je schopno odstranit alespoň 50 % přitékajících NL a 20 % organických látek (ve formě BSK5). Jeho význam opět nabývá na významu v souvislosti s použitím membránových technologií, kde je třeba zajistit následnou spolehlivost provozu. Dokonalé předčištění také vede k následné minimalizaci objemů a k lepší energetické bilanci celé ČOV. Představitelem takového zařízení je např. SFT filtr. Toto zařízení je schopno navíc NL separovat i zahustit a s pomocí integrované odvodňovací jednotky kal odvodnit až na 20–40 % sušiny.

Obr. 10 SFT filtr [14]

Použití SFT filtrů má své opodstatnění tam, kde:

• chceme minimalizovat prostorové nároky;
• chceme optimalizovat provoz látkově přetěžované čistírny;
• chceme zlepšit energetickou bilanci na ČOV;
• chceme umožnit použití dalších technologií, vedoucích ke zvýšení kvality odtokových parametrů (MBR) nebo kvality produkovaného kalu (ATS).

Nesmíme však přitom zapomenout, že je třeba přizpůsobit i technologické schéma ČOV a zohlednit skutečnost, že se v procesu biologického čištění bude pracovat s menším množstvím organických látek, což má návaznosti na odstraňování dusíku. To sice zas až tak úplně nové téma není, ale cestičky přece jen ještě nejsou úplně prošlapané, a tak bude nutno počítat s klasickým odporem proti novinkám.

Aerace

Pro nejbližší období je tak úkolem minimalizace nákladů při použití aerobních technologií. Z hlediska technologického je vhodné využit denitrifikace k minimalizaci nákladů na oxidaci organických látek. Další cesty vedou přes volbu vhodných dmychadel – pomalu se prosazují šroubová na úkor Rootsových. Například při srovnání nového šroubového dmychadla ZS, které bylo v testech srovnáváno s Rootsovým dmychadlem se 3-zubovým rotorem, bylo prokázáno, že dmychadlo ZS je o 23,8 % energeticky úspornější, než 3-zubové Rootsovo dmychadlo při tlaku 0,5 bar a o 39,78 % úspornější při tlaku 0,9 bar.

Obr. 11 Šroubový element [16]

Nebo pokračuje hledání nových aeračních systémů s vyšším využitím vkládané energie, a také optimalizace řízení procesu čištění – nejčastěji aerace v závislosti na kontinuálním měření obsahu rozpuštěného kyslíku, případně forem dusíku.

ČOV s denitrifikací

Je všeobecně známé a využívané v různých uspořádáních. Principem je recirkulace aerobně předčištěné vody obsahující dusičnany a využití dusičnanů k oxidaci amoniakálního dusíku, čímž se uspoří energie na aeraci.

Obr. 12 Příklad technologického schématu ČOV s denitrifikací

Deamonifikace

Je to vlastně přímá oxidace amoniaku na dusík bez potřeby organických látek. Postup je dvoufázový. V prvním stupni se zoxiduje jen asi 50 % amoniaku na dusičnany. V druhém jsou v anoxických podmínkách amoniak a dusičnany redukovány na dusík N₂. Velkou výhodou tohoto postupu je, že prakticky není potřeba uhlík. Také se tímto způsobem ušetří až 60 % spotřeby kyslíku oproti klasickému postupu nitrifikace x denitrifikace. Jen 10 % amoniaku se změní na dusičnany, takže pak není možné odstranění dusíku na 100 %, což ale při 85–90 % odstranění dusíku není problém.

Praktické provedení deamonifikace:

Pro tento proces jsou potřebné speciální mikroorganismy, které byly objeveny až v roce 1999. Tyto bakterie rostou extrémně pomalu (zdvojnásobení počtu za 11 dnů), jsou i citlivé na zvýšení obsahu dusitanů, což doposud zabraňovalo většímu technickému použití v praxi.

Největší vliv měla instalace zařízení DEMON na spotřebu elektrické energie. Pokles specifických hodnot vztažených na 1 kg·N byl z 2–3 kWh/kg·N na asi 1 kWh/kg·N. Tento pokles byl očekáván a dá se zdůvodnit mimo jiné vyšší koeficientem α, neboť v aktivaci byly nižší koncentrace, a zmenšením podílu heterotrofních organismů. Také tím, že nebyly dávkovány přídavné organické látky, se zmenšila potřeba kyslíku. Zvýšil se i potenciál pro tvorbu bioplynu.

Obr. 13 Proces deamonifikace [19]

Membránové technologie

Vedle ČOV zaměřujících se na snížení potřeby elektrické energie se budou objevovat požadavky na zvýšení účinnosti a snížení nároků na objemy. Typickým představitelem tohoto směru jsou membránové technologie.

Hlavní předností membránových procesů je vedle dalšího zlepšení odtokových parametrů a zvýšení využitelnosti čištěné vody i možná úspora objemů – dokonce lze ušetřit i více než 50 % objemů ve srovnání s klasickými aktivačními čistírnami. V tomto případě je to však vyváženo mírným nárůstem spotřeby elektrické energie, neboť je třeba stlačit a pak dopravit k membránám stlačený vzduch, potřebný na jejich kontinuální čištění.

Obr. 14 Schéma ČOV s MBR [14]

Dalším způsobem jak šetřit objem a intenzifikovat procesy pro odstranění nutrientů jsou nárůstové technologie – kdy se využívá činnosti mikroorganismů, přisedlých na povrch nějakého nosiče. Nosiče mohou být různého tvaru – v poslední době se rozšiřují nosiče jako vznášená vrstva v aktivaci (MBBR). Dociluje se tím jednak vyšší koncentrace sušiny kalu v aktivaci a také zvýšení procenta nitrifikačních bakterií, a tím i lepšího čisticího efektu při odstraňování dusíku. Tímto způsobem lze zmenšit objem aktivačních nádrží až na polovinu.

Obr. 15 Příklad nosiče použitého v aktivaci (zvýšení plochy až na 3 000 m²/m³) [14]

Příklady schémat s využitím prezentované techniky

Výše uvedená zařízení a postupy je možné využít samostatně nebo v kombinacích. Na následujících obrázcích je pro srovnání uvedeno klasické, dnes nejčastěji používané technologické schéma, a pak schémata s minimálními nároky na objemy, která využívají MBR nebo MBBR technologií s novým typem předčištění. U jednotlivých obrázků jsou pak uvedeny i objemy nádrží, které jsou nutné pro jednotlivá uspořádání.

Obr. 16 Příklad klasického schématu s usazovací nádrží a biologickým čištěním [14]

Obr. 17 Schémata s MBR a MBBR technologiemi [14]

Kalové hospodářství

Jak již bylo řečeno, kalové hospodářství je oblast, která spolu s předčištěním a aerací nejvíce ovlivní energetické hodnocení. U velkých čistíren by měla převažovat snaha o vyrobení co nejvíce energie, u menších pak snaha o minimalizaci množství kalů a snížení nákladů na jejich likvidaci. Jednou z možností jak minimalizovat náklady na menších ČOV je použití nízkoenergetických odvodňovacích zařízení.

Vhodná strojní zařízení – příklad efektivního mechanického odvodnění

V současnosti menší čistírny odpadních vod většinou nemají vlastní kalovou koncovku, a tak se kal obvykle stabilizuje v objemných kalových nádržích, aby byla zajištěna alespoň základní stabilizace. Zahuštění kalu se většinou děje gravitačně, což znamená, že výsledná koncentrace kalu je kolem 2–3 % sušiny. To znamená, že v konečném důsledku se odváží 98 % vody, a to za dosti značnou cenu (cca 200 Kč/m³ a víc). Výhodnou variantou, jak tomuto zamezit, je zařízení na principu filtrace mezi pohybujícími se ocelovými kroužky. To je navrženo tak, aby bylo malé, lehké se snadnou údržbou a plně automatickým chodem. Konečným produktem je kal, jehož zahuštění by mělo být větší než 18 % sušiny. Zařízení by díky svým nízkým investičním i provozním nákladům mělo být vhodné na menší čistírny do 5 000 EO. Zejména nízká je spotřeba elektrické energie takového zařízení – obvykle v jednotkách kWh/den. Významnou předností tohoto zařízení je schopnost zahušťovat sekundární kal přímo z aktivace, takže u návrhu nové ČOV mohou odpadnout náklady na výstavbu uskladňovacích nádrží.

Obr. 18 Příklad použití dehydrátoru [16]

Produkce energie z bioplynu

Ze surového smíšeného kalu z ČOV, jehož výhřevnost je obvykle 15–17 MJ/kg sušiny, a kde 1 kg organických látek má výhřevnost 22–25 MJ/kg organické sušiny, lze získat z 1 kg odstraněných organických látek cca 1 Nm³ bioplynu, obsahujícího cca 64 % metanu (CH₄) a 36 % oxidu uhličitého (CO₂).

Anaerobní stabilizací kalu obvykle o sušině cca 5 % a obsahu organických látek 70 % lze tak při účinnosti rozkladu cca 50 % získat energii ve formě bioplynu, která představuje hodnotu cca 8 MJ/kg sušiny kalu. Výtěžnost energie procesem anaerobní stabilizace z kalu představuje tak cca 32 – 39 % celkové energie obsažené v kalu. Zbylá energie zůstává součástí vyhnilého kalu, jeho výhřevnost se tak snižuje cca na hodnoty 6–7 MJ/kg sušiny v případě velmi kvalitní anaerobní stabilizace kalu, mnohdy je však vyšší. Nicméně po „odčerpání“ části energetického obsahu ve formě bioplynu, je vyhnilý kal stále významným zdrojem energie. Proto se stále více používají návazné procesy dalšího využití energetického obsahu již vyhnilých kalů, které jsou však zatím používány s ohledem na jiný cíl finálního zpracování kalu – jeho konečnou mineralizaci. Převládá především spalování, ale stále více jsou využívány i jiné technologie. Jednou z nejnadějnějších se v poslední době jeví zplyňování kalů za vzniku pyrolýzního plynu.

Zpracování čistírenských kalů zplyňováním

ČOV jsou jako zdroj obnovitelné energie v ideální situaci. Vzniká na nich stabilně biomasa, která je přesně definovaného složení, velmi stabilního množství. Její každodenní vznik je na jednom místě bez potřeby dopravy, její energetická hodnota je velmi zajímavá a rovněž vznikající množství je pro energetické využití významné. Ve srovnání s jinými typy biomasy jde tak o ojedinělý případ. Současná kalová hospodářství ČOV plní především úlohu stabilizace kalu. Na středních a velkých čistírnách je základem procesu stabilizace kalů anaerobní stabilizace s produkcí a využíváním bioplynu. Postupně byly a jsou procesy anaerobní stabilizace intenzifikovány tak, aby se zvýšila produkce bioplynu (přechod na termofilní režim provozu, využití různých forem předúpravy kalu pro zvýšení produkce bioplynu). Kaly, které jsou nevyhnutelným odpadním produktem při čištění odpadních vod, se tak stávají významným zdrojem energie. Přitom kaly představují cca 1–2 % objemu čištěných odpadních vod, ale je v nich zkoncentrováno až 50–80 % původního znečištění [7].

Obr. 19 Technologie zpracování kalů z ČOV s energetickým zaměřením [15]

Zplyňování kalů

Zplyňování je tepelně-chemický proces, který využívá teplo k převedení paliva obsahujícího uhlík, na plyn rovněž určený pro spalování. Vznikající plyn se běžně označuje jako „syntézní plyn“ nebo „syngas“. Zplyňování se liší od spalování, protože využívá pouze 20 % až 30 % vzduchu nebo kyslíku potřebného pro úplné spalování paliva. Při zplyňování je množství vzduchu dodávaného do zplyňovacího reaktoru pečlivě řízeno tak, že jen malá část paliva hoří úplně, přičemž se vyvine dostatečné teplo, aby se zbytek paliva prostřednictvím pyrolýzy a chemického rozkladu přeměnil na „syntézní plyn“ a popel. Syntézní plyn se skládá především z oxidu uhelnatého, vodíku a metanu a z vypařených kapalin a uhlovodíků při pyrolýze. Na rozdíl od energie získané z přímého spalování mnoha odpadních paliv, syntézní plyn umožňuje čisté spalování paliva, které může být použito jako náhrada za zemní plyn, topný olej nebo propan pro výrobu tepla, páry, horké vody nebo elektřiny z konvenčních energetických zařízení. Syntézní plyn může být použit jako základní zdroj pro velké množství produktů v petrochemickém a rafinérském průmyslu.

Principy zplyňování jsou známy více než 200 let. Zplyňování uhlí bylo rozšířeno během pozdního 18. století, kdy syngas byl palivem pro městské osvětlení a výrobu elektřiny. Dostupnost levné ropy a zemního plynu vedly k poklesu využívání zplyňování po druhé světové válce. V posledních letech zplynování zažilo obnovu v důsledku zvyšujícímu se nedostatku fosilních paliv a elektrické energie. Dnes je zplyňování považována za jednu z univerzálních, efektivních a nejčistších metod, jak převést nízkonákladové uhlíkaté zdroje jako jsou dřevěné zbytky, různá biomasa, organické kaly a či uhlí na tepelnou energii a elektřinu. Proto jsou známy nové velice úspěšné pokusy produkce syngasu ze sušených čistírenských kalů, přičemž se tak získává prakticky veškerá energie obsažená v kalech.

Zplyňování je komplexní proces, kterého se účastní celá řada reakcí. V obecném pohledu se jedná o čtyři základní pochody: sušení, pyrolýzu, redukci a oxidaci. Tyto procesy mohou probíhat postupně, např. v případě sesuvných generátorů, anebo souběžně v případě fluidních generátorů

Obr. 20 Princip zplyňování [15]

První tři procesy, sušení, pyrolýza a redukce, jsou endotermní (spotřebovávají teplo). Potřebné teplo může být získáno přímo v reaktoru oxidací (hořením) části paliva (jako v předchozím příkladu), nebo může být přivedeno z okolního prostředí. Pokud jde o pokrytí tepelné spotřeby částečným spálením paliva přímo v reaktoru, používá se termín autotermní, neboli přímé zplyňování. Výhřevnost plynu se při autotermním zplyňování vzduchem pohybuje v rozmezí 2,5–8,0 MJ/m³. V poslední době bylo nasazeno několik pilotních a průmyslových aplikací zplyňování sušených čistírenských kalů. Výsledky měření kvality vznikajícího syntetického plynu ukazují, že složení je přibližně následující:

Tab. 5 Typické složení plynu vznikajícího při zplyňování čistírenských kalů [15]

Výsledky složení syngasu pocházejí z průmyslové pilotní jednotky umístěné na ČOV Mannheim, která byla uvedena do zkušebního provozu v roce 2011.

Logickou otázkou je, jaké jsou výhody zplyňování proti přímému spalování za účelem výroby tepla a elektrické energie (při kogeneraci). Je možné uvést:

• dosažení větší konverze paliva na elektrickou energii (vyšší teplárenský modul);
• úspora primárních paliv na jednotku výkonu;
• nižší měrné provozní náklady na jednotku výkonu;
• zmenšení technologického zařízení na jednotku výkonu;
• převedení tuhého paliva s velikým měrným objemem na plynné palivo;
• snadnější odstraňování hlavních škodlivin v plynné fázi;
• při spalování čistých plynných paliv s dostatkem vzduchu nevznikají tuhé emise;
• možnost dosažení vyšších teplot spalováním plynných paliv;
• rovnoměrný ohřev velkých ploch plynnými palivy;
• lepší regulace při spalování plynných paliv;
• plynná paliva se dají přímo spalovat v tepelných strojích;
• možnost využít různá alternativní paliva (RDF, REF, BRKO, OP, apod.);
• snížení produkce CO₂, SO₂, NO_X a POP apod. na jednotku výkonu.

Nevýhodou zplyňování je nutnost čistit syntetický plyn, hlavně od dehtů. Problém byl v poslední době řešen několika způsoby. Velmi zajímavý je patentovaný způsob DZKV, kdy je syngas čištěn zavedením do vyhnívacích nádrží. Výsledným produktem je tak směs bioplynu a syngasu, která je velmi dobře spalitelná v upravených kogeneračních jednotkách. Je zajímavé, že na zplyňování kalů se nyní soustřeďují někteří výrobci, kteří se dříve orientovali jen na dřevní hmotu. Důvodem je skutečnost, že energetické bilance ČOV vedou ke zjištění, že elektrická energie získaná z kogeneračních jednotek využívající bioplyn a syngas vyrobený z čistírenských kalů, je schopna pokrýt energetickou potřebu ČOV a zabezpečit sušení kalů před jejich zplyňováním. Přitom je současně produkován stabilizovaný popel, obdobně jako při spalování.

Obr. 21 Porovnání spalování a zplyňování [15]

Technické řešení zplynování kalů na ČOV

V současnosti je typickým koncovým stupněm likvidace kalu na ČOV strojní odvodnění kalu na sušinu cca 25–30 % a následně jeho transport na skládku. Námi nově navrhované řešení spočívá v doplnění dvou technologických celků:

1. stupeň – sušení kalu,

2. stupeň – fluidní zplyňování kalu.

Sušení kalu bude probíhat na pásové sušárně s teplotou do 100 °C, kde se odvodněný kal vysuší ze vstupní sušiny cca 25 % na sušinu min. 75 %. Jako zdroje tepla se prioritně využívá spalování syntetického plynu, který je produkovaný v procesu zplyňování kalu; jako dotační zdroj tepla je možné využívat hlavně v letních měsících přebytky tepla z kogeneračních jednotek, instalovaných na ČOV. Vysušený kal je dopravovaný přes chladič surového plynu do fluidního zplyňováku, kde ve fluidní vrstvě při vysoké teplotě cca 850–880 °C dochází ke zplyňování kalu. Výška odtahu pevných častíc z reaktoru je provedena stavitelným přepadem, který slouží jako odtah popela. Popel z fluidního reaktoru dosahuje kontinuálně ztráty žíháním < 1 %. V procese vznikající surový syntetický plyn je odtahován z horní části reaktoru a je veden do cyklónu, kde jsou ze surového plynu odděleny prachové částice. Následně je surový syntetický plyn ochlazen v rekuperačním výměníku na teplotu cca 550 °C. Surový syntetický plyn je v chladiči dále ochlazován a proudí shora dolů přes vstupující vysušený kal, který slouží jako filtr, ve kterém kondenzují a odloučí se organické látky – dehty. Ochlazený surový syntetický plyn je veden přes zpětně proplachované filtry do sušičky plynu, aby se zde zkondenzovala vlhkost z plynu. Vyprodukovaný syntetický plyn je prioritně spalován v kombi kotli pro přípravu média k sušení odvodněného kalu; přebytky plynu je možné přimíchávat do procesu tvorby bioplynu ve vyhnívacích nádržích.

Obr. 22 Technologie zplyňování kalů z ČOV (systém KOPF) [15]

Příkladem použití této jednotky je ČOV Mannheim, kde pro množství kalu 10 000 t/rok (92 % suš.) jsou navrženy 3 linky, postavena je jedna linka pro výkon 5 000 t/rok s termickým výkonem 3,5 MW.

Obr. 23 Technologie zplyňování kalů na ČOV Mannheim (systém KOPF) [15]

Velmi zajímavé jsou ekologické efekty tohoto návrhu. Díky zplyňování se ušetří produkce 15 000 CO₂ ročně. Při plném provozu by ČOV měla dosáhnout energetické soběstačnosti. Potlačování uhlíkové stopy je rovněž jedním z perspektivních cílů moderních ČOV [15].

3 ZÍSKÁVÁNÍ ENERGIE Z ODPADNÍCH VOD

Recyklace energie

V současné době existují v některých zemích (např. Švýcarsko, Německo, Norsko) již aplikace na recyklace energie. Podle německé směrnice DWA M 114 [9] může být v Německu cca 10 % budov vytápěno pomocí energie z odpadní vody [9].

Zařízení na recyklaci tepelné energie sestávají ze dvou částí: tepelný výměník a tepelné čerpadlo. Výměník se umísťuje přímo do kanalizace a získává energii (teplo) z ní. Obecně lze identifikovat tři místa na kanalizaci, kde lze recyklaci tepla provádět:

• recyklace tepla v přívodní kanalizaci před čistírnou. Výhodou je, že spotřebitelé tepelné energie budou blízko odběrovým místům. Nicméně snížení teploty odpadní vody může mít negativní vliv na účinnost čištění odpadních vod na čistírnách. Nevýhodou je rovněž výrazné kolísání v objemech přiváděné odpadní vody, čímž může být ovlivněna efektivita přenosu tepla. Umístění tepelných výměníků může rovněž komplikovat rutinní údržbu v kanalizacích (vysokotlaké čištění, inspekce, apod.), což vede k alternativnímu přístupu umísťování tepelných výměníků na obtocích, a ne v hlavním přívodním potrubí;
• recyklace tepla na odtoku z čistíren odpadních vod. Výhodou bezesporu je, že snížením teploty odpadní vody není dotčena účinnost čištění odpadních vod. Další výhodou rovněž je, že přítok vyčištěné odpadní vody je téměř konstantní. Nevýhodou je, že potenciální spotřebitelé tepla nejsou zpravidla v okolí odběrových míst;
• recyklace tepla uvnitř budov. Teplota odpadní vody je poměrně vysoká a výhodou je, že spotřebitelé tepla jsou zpravidla poblíž. Nevýhodou je malý a kolísavý přítok odpadní vody. Nicméně lze s úspěchem využít kombinaci tohoto přístupu s prvně jmenovaným a teplo odebírat na přívodní kanalizaci v městské zástavbě. V zahraničí jsou oblíbené systémy HVAC (z anglického Heat, Ventilation and Air-Conditioning system, tj. systém vytápění, ventilace a klimatizace), které využívají odpadní teplo z kanálů pro zahřívání budov v zimě a jejich chlazení v létě. Systém může být aplikován nejen v obytných nebo kancelářských budovách, ale i ve školách, nemocnicích nebo krytých bazénech.

Obr. 24 Lokalizace míst pro možnost odběru tepelné energie [16]

Nicméně je třeba podotknout, že smysluplná a účinná recyklace tepla nemůže být provedena ve všech případech. Podle Lorenze [5] musí být splněny následující předpoklady:

• minimální bezdeštný přítok 15 l/s (tj. aplikovatelné cca od 5 000 do 10 000 EO);
• tepelný potenciál v přitékající odpadní vodě (průměrná teplota v zimě by neměla poklesnout pod 10 °C);
• přítomnost spotřebitelů tepla poblíž odběrových míst;
• konkurenční zdroje energie, např. vytápění;
• neovlivnění funkce přívodní kanalizace a čistírny odpadních vod.

Poslední bod je velice důležitý, protože účelem kanalizačních systémů má být především ochrana životního prostředí. Výrazným snížením teploty vyčištěné odtékající vody z čistírny můžeme negativně ovlivnit ekosystémy v recipientu. Stejně bakterie odpovědné za biologické odstraňování nutrientů (zejména dusíku) jsou extrémně citlivé na nižší teploty, kdy se jejich aktivita zpomaluje a bezprostředně tím ohrožuje potřebnou účinnost odstranění dusíkatého znečištění. Z tohoto pohledu je nutné, aby aplikace tepelných výměníků vedla kromě energetických úspor i ke stejné efektivitě čištění odpadních vod.

Tento přístup už je v zahraničí široce implementován. V Německu podle DWA M 114 [9] nesmí při aplikaci tepelných výměníků v přívodní kanalizaci na čistírnu odpadních vod poklesnout teplota o 0,5 K, a zároveň nesmí teplota klesnout pod návrhovou teplotu pro design čistírny odpadních vod. Oproti tomu ve Švýcarsku [13] právní předpisy říkají, že jakákoliv aplikace tepelných výměníků do přívodní kanalizace bezprostředně ovlivňuje jak kanalizaci, tak procesy čištění odpadních vod, a proto musí být schválena místním vodohospodářským orgánem. Žádost k vodohospodářskému orgánu nemusí být podávána pouze v případě, pokud aplikací tepelných výměníků nedojde k poklesu teploty o více než 0,1 K.

Obr. 25 Primární okruh s výměníkem pro přenos tepla k tepelnému čerpadlu [16]

Získávání energie z biomasy

V současné době je přebytečný kal z čistíren odpadních vod považován za odpad, ačkoliv je velice slibným zdrojem energie (obr. 26). Kal obsahuje organické látky, dusík a fosfor, tudíž je zajímavý např. pro aplikaci v zemědělství. Chemická energie vázaná v přitékající organické hmotě je současnými technologickými uspořádáními čistíren postupně s větším či menším užitkem spotřebována. Na usazovacích nádržích zachytíme cca třetinu přitékající CHSK do primárního kalu, která lze následně využít na tvorbu bioplynu. Proto by mělo být z energetického hlediska v našem zájmu zachytit na usazovácích co možná nejvíce. Zatímco cca 10 % CHSK opouští čistírnu v odtoku, její hlavní část je pomocí heterotrofní respirace přeměněna na CO₂ a zbytek se využije na tvorbu biomasy přebytečného aktivovaného kalu.

Obr. 26 Schéma využití biomasy na čistírnách odpadních vod [16]

Z energetického hlediska lze využít např. palivový potenciál kalu po jeho vysušení, kdy může nahradit fosilní zdroje. Energetický potenciál kalu závisí na jeho složení a na množství vlhkosti v něm obsažené. Studie ukazují, že lze touto cestou uspořit 30–40 % spotřebované energie na čistírnách odpadních vod. Vysušený kal má energetický potenciál téměř 13 MJ, jak je vidět v tab. 6, kde je srovnání s dalšími potenciálními palivy.

Tab. 6 Srovnání palivového potenciálu aktivovaného kalu oproti dalším palivům

Nahrazení uhlí jako paliva vysušeným aktivovaným kalem má i vedlejší ekologický efekt produkce skleníkových plynů, protože spalováním kalu vznikne okolo 800 g CO₂ méně na jednu vyrobenou kWh energie; přitom účinnost získávání energie z kalu v elektrárnách je srovnatelná s uhlím (38–40 % podle používaného termodynamického cyklu) [6]. Z pohledu právních předpisů je v České republice potřebné pro podporu energetického využití čistírenských odpadů důležitá klasifikace jako možného zdroje energie. Bohužel praktická aplikace vyhlášky č. 482/2005 Sb. o stanovení druhů, způsobu využití a parametrů biomasy při podpoře výroby elektřiny z biomasy neumožňuje přímé či nepřímé využití kalů s čerpáním benefitů jako u jiných obnovitelných zdrojů energie, což je vzhledem k roční produkci čistírenských kalů v České republice o objemu 170 869 t sušiny v roce 2012 a průměrném energetickém potenciálu 12 MJ/kg ztráta energetického potenciálu ve výši 2 TJ [7].

Možnosti intenzifikace procesů

Jednou možností je intenzifikovat produkci bioplynu – to lze využitím biochemických stimulátorů nebo dezintegrací kalu. Druhá pak využitím zařízení s vyšší efektivitou přeměny tepelné energie na elektrickou – tzv. ORC generátory.

Dezintegrace kalu

V zásadě je možné rozlišovat čtyři druhy vody obsažené v kalu (obr. 27).

Jedná se o:

• meziprostorovou vodu – může být odstraněna gravitačním zahušťováním;
• kapilární vodu – může být odstraněna na filtrech, kalolisech nebo odstředivkách;
• adsorbovanou vodu a vnitřní vodu – může být odstraněna sušením.

Obr. 27 Rozložení vody ve struktuře kalu [17]

Pro zlepšení biologické rozložitelnosti kalu a zvýšení stupně odvodnění byla vyvinuta řada metod úpravy kalu, jejichž společnou charakteristikou je dezintegrace – rozbití vloček a částic kalu. Současně dochází také k rozrušení struktury buněk mikroorganismu aktivovaného kalu a uvolnění buněčného obsahu do roztoku.

Dezintegrace tedy slouží ke zmenšení velikosti původních částic kalu a zvýšení koncentrace rozpuštěných organických látek (CHSK) v kapalné fázi. Vzhledem ke zvětšenému povrchu částic dochází k větší přístupnosti při následném biologickém rozkladu, buněčný obsah – buněčný lyzát stimuluje další biologický rozklad působením uvolněných enzymů a růstových faktorů.

Dezintegrace se především zaměřuje na rozbití buněk mikroorganismů přebytečného aktivovaného kalu, kde je oproti primárnímu kalu obtížnější dosáhnout biologického rozkladu organického podílu. Při porušení buněčné stěny dochází k uvolnění obsahu buněk do roztoku, tj. k tvorbě buněčného lyzátu (uvolněný obsah buněk mikroorganismu následkem rozrušení buněčných stěn).

Princip intenzifikace procesu dezintegrací je založen na tom, že již přidání malého množství buněčného lyzátu značně urychlí anaerobní i aerobní biologický rozkladný proces. Buněčný lyzát působí stimulačně buď přímo (enzymy v něm obsažené přímo způsobují lýzy dalších mikrobiálních buněk), nebo nepřímo (je zdrojem růstových faktorů, které stimulují činnost přítomných mikroorganismů). To má za následek celkové urychlení probíhajících biodegradačních reakcí, což znamená zkrácení doby reakce. Mnohem větší množství organických látek je rozloženo za stejnou dobu, čímž se také sníží množství zbývajícího nerozloženého materiálu.

Jedním z hlavních přínosů dezintegrace je podstatně zvýšená produkce bioplynu, což činí celý proces energeticky výhodnějším, při současném snížení množství produkovaného kalu.

Technicky lze dezintegraci provést několika způsoby:

• mechanické metody – mezi tyto metody zahrnujeme dezintegraci a mletí tuhých látek přítomných v substrátu různými druhy mlýnů, vysokotlakým, homogenizátorem, ultrazvukem, lyzátovací centrifugou apod.;
• fyzikální metody – fyzikální dezintegrace je prováděna ultrazvukem;
• zmrazováním, rozmrazováním, termickou hydrolýzou, Cambi procesem, ionizujícím zařízení a plazmovými pulsy apod.;
• chemické metody – mezi tyto metody je zahrnuta hydrolýza minerálními kyselinami nebo alkáliemi;
• také lze provést destrukci složitých organických látek (např. proces KREPRO), ozonizace, oxidace H₂O₂/O₂, mokrá oxidace apod.;
• biologické metody – do biologických metod je zařazena enzymová nebo mikrobiální předúprava – ukazuje se jako slibný způsob do budoucna, zejména pro specifické substráty (celulóza, liknin).

Mechanická dezintegrace

Dezintegrace buněk mletím v kulovém mlýnu

Vysokorychlostní kulový mlýn je složen z válcové mělnící komory, která má vertikální nebo horizontální polohu. Komora obsahuje rotující disky uložené na hřídeli poháněné motorem (míchadlo) a je téměř úplně naplněna mělnícími korálky ze skla nebo umělé hmoty. Rotační pohyb míchadla uvádí do pohybu kuličky a upravovaný materiál. Vlivem vzájemných srážek kuliček a jejich nárazu na stěnu mlecí komory dochází k dezintegraci mikroorganismu střižnými a tlakovými silami. Při tomto procesu dochází k uvolnění velkého množství tepla. Při kontinuálním procesu dochází k zachycení kuliček sítem, zatímco suspenze proudí dále skrz mělnící komoru. Účinnost tohoto dezintegračního procesu závisí na množství vložené energie, hydrodynamice míchání, rozměru kuliček, geometrii mlecí komory, teplotě procesu, hustotě upravované suspenze a zatížení.

Dezintegrace v disperzních a koloidních mlýnech

Tato metoda je především využívána pro dezintegraci slabě vázaných aglomerátu a emulzí. Je založena na principu vysoké rychlosti střižných sil a způsobuje rozemletí upravovaného materiálu na jednotlivé částečky o velikosti 1 μm.

Vlivem vysoké disipace energie dochází ke značnému zvýšení teploty. Koloidní mlýny jsou sestaveny z rotoru a statoru, mezi nimiž je vzdálenost minimálně 25 μm. Rotor má tvar kužele s hladkým, nebo vroubkovaným povrchem a otáčí se přibližně rychlostí 3 600 ot./min.

Vysokotlaká homogenizace

Vysokotlaký homogenizátor sestává z vícestupňového čerpadla a homogenizačního ventilu. Čerpadlo nasává suspenzi do pístového válce, kde je následně stlačena na tlak několika stovek baru, při průtoku několika kubických metrů za hodinu. Následně suspenze prochází skrz štěrbinou, přičemž dochází ke snížení tlaku pod mez evaporace tekutiny, a rychlost tekutiny roste na 300 m/s. Když kavitační bubliny prasknou, gradient tlaku je zaveden do tekutiny a ten lokálně vyvolá teplotu stovek stupňů Celsia a tlakovou vlnu 500 x 105 Pa. Proces destrukce buněk při vysokém tlaku je skoro téměř nezávislý na koncentraci biomasy.

Kavitace

Jedná se o velmi účinnou metodu dezintegrace buněk za současného zachování vlastností zpracované hmoty. Dezintegrace je dosaženo protlačováním zmrzlé buněčné pasty přes malou štěrbinu. Proces je veden za velmi vysokého tlaku (550 MPa) a nízké teploty (-27 °C až -25 °C). Po průchodu dýzou a uvolnění tlaku dochází v důsledku velkého tlakového rozdílu k roztržení buněk. Tuto metodu rozrušování buněk střižnými silami lze aplikovat na široký okruh biologických materiálů, včetně buněk s pevnou buněčnou stěnou.

Vysokovýkonná pulsní metoda

Vysokovýkonná pulzní metoda je elektrohydraulická metoda. Kal je upravován vysokým napětím (až 10 kV). Při tomto napětí dojde k výboji mezi dvěma elektrodami s periodou pulsu 10 ms. To vyvolává šokové vlny v kalu, které zapříčiní destrukci buněčných stěn. Následuje okamžité uvolnění organických látek.

Dezintegrace biomasy mixováním

Dochází k mechanické destrukci buněčných stěn. Rozsah dezintegrace roste s rostoucími otáčkami a časem a dále závisí na koncentraci nerozpuštěných látek v kalu. Dezintegrace biomasy se provádí zařízeními pracujícími na principu nožů. Proud kalu prochází přes přepážku se třemi až čtyřmi rotujícími noži. Na dezintegraci samotnými noži se tudíž podílí i střižné síly. Mechanický dezintegrační stupeň je zařazen před anaerobní reaktor. Zlepšení anaerobní rozložitelnosti přibližně o 25 %.

Dezintegrace v zahušťovací odstředivce s integrovaným zařízením pro destrukci buněk.

Při centrifugaci kalů obsahujících buňky mikroorganismu (přebytečný aktivovaný kal, anaerobně stabilizovaný kal) dochází k dezintegraci určitého malého množství buněk, jejichž obsah se dostává do kapalné fáze. Posílení a využití tohoto procesu je principem lyzátovací centrifugy.

Vhodnou konstrukční úpravou centrifugy lze využít nadbytek kinetické energie centrifugy k většímu rozbití buněk mikroorganismu, obsažených v centrifugovaném kalu. Centrifuga je sestavena z dezintegračního (lyzovacího) zařízení, umístěného do proudu vstupujícího zahuštěného aktivovaného kalu. Tím lze dosáhnout destrukci podstatně většího množství buněk a vytvořit potřebné množství lyzátu a to vše bez zvýšení elektrického příkonu centrifugy. Výhodou toho, že lyzace probíhá v centrifuze v oblasti zahuštěného kalu je, že nedochází k ovlivnění jakosti centrátu. Množství rozbitých buněk závisí na parametrech centrifugy (počet otáček, průměr bubnu apod.), na druhu rozrušovacího zařízení a na druhu a kvalitě biomasy (zpracovávaného aktivovaného kalu). Kal zahuštěný lyzátovací centrifugou je dále podroben anaerobní stabilizaci. Princip lyzátovací odstředivky je patrný z obr. 28.

Obr. 28 Schéma principu funkce lyzátovací odstředivky (LYSATEC)

Fyzikální metody

Ultrazvukové a radiační metody

V současnosti se jedná se o jednu z nejvíce perspektivních metod pro redukování produkce kalu. Kal je podroben ultrazvukovým vlnám za účelem zvýšení schopnosti biologického rozpadu před anaerobním vyhníváním nebo recyklací v provzdušňovací nádrži. Působení ultrazvuku na fyzikálně-chemické vlastnosti kalu způsobuje uvolnění organických komponent: COD, proteinu, nukleových kyselin, polysacharidu, zmenšuje velikost vločky a zvyšuje biologický rozpad.

Těžké kovy obsažené v odpadních vodách jsou pro svou vysokou toxicitu značně znepokojujícím faktorem i vzhledem k minerálním látkám, obsaženým v odpadních vodách. ČOV jsou odpovědny za zproštění životního prostředí od těžkých kovů. Nicméně navržená kritéria pro biologické čištění odpadních vod jsou hlavně zaměřena na odstranění organických částic organismy aktivovaných kalů. Odstranění těžkých kovů v těchto systémech bylo (a je) považováno za postranní přínos. Během ultrazvukové vibrace a dodatečnému biodegradačnímu kroku dochází k ovlivnění především organických částic a konečné množství odpadního aktivovaného kalu klesá. Minerální anebo nebiodegradační komponenty jako těžké kovy nejsou ovlivněny a mohou se akumulovat v kalu nebo být uvolněny v kapalné fázi.

Působení ultrazvukových vln na kapalinu způsobuje periodické stlačování a uvolňování média. Nad určitým prahem intenzity dochází ke kavitaci, přičemž se tvoří bubliny plynu, které se nejprve zvětšují a pak prudce, během několika mikrosekund, prasknou. Prasknutí vytváří velmi silné hydromechanické střižné síly v médiu obklopujícím bublinu. Pokud působíme ultrazvukem pouze po krátkou dobu, dochází jedině k deaglomeraci vloček kalu, bez destrukce buněčných stěn. Delší působení hydrodynamické střižné síly produkované ultrazvukovou kavitací poruší buněčné membrány a jiné buněčné struktury a rozpuštěné organické látky jsou uvolněny do roztoku. Mechanické síly jsou nejefektivnější při frekvencích 20–100 kHz. Teplota a tlak uvnitř praskajících bublin může vzrůst až na 5 000 K a na několik stovek atmosfér. Tyto extrémní podmínky mohou vyvolat termickou destrukci látek obsažených uvnitř těchto bublin a vznik velmi reaktivních hydroxylových radikálů.

Termická dezintegrace

Termickou úpravou čistírenských kalů dochází k hydrolýze tuhých buněčných komponent. Vysoká teplota naruší buňky a způsobí hydrolýzu proteinu, uhlovodíku, tuku a dalších makromolekul vylučovaných z buňky. Působením termické úpravy se však mohou rozpouštět, popř. mohou vznikat sloučeniny, které nejsou biologicky rozložitelné. Termická předúprava rozbije stěny a zpřístupní proteiny biologickému rozkladu. Čím vyšší množství kalu, které je předstabilizováno aerobně, tím více proteinu je v kalu a tím vyšší je produkce plynu po termické předúpravě.

• Metoda rychlé termické kondicionace biomasy

Materiál určený k tepelné úpravě (přebytečný aktivovaný kal, surový kal a anaerobně stabilizovaný kal) se v termickém reaktoru podrobí krátkému ohřevu (řádově několik jednotek až desítek sekund) při teplotě 100–200 °C a tlaku 0,1–1,3 MPa. Vlivem destrukce buněk organismu a vylití buněčného obsahu do roztoku dojde k náhlému uvolnění tlaku a poklesu teploty. Vzhledem ke krátké době působení vysoké teploty nedochází k úplné inaktivaci enzymu a stimulačních faktorů, přestože stupeň dezintegrace buněk je vysoký. Technologicky lze proces stimulace anaerobního rozkladu kalu uspořádat tak, že anaerobní reaktor I. stupně je ohříván teplem z rychlé termické předúpravy. Teplo vnesené do reaktoru s upraveným kalem při správně zvoleném dávkovacím poměru postačí na ohřev systému.

• Zmrazování biomasy

K nevratným změnám ve struktuře vloček dochází opakovaným zmrazováním a rozmrazováním buněčné hmoty. Během vytváření krystalků ledu a následného tání v buňce dochází k roztrhnutí buněčných obalů. Tím postupně mohou vznikat větší a větší krystaly, které způsobují i větší destrukci buněk. Do roztoku se uvolňuje vázaná voda, vločky jsou kompaktnější, čímž se výrazně zlepšují odvodňovací vlastnosti kalu.

Chemické metody

Rozklad kyselinami a louhy

K destrukci některých buněk se používají minerální kyseliny a zásady v různých koncentracích, kdy se kombinuje efekt chemických reakcí s osmotickým šokem. Hydrolýzu lze realizovat v podstatě v celém rozsahu pH. V kyselém prostředí kyseliny chlorovodíkové při pH 6 proběhne hydrolýza během 6 až 12 hodin. V zásadité oblasti pH 11,5–12,5 dochází k hydrolýze během 20 až 30 minut. Úprava buněk alkáliemi je razantní metoda, kdy při vysokých hodnotách pH média buňky ztrácejí životaschopnost a nemohou udržovat vnitřní napětí. To vede k prasknutí buňky a uvolnění buněčného materiálu do roztoku, čímž v roztoku vzrůstá koncentrace proteinu. Když se pH v kalu zvýší, povrch buněk se nabije negativně. Vzniká elektrostatický odpor, který způsobuje desorpci některých částí extracelulárních polymerů. Alkálie reagují s buněčnými stěnami několika způsoby; jedním z nich je saponifikace lipidu buněčné stěny, která vede k rozpuštění membrány. Vysoké koncentrace alkálií vyvolávají mnoho degradací, včetně denaturace bílkovin. Metoda směřuje jak k rozrušení buněčné stěny, tak k rozbití uvolněných produktů.

Rozpouštědla

Destrukčně na buněčné stěny mikroorganismů působí také organická rozpouštědla jako butanol a horký toluen. Toluen přidaný do biomasy se absorbuje do lipidu buněčných stěn. Dochází k nabobtnání a následnému prasknutí buňky. Účinnost procesu je závislá na teplotě a koncentraci rozpouštědla. Metoda je široce aplikovatelná, nevyžaduje konstrukci specializovaných zařízení a nezanáší zpracovávanou suspenzi cizími ionty. Použitá činidla jsou navíc poměrně levná.

Ozonace

Ozonace kalu je jednou z nejefektivnějších metod k dezintegraci kalu. Je dobře zdokumentováno, že množství kalu na výstupu muže být značně sníženo pomocí parciální ozonace přebytečného aktivovaného kalu. Ozonace také zlepšuje usazovací vlastnosti kalu a redukuje bobtnání a pěnění. Ozón je silný oxidant a působí na široké spektrum organických a neorganických chemických sloučenin. Dále silně působí na stěny buněk a může zabít mikroorganismy obsažené v aktivovaném kalu a dále oxidovat organické látky uvolněné z buněk. Proces ozonace kalu je obecně popsán jako postupná dekompoziční reakce dezintegrace vločky, rozpouštění, a následná oxidace uvolněných organických částic na oxid uhličitý (mineralizace). Jednoduše se předpokládá, že jeden kyslíkový atom z O₃ reaguje s oxidantem. To znamená, že 48 g ozonu může stechiometricky rozložit 16 g COD (Chemical Oxidation Demand) (mineralizace). Nicméně zjištěná mineralizace je obvykle nižší než tato hodnota. Při ozonaci také dochází ke snížení počtu patogenních organismů. Ozón se při anaerobní stabilizaci kalu používá buď k předúpravě přebytečného aktivovaného kalu před jeho vstupem do anaerobního reaktoru, nebo se ozonaci podrobí část anaerobně stabilizovaného kalu, který se po ozonizaci vrací zpět do anaerobního reaktoru.

Biologické metody

Enzymatická lyze a autolýza

Při předúpravě kalu pomocí enzymu dochází k porušení vazeb v buněčných stěnách. Enzymově katalyzovaná reakce rozštěpí sloučeniny buněčné stěny, dokonce grampozitivní bakterie s pevnou a odolnou buněčnou stěnou mohou být dezintegrovány pomocí enzymu. Autolýza probíhá při běžné teplotě prostředí. Protože jsou enzymy obsaženy ve vnitrobuněčném obsahu, je výhodné enzymatickou lyzi kombinovat s mechanickou dezintegrací. Enzymy po uvolnění mechanickou dezintegrací způsobují další dezintegraci buněk. Jako nejúspěšnější pro úpravu primárního kalu se zdá využití enzymu s vysokým obsahem lignocelulózních materiálů. Aplikace enzymu do přebytečného aktivovaného kalu může vést k rychlé degradaci enzymů samotných, dříve než dojde k enzymatické hydrolýze.

Porovnání způsobu dezintegrace

Za nejvýhodnější metodu pro přípravu lyzátu lze považovat tu, která vykazuje nejvyšší účinnost destrukce a dává nejaktivnější lyzát. Nejlepší výsledky z hlediska aktivity lyzátu vykazují metody mechanické destrukce, opakované zmrazování a rozmrazování biomasy a ultrazvuková a hydrodynamická kavitace. Účinnost destrukce je v případě lyzátovací centrifugy relativně malá. Při použití chemických metod se zvyšuje polopropustnost buňky a podněcuje částečné uvolnění proteinu.

Společným rysem převážné většiny zmíněných metod předúpravy a dezintegrace kalu je jejich vysoká náročnost na zařízení, vysoké náklady na pořízení a jejich dosavadní malá aplikovatelnost. Tab. 7 uvádí přehled dosud provozně zkoušených metod dezintegrace a jejich účinek na proces anaerobní stabilizace kalu.

Tab. 7 Zvýšení účinnosti anaerobní stabilizace kalů dezintegrací [17]

*účinnost lyzace závisí na vložené energii

Termická dezintegrace

Dosavadní zkušenosti s aplikací termických metod úpravy kalu přinášely ne zcela uspokojivé výsledky vzhledem k tomu, že docházelo k inaktivaci biologicky aktivních látek uvolněných rozbitím buněk a některé produkty probíhajících reakcí stimulovaných vysokou teplotou byly obtížně rozložitelné. Uvedené nevýhody dosud používaných termických úprav kalů potlačuje technologie rychlé termické kondicionace. Materiál určený k tepelné úpravě, což způsobí nastartování hydrolýzy bioplolymerů (přebytečný aktivovaný kal, surový kal, anaerobně stabilizovaný kal), se v termickém reaktoru podrobí krátkodobému působení vysoké teploty (100–200 °C) a tlaku (0,1–1,3 MPa). Poté dojde k náhlému uvolnění tlaku a poklesu teploty, což způsobí destrukci buněk mikroorganismů a uvolnění buněčného obsahu do roztoku. Díky krátké době působení vysoké teploty nedochází k úplné inaktivaci enzymů a stimulačních faktorů, přestože stupeň dezintegrace buněk je vysoký. Technologicky může být proces stimulace anaerobního rozkladu kalů uspořádán tak, že anaerobní reaktor je plně ohříván teplem z rychlé termické předúpravy (dezintegrace a hydrolýzy) bez klasického výměníku tepla. Proces je kontrolován množstvím kalu, který vstupuje do rychlé termické předúpravy. Výsledky provozních testů potvrdily, že při vhodném podílu lyzovaného kalu dochází ke zmenšení organického podílu kalu, aniž by se snížila specifická biologická aktivita biomasy přítomné v anaerobním reaktoru.

Navíc však dochází k výraznému zvýšení rozložitelnosti organické frakce kalu a tomu odpovídá i příslušné zvýšení produkce bioplynu o 10–30 % v závislosti množství lyzátu a kvalitě surového kalu. Pozitivní je rovněž lepší stupeň hygienizace kalu.

Obr. 29 Vzorová linka zpracování kalů s biologickou a termickou hydrolýzou [16]

Přínosy

Lyzací fermentační směsi v objemu cca 10 % přidávaného surového kalu dochází prokazatelně ke snížení organických látek v stabilizovaném kalu. Při porovnání fermentoru provozovaného s přídavkem lyzátu dochází v porovnání s referenční jednotkou, resp. se stavem před uvedením lyzátovacího zařízení do provozu, k úbytku objemu kalů cca o 10 %.

Přídavek lyzátu prokazatelně zvyšuje produkci bioplynu. Dochází k nárůstu produkce bioplynu vlivem produkce buněčného lyzátu o 15–20 %. Přídavkem zlyzované kalové směsi lze při stávajících parametrech procesu pokrýt potřebu tepla při době provozu RTR cca 5–6 hodin denně bez větších teplotních výkyvů.

Využití ORC generátorů

Tato zařízení se používají jako doplňková ke klasickým generátorům a umožňují využít k přeměně tepelné energie na elektrickou i tepla s nižší teplotou – nejlepší zařízení pracují s teplou již od 65 °C. Funkce ORC je zobrazena na obr. 29.

Obr. 30 Schéma funkce ORC [16]

Popis a využití na ČOV

V klasických tepelných elektrárnách je energie tepelná transformována na mechanickou v tepelném oběhu, který nazýváme Rankin – Clausiův cyklus. Elektrárenský kondenzační cyklus, ve své podstatě složený ze základních termodynamických změn, používá jako pracovní látku vodu, resp. vodní páru. Voda na mezi sytosti, která je přivedena napájecím čerpadlem do parního generátoru (kotle), se v něm ohřívá, odpařuje (mění skupenství) a v parním přehříváku dosahuje parametrů tzv. admisní páry (tlak cca 14,5 MPa, teplota cca 530 °C), která je přivedena do parní turbíny. V parní turbíně pára expanduje (přehřátá pára přechází do oblasti syté páry) a následně mění své skupenství v kondenzátoru, odkud je v kapalném stavu kondenzačním čerpadlem dopravována přes zásobní nádrž a případné doplnění zpět do parního generátoru. Termická účinnost takovéhoto cyklu (poměr tepla přeměněného na mechanickou práci ku teplu přivedenému do oběhu) se u nejmodernějších elektráren pohybuje na úrovni cca 38 %. Ke zvyšování termické účinnosti se zpravidla používá regenerace, tj. ohřev napájecí vody v regeneračních ohřívácích mimo vlastní kotel, nebo přehřívání páry (omezeno používanými materiály, maximální admisní tlak 15 MPa). Standardní Organický Rankinův cyklus (ORC) je v podstatě elektrárenský kondenzační cyklus, který používá namísto vody, resp. vodní páry jako pracovní látku v primárním okruhu směs organických sloučenin (silikonový olej), které jsou svými termodynamickými vlastnostmi vhodné k použití v tepelném oběhu. Výhodou oleje je, že při dané teplotě (např. 300 °C) se udrží v kapalném stavu při značně nižším tlaku než voda. Ve výparníku předává olej teplo do sekundárního okruhu, kde se pracovní organická látka vypařuje, dosahuje většího tlaku než má olej a organické páry jsou vedeny do parní turbíny, kde expandují. Pára je za turbínou vedena do kondenzátoru, kde kondenzuje po odebrání výparného tepla chladicí vodou, která pak dodává teplo do budov, připojených na tuto tepelnou síť. Organické látky použité jako náhrada vody v sekundárním tepelném oběhu musí samozřejmě splňovat přísné předpisy a normy ve vztahu k životnímu prostředí. V současné době se ORC systémy dodávají většinou jako standardizované moduly o elektrických výkonech řádově od stovek kWe do několika MWe, a to v aplikacích pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla z biomasy, pro zdroje s geotermální energií, ve spojení se solární technologií a při využití odpadního tepla. Typické využití ORC se nabízí ve spojení s kotelnami na biomasu, kde je primární energie v palivu využita jednak na výrobu tepla, ale i elektrické energie. V takovém případě je celková účinnost kogenerace cca 85 %. Jen pro porovnání: v klasické tepelné elektrárně, kde je teplo z kondenzace odvedeno do okolí, se dosahuje celkové účinnosti cca 30 % (je zcela zřejmé, že s potenciálem biomasy nelze tepelné elektrárny nahradit, ale z uvedeného srovnání je téměř povinností státní energetické politiky, aby byla kogenerace z biomasy preferována zřetelněji než doposud). Parní generátor je zde nahrazen olejovým kotlem a výparníkem. Olej ohřátý v tomto kotli je využíván jako teplonosná látka, jež přes výparník předává své teplo pracovní látce uzavřeného sekundárního okruhu ORC. Vzniklá sytá pára organických sloučenin je vedena na axiální turbínu, která je přímo spojena s generátorem elektrické energie. Teplo z kondenzátoru, ve kterém náplň ORC okruhu mění své skupenství zpět do kapalné fáze, je vedeno k dalšímu využití. Při vhodném navržení tepelného oběhu lze toto teplo využít např. v systému CZT, případně k jiným účelům. Nabízí se využití u dřevozpracujících provozů k sušení řeziva, kde je kotelna přímo u zdroje paliva.

Popsaný klasický ORC systém již však byl podstatně zdokonalen a zjednodušen. Pracovní látka už není silikonový olej a nejsou v tomto systému potřebné vysoké teploty až 300 °C.

Princip systému

Zařízení pomocí tepla z kogeneračního procesu vyrábí z biomasy nebo aktivního kalu na ČOV bioplyn, který je spalován v kogenerační jednotce při současné výrobě elektrické energie a tepla. Horké plyny nebo teplo z chlazení motoru předávají ve výměnících teplo do vody topného oběhu. Okruh topné vody (o teplotě již od 88 °C) tvoří zdroj energie pro výrobu elektrického proudu v zařízení ORC.

Proces ORC

V tzv. ORC-procesu (Organický Rankinův Cyklus) – parním procesu s organickým médiem – je transformována tepelná energie na energii elektrickou. Pracovní médium vykazuje vhodné termodynamické vlastnosti pro malá, necentrální zařízení. Také při nízkých teplotách lze dosáhnout vysokých účinností. ORC zařízení pracuje v principu jako konvenční parní elektrárna. Namísto vody je využívána pracovní tekutina v uzavřeném systému, kdy dochází k odpařování ve výměníku (výparník) a pohonu expanderu s generátorem. Tekutina je v dalším výměníku (kondenzátor) ochlazována až ke kondenzaci a čerpadlem čerpána zpět do výměníku. Přitom odvedené teplo lze využít pro technologické účely, např. vytápění budov, skleníků, bazénů, sušení dřeva, kalů a pro potřeby dalších technologických procesů.

Cenové srovnání

Investice do klasického parního RC systému s parní turbínou (teploty 300–530 °C) přestavují minimálně řádově vyšší investice, než ORC systém, kterému stačí teplá voda 88–116 °C.

Provozní výhody ORC oproti parní turbíně:

• systém je schopen využívat energii s relativně nízkou teplotou;
• vysoká účinnost expanderu, i při částečném zatížení;
• možnost jakékoli regulace výkonu soustrojí v celém výkonovém rozsahu;
• celý cyklus pracuje s teplotou do max. 116 °C a tlakem do 10 barů;
• nízký tlak a teplota oproti páře = vyšší životnost zařízení;
• absence dalších součástí parního systému;
• nízké provozní tlaky, proces ORC je uzavřený a plně automatický;
• minimální náklady na údržbu;
• nenáročnost na obsluhu zařízení, on-line monitoring stavu – bezobslužný provoz;
• minimální nároky na stavbu a požadovaný prostor;
• odpadá jakákoli chemická úprava jednotlivých médií;
• vysoká pracovní spolehlivost při nízkých provozních nákladech.

Obr. 31 Zařízení ORC [16]

Využití odpadů v kalovém hospodářství pro výrobu bioplynu [10]

Přidávání externích substrátů do vyhnívacích nádrží se plánuje a již i realizuje na několika ČOV v rámci Evropy. Tato aktivita logicky vyplývá z toho, že na většině městských čistíren je nainstalována mezofilní anaerobní stabilizace s předimenzovanými vyhnívacími nádržemi. Jisté komplikace v České republice působí zatím přísné hygienické požadavky na přidávaný substrát, což ekonomicky použití např. zbytků jídla podstatně prodražuje.

Dalším aspektem, který zvyšuje kapacitu vyhnívacích nádrží, je lepší mechanické zahuštění kalu, čímž se výrazně redukuje jeho množství a proto se ve vyhnívacích nádržích pracujících na principu chemostatu zvyšuje jeho zdržení. Pro mezifolní anaerobní stabilizaci stačí doby zdržení ve vyhnívacích nádržích do 18 dnů. Těmto dobám pak odpovídá zatížení do cca 3 kg/m³·den (kg CS-SŽ surového kalu), přičemž na většině ČOV jsou doby zdržení kalu vysoko nad 18 dní. Jednou z možností, jak využít volnou kapacitu vyhnívacích nádrží, je svoz zakoncentrovaných organických substrátů na ČOV (buď cíleně produkovaných, nebo získávaných jako odpady – přehled včetně parametrů viz [12]. Bioplyn se dá vyrobit při optimálním provozu a při optimálním zatížení v podstatě z jakéhokoliv biologicky rozložitelného substrátu. Atraktivnost tohoto způsobu zpracování organických substrátů je spojena zejména s tím, že k dispozici pak máme kogenerační jednotky, v kterých se pak přemění bioplyn na teplo a energii. Výhodou je i přímé napojení kalové vody z procesu zahuštění a odvodnění kalu na ČOV, kde je pak s výhodou možné zbytkové znečištění vyčistit. Anaerobní zpracování organických substrátů na ČOV má stejně jako každý jiný technologický proces nejen výhody, ale i nevýhody a rizika:

• zvýší se produkce tepla a elektrické energie;
• část získaného tepla se ale spotřebuje na ohřev dovezených substrátů;
• zvýší se množství odvodňovaného kalu (vyšší náklady na flokulant a odvoz kalu);
• zvýší se CHSK kalové vody (riziko zvýšení CHSK vyčištěné městské odpadní vody a tedy i vyšších poplatků);
• ve většině případů se zvýší i N_celk a P_celk v kalové vodě a následně i městské odpadní vodě (riziko vyšších poplatků, nutnost dávkování substrátu, nutnost zvýšeného srážení fosforu, zvýšení spotřeby kyslíku na nitrifikaci);
• zvýší se nároky na obsluhu ČOV (např. pokud je dovoz substrátu nerovnoměrný, nebo pokud se substráty střídají a aerobní biomasa není schopna se tak rychle přizpůsobit změně v zatížení).

Nejčastějšími negativy je pokles pH, hromadění nižších mastných kyselin, zpomalení metanogeneze, pěnění a zhoršení odvodňovacích vlastností kalu. Proto je nutné, aby se před dovozem organických substrátů buď zrealizoval laboratorní, nebo poloprovozní průzkum, nebo aby byla k dispozici důkladná rešerše existujících poznatků a kvantifikovaly se všechny uvedené výhody a nevýhody. V žádném případě nelze doporučit postup „dovezeme – uvidíme“. Zejména na ČOV s omezenou kapacitou vyhnívacích nádrží a s požadovanou kvalitou vyčištěné vody na úrovni N_celk = 10 mg/l a P_celk = 1 mg/l je takový postup spojen s velkým rizikem. Riziko problému by mohlo vzniknout i dodatečným posouzením účelu a využití ČOV, pokud byla postavena z evropských fondů.

4 DALŠÍ ZDROJE ENERGIE NA ČOV

Spotřeba energie v celosvětovém měřítku stoupá, zejména v rozvíjejících se ekonomikách typu Indie nebo Čína, nebo v zemích třetího světa. Proto se dostává do popředí zájmu efektivní a ekonomické využití energie. Všech 27 zemí Evropské unie se zavázalo do roku 2020 vyrábět 20 % energie z obnovitelných zdrojů a zvýšit účinnost využívání energie o 20 %. Mezi obnovitelnými zdroji energie se nejzajímavější jeví využití větrné a solární energie a energie biomasy. Při práci s vodou se nabízí i využití polohové a kinetické energie.

Vnitrozemské větrné elektrárny vyrábějí elektřinu za relativně nízkou cenu a jsou již značně rozšířeny v oblastech s vysokým větrným potenciálem. Pobřežní větrné parky se stávají v současné době velice populární, ale tato problematika se přirozeně České republiky netýká.

Biomasa je nejrozmanitější obnovitelný zdroj, protože může poskytovat elektřinu, může být využita jako palivo anebo může vyrábět teplo. Biomasa je na čistírnách produkována neustále, a proto může být pokládána za spolehlivý zdroj elektřiny a tepla. O biomase bylo šířeji pojednáváno v předchozí kapitole.

Získávání energie z polohové energie

Odpadní voda má mimo tepelné energie nezanedbatelnou kinetickou energii a energii polohovou. Výzkumy ukazují, že v Německu je tak teoreticky ještě další energetický potenciál ve výši 2 500 a 17 000 MWh/rok. Energie tekoucí vody patří mezi využitelné energie. Hydrodynamická energie je převáděna na energii elektrickou ve vodní elektrárně – generátoru. Teoreticky je vodní energie závislá na kinetické energii, tj. objemu vody Q [m³ /s] a využitelné výšce H [m], dále se na stanovení výkonu podílí účinnost η.

Pro návrh zařízení na využití energie z odpadních vod je třeba získat podklady o množství a průběhu vypouštění. Při návrhu ostrovních systémů je snaha, aby byl proud vyráběn nepřetržitě a aby spotřeba přídavné elektrické energie byla co nejnižší. U ostrovních systémů se dá využívat energie asi 250 dnů, v případě paralelního provozování pak asi 50 dnů.

Zařízení na využití vodní energie

Potenciální energie vznikající gravitační silou padající nebo proudící odpadní vody může vyrábět energii pomocí turbín. Množství vyrobené energie závisí jak na objemu vody, tak na příp. rozdílu nadmořských výšek. Ačkoliv tento způsob výroby energie je velice spolehlivý a ekologický (neprodukuje žádné skleníkové plyny), tak jeho aplikace je velice omezená, protože potřebný průtok je na čistírnách pouze řádově ve stovkách tisíc ekvivalentních obyvatel a větších a zároveň v České republice je minimum čistíren, kde by šlo využít energie padající odpadní vody, ať už špinavé nebo vyčištěné. Aplikace na využití potenciální energie se soustřeďují výhradně na místech odtoku vyčištěné odpadní vody z čistírny. Podle DWA M 114 [9] jsou doporučené metody výroby potenciální energie turbíny, hydrodynamická zařízení (např. Archimédův šroub) a vodní lopatková kola.

Turbína

Voda na turbínu je přiváděna tlakovým potrubím, podle výšky a množství vod se použije vhodná turbína, Kaplanova, Francisova nebo Peltonova. Společné pro všechny turbíny jsou vysoké otáčky a malý moment. Turbíny se používají pro výkony 10 kW až několik MW. Při nízké výšce a malém množství jsou však nerentabilní.

Průtokové turbíny

Princip průtokové vodní turbíny

Průtoková turbína je radiální, mírně přetlaková turbína, s tangenciálním ostřikem lopatek oběžného kola, s horizontální hřídelí. Podle specifických otáček patří k pomaloběžným turbínám. Proud vody usměrňuje rozváděcí ústrojí tak, že vstupuje lopatkovým věncem do vnitřního prostoru oběžného kola, pokračuje dále druhým průtokem lopatkovým věncem z vnitřku kola ven, do prostoru skříně turbíny. Ze skříně turbíny voda odtéká buď volně, nebo savkou do vývaru pod turbínou.

Obr. 32 a) Horizontální nátok b) Vertikální nátok

Průtokové turbíny tímto způsobem velmi efektivně, s účinností přes 80 %, využívají i velmi kolísavé průtoky řek. Účinnost průtokových turbín u malých spádů a výkonů v celé oblasti průtoku dosahuje 84 %. Pro střední a větší turbíny je na vyšších spádech pak až 87 %.

Oblast použití turbíny

Obr. 33 Konstrukce dvoukomorové průtokové turbíny

Provozní vlastnosti

U průtokových turbín naší konstrukce nedochází ke kavitaci, tudíž odpadá nutnost umístění oběžného kola pod hladinou spodní vody a s tímt spojené nákladné stavby a provozní nevýhody. Pro spády do 90 m je při výrobě použita normální, konstrukční ocel. Pro spády 90–120 m je již oběžné kolo dodáváno z pevnostní nerezové oceli. U spádů nad 120 m je nerezová celá turbína, včetně skříně a potrubních dílů. Průběžné otáčky průtokových turbín činí většinou 2,3-násobek jmenovitých otáček. To umožňuje použití sériově vyráběných generátorů.

Ekonomická výhodnost průtokových turbín

Rostoucí kladný vztah lidí k životnímu prostředí usiluje o ideální využívání přírodní síly bez zatížení životního prostředí, např. výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů. Použití vodních elektráren je však omezeno podstatným faktorem: vysokými investiční náklady, spojenými s navrhováním a plánováním, s dimenzováním, konstrukcí, jakož i provedením strojního vybavení stavby.

Konstruktéři turbín, se proto pokoušeli o redukci celkových nákladů normalizováním vodních turbín. Tato cesta je možná pro velké turbíny, ovšem pro malé vodní turbíny vede k problémům při dimenzování, vztahujícímu se k návrhovému spádu a rozsahu kolísání ročního průtoku vody.

Obr. 34 Oblasti použití jednotlivých typů turbín

Průtokové turbíny vynikají dlouholetou, bezúdržbovou životností. V průběhu provozu nepotřebují žádné drahé a složité náhradní díly, jejich případná oprava je většinou možná přímo v místě instalace. Specifickou výhodou průtokových turbín je možnost jejich využití v gravitačních systémech pitné vody, a to i na velice dlouhých trubních přivaděčích, kde při provozu nezpůsobují nežádoucí hydraulické rázy a neohrožují tak kvalitu pitné vody.

Vodní šrouby

Vodní šroub umožňuje využití energie v oblastech malých výkonů. Jedná se o obrácený Archimedův šroub. Pomalé otáčení je přenášeno pomocí převodovky na generátor. Instalace vyžaduje poměrně velkou přesnost stavebních prací.

Vodní kolo

Vodní kolo patří k tradičním technologiím – už v roce 1200 před naším letopočtem bylo využito na zavlažování polí. Později jako pohon mlýnů a pil. Také u kola je přenášen točivý pohyb na generátor. Kola se využívají k výrobě energie jen asi do výkonu 30 kW.

Potenciál v kanalizaci

Na zakázku ministerstva ŽP a dalších ministerstev byl proveden na RWTH průzkum. V kanalizaci jsou např. spadiště, kde je energie nevyužita, prostě je tam spád využitelný pro výrobu energie. Čistě teoreticky studie pro Severní Porýní a Vestfálsko ukázala, že je tam využitelný potenciál ve výši 400 až 3 000 MWh/rok. Na ČOV ve Warendorfu je od poloviny devadesátých let provozováno tzv. Turasovo vodní kolo (obr. 35).

Obr. 35 Vodní kolo na ČOV Warendorf [9]

Průměr kola je 4,83 m a šířka 1,5 m. Kolo je osazeno 40 lopatkami. Maximální hltnost je 1 440 m³ /hod. Vypočtený výkon při účinnosti 50 % je 13,6 kW. K výrobě energie je použit asynchronní generátor (400 V). Převod 1:120 je proveden planetovou převodovkou. Skutečná účinnost je asi 70 % a je dosažena až při dosažení 70 % hltnosti (obr. 36).

Obr. 36 Účinnost vodního kola ve Warendorfu [9]

Při ročním průtoku kolem 4 až 5 miliónů m³ /rok byla výroba energie mezi 30 000 až 40 000 kWh/rok.

Větrná a solární energie na ČOV

Vedle energie, kterou je možné získat přímo z procesů souvisejících s provozem čistírny, je také možné využít pozemku čistírny k instalaci zařízení, která dokáží vyrobit energii z přírodních (obnovitelných zdrojů). Obecný rámec podpory výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů je určen evropskou směrnicí č. 2009/28/ES o podpoře využívání energie z obnovitelných zdrojů, v České republice č. 406/2000 Sb., o hospodaření energií a specificky zákonem č. 180/2005 Sb. o podpoře výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Dřívější dotační politika v České republice jednoznačně zvýhodňovala výstavbu solárních elektráren, což vedlo jednotlivé společnosti a státní orgány zodpovědné za správu a regulaci distribuční sítě k poměrně razantnímu omezení dalšího připojování do distribuční sítě, s výjimkou 100 % ostrovního provozu jednotlivých instalací [11].

Větrná energie

Větrné elektrárny užívají pro výrobu elektřiny čistý přírodní zdroj, jenž nevyžaduje další úpravy, neprodukují odpad a skleníkové plyny. Po jejich instalaci lze i nadále využívat okolní půdu (např. pro zemědělské účely). I přes svou ekologickou šetrnost jsou tyto elektrárny často bouřlivě diskutovány. Mezi argumenty jejich odpůrců nalezneme opodstatněné tvrzení, že větrné elektrárny narušují vzhled krajiny. Oponenti argumentují, že sloupy vysokého napětí rovněž, a přesto jsme se s nimi sžili. Větrné elektrárny ovšem způsobují hluk. Ve vzdálenosti 500 m od elektrárny o výkonu 2 MW naměříme asi 40 dB. Toto číslo sice odpovídá hygienickým normám, hluk je však pro blízké okolí nepříjemný a může rušit zvěř. Za jasných dnů odráží vrtule elektráren sluneční záření. To způsobuje tzv. disko-efekt, který na okolí působí rušivým dojmem. Problémem větrných zdrojů je i jejich časová nestabilita, kterou je nutné řešit záložními energetickými zdroji.

Některé z těchto negativ lze eliminovat novými typy větrných elektráren. Decentralizací a tím zmenšením těchto zdrojů, dosáhneme jednak jiný pohled na narušení vzhledu krajiny, snížíme hlučnost a také nebude rozvodná síť namáhána při malém příkonu rozkolísaností sítě. Novými typy jsou např. větrné elektrárny s vertikálními listy (obr. 37), které vypadají velmi zajímavě a nenásilně působí na vzhled v krajině, zejména svou výškou.

Po letech nízkého zájmu o využití malých větrných elektráren (dále malých VTE) lze v současné době pozorovat opětovné zvyšování pozornosti věnované této technologii, zejména v souvislosti s koncepcí lokálního zásobování energií a energetické soběstačnosti budov. Největší ekonomický přínos má využití malých VTE v odlehlých lokalitách bez možnosti odběru energie z elektrické sítě, a to ideálně v kombinaci s využitím fotovoltaických článků, které se s výrobou energie z větru vhodně doplňují.

Obr. 37 Větrná elektrárna [16]

Tyto malé vertikální elektrárny začínají pracovat již při rychlosti větru 2–3 m/s a jmenovitý výkon dosahují při 10 m/s. Výkon se pohybuje podle velikosti od cca 200 W až do 10 kW. Mezi výhody patří rotace i při nízké rychlosti větru, není nutná regulace otáčení, vhodná pro místa s turbulencí (města), snadná údržba, nižší hlučnost. Nevýhodou je nižší účinnost.

Solární energie

Výroba energie spalování fosilních paliv má velmi malou účinnost. Zásoby fosilních paliv na naší planetě jsou omezené a vystačí do poloviny tohoto století. Navíc ještě tato výroba znečišťuje životní prostředí a ohrožuje život Země. Jejich zdražování postihuje všechny bez rozdílu. Bohužel, je to pro nás dnes zaběhaný a nejdůležitější způsob jak získávat energii. Je to také nejhloupější způsob jak získávat energii. Proto se hledají náhradní zdroje energie, které budou účinné, trvalé a ekologicky čistší. Odborníci se shodují v tom, že sluneční energie a reakce atomových jader budou stále více nahrazovat fosilní paliva. Celosvětová spotřeba energie je dnes asi 13 TW. Slunce dává zadarmo Zemi neustále 180 000 TW čisté, nevyčerpatelné a nejkvalitnější energie. Dává spravedlivě hojnost energie všem lidem bez rozdílu a všemu živému na planetě Zemi vůbec. Bez něho by byla Země mrtvou planetou bloudící bez cíle černým mrazivým vesmírem. Solární energie má v globálním měřítku největší potenciál ze všech obnovitelných zdrojů energie. Může být využita ve formě tepelné energie, nebo může být transformována přímo na elektrickou energii. Případně ji lze i kombinovat s dalšími energiemi

Obr. 38 Příklad kombinace různých zdrojů energie pro zásobování budovy elektrickou a tepelnou energií [16]

Solární kolektory – fototermika

Solární fototermické kolektory jsou již po světě velice rozšířené. Jsou zpravidla instalovány na střechách pro výrobu teplé vody případně i teplého vzduchu pro vytápění kancelářských a obytných budov, nebo pro ohřev teplé užitkové vody v nich.

Účinnost přeměny se pohybuje v reálných podmínkách v závislosti od typu a provozního režimu v rozmezí 30–70 %.

Solární kolektory – fotovoltaika

Solární fotovoltaické články transformují sluneční záření přímo na elektrickou energii. Přeměna sluneční energie v elektrický proud probíhá ve fotovoltaickém neboli slunečním článku. Nejužívanější je sluneční článek z křemíku. Je to tenká (méně než 1 mm) destička z krystalu křemíku. Sluneční články se spojují a tvoří sluneční panel. Na slunečním panelu o ploše 1 m² se v letní poledne získá až 150 wattů stejnosměrného proudu. Fotovoltaických elektráren o výkonech kilowattů až megawattů jsou už po světě miliony.

Není pochyb o tom, že naši potomci budou čerpat energii z alternativních zdrojů – zejména ze slunečního záření. Jen tak zůstane Země čistým příjemným domovem nejen pro naše potomky, ale i celou biosféru.

Obr. 39 Fotovoltaické elektrárny [16]

Biopaliva

Biopalivo vzniká cílenou výrobou či přípravou z biomasy. Biopalivem však může být i odpadní voda přiváděna na čistírny odpadních vod. V současnosti je chemická reakce z biopaliv uvolňována hlavně spalováním bioplynu. Jsou ale vyvíjeny nové účinnější metody pro jejich využití k výrobě elektřiny pomocí palivových článků.

Vědci již pracují na technologiích vycházejících z odpadní vody, kde je nahrazen značně drahý katalyzátor palivového článku na bázi platinových kovů, bakteriemi, resp. aerobním procesem a také na technologiích, jak vodík produkovat pomocí speciálních bakterií z biomasy. Tento proces je velice efektivní a snadno by se dal přizpůsobit pro masovou výrobu vodíku. Navíc lze takto vodík připravovat defacto z jakéhokoliv biologického odpadu, třeba z posekané trávy. A účinnost se, s malým elektrickým „popíchnutím“, pohybuje až kolem 80 %. Tomu nemůže konkurovat žádná jiná výrobní technologie. Velmi krátká budoucnost by tedy mohla vypadat tak, že palivové články by byly plné biologického odpadu, který by bakterie zpracovaly a přeměnily na energii.

Kinetická energie v potrubí

Mezi úplně nové možnosti, které je možno využít je využití energie v potrubí, a to jak ve vodovodním, tak odpadním. Do potrubí se vsadí mezikus, který je koncipován jako malá turbínka a ta produkuje elektrickou energii využitelnou např. pro měřicí techniku. Šetří se tím zejména náklady na rozvody elektrické energie, případně na baterie. Energii, kterou lze vyrobit i již při poměrně malém tlaku (0,03 MPa), lze shromažďovat v baterii – což je výhodné zejména tam, kde bychom museli daleko táhnout elektrické vedení, nebo tam kde podmínky pro umístění vedení jsou omezené. Pozor – na veřejných řadech, tam kde bychom snižovali tlak vody dodávané do sítě, není možné takové zařízení použít bez souhlasu provozovatele sítě.

Obr. 40 Zařízení na využití energie vytékající vody z potrubí [20]

5 NOVINKY

Palivové články

Princip palivového článku je znám přes 150 let. Princip generátoru z článků pak 50 let.

Teprve v době studené války v padesátých létech nastává další rozmach, který se stupňuje v devadesátých létech, kdy je prováděn výzkum pro civilní účely. Ve výzkumu jsou palivové články zkoušeny pro různé účely, pro mobilní účely (auta, autobusy, lodě, letadla) a pro stacionární generátory (vytápění, generátory, decentrální zdroje energie) a pro výrobu proudu k přístrojům (notebooky, mobilní telefony …). Komercializace je očekávána v nejbližší době v oblasti malých zdrojů a ve výhledu několika let v dalších oblastech.

Palivové články vyvíjejí elektrický proud přímo z chemické reakční energie. Tím je vynechána ve srovnání s dalšími procesy objížďka představovaná přechodem přes tepelnou energii. Technologie je založena na zrcadlovém procesu k elektrolýze. Palivový článek sestává obvykle ze dvou elektrod, anody a katody a elektrolytu, který obě reakční strany odděluje. Díky kontrolované chemické reakci (na rozdíl od spalování a exploze) vodíku a kyslíku se vedle páry uvolňuje elektrická energie a teplo. Tento proces se odehrává kontinuálně v reaktoru (obr. 40).

Reakce vypadají následovně:

Na anodu je kontinuálně přiváděn jako palivo vodík, nebo plyny s vysokým obsahem vodíku. Tam se rozpadá na pozitivně nabitý vodík a elektron. Ionty v kyselých elektrolytech jsou protony, v alkalických obvykle hydroxilové ionty, které jsou transportovány v elektrolytu ke katodě, kde s elektronem a přiváděným kyslíkem reagují za vzniku vodní páry. Elektrony tečou na základě rozdílu potenciálu mezi vodíkovou a kyslíkovou elektrodou přes externí obtok směrem ke katodě a vzniká při tom stejnosměrný proud. Ten je pak možné měničem přeměnit na využitelný střídavý proud.

Jedna cella (článek) vytváří jen nepatrné napětí, které je závislé na elektrolytu, teplotě a proudu a je obvykle 0,6–0,9 V. Ke zvýšení napětí s články spojují do svazku, elektricky do řady. Spojení se provádí pomocí bipolárních desek tak, aby se zajistilo zásobování palivem k oxidaci a odvádění reakcí vzniklých produktů.

Obr. 41 Schematické zobrazení sestavy jednoho palivového článku (PEMFC) [9]

Typy palivových článků

Články se liší podle použitého elektrolytu a provozní teploty (tab. 10). Nízkoteplotní články mají oproti vysokoteplotním lepší startovací podmínky. Nevýhodou je horší využití vznikajícího tepla. U středně a vysokoteplotních článků jsou dosahovány vyšší účinnosti. Nevýhodou je delší nabíhání. V tab. 10 jsou pro každý typ uvedeny – účinnost, palivo, zdroj kyslíku, stav vývoje a oblast použití generátoru.

Tab.10 Palivové články – třídění podle provozní teploty

Použití na ČOV

Použití AFC je kvůli vysokým požadavkům na kvalitu na technické plyny omezené. Také použití PEMFC a PEFC se zatím kvůli vysokým požadavkům na kvalitu plynu nepředpokládá. DMFC se používá výlučně s metanolem a je ve stádiu výzkumu.

V Německu tedy byly na ČOV použity prozatím:

PAFC – na ČOV Köln – Rodenkirchen, firma UTC, výkon 200 kW,

MCFC – na ČOV Ahlen (Vestfálsko), firma MTUCFC Solutions, s elektrickým výkonem 250 kW,

MCFC – bylo testováno také u Wupperverband – firma Anasaldo, 1 kW.

Tab. 11 Výkon, účinnost, stav vývoje generátorů založených na palivových článcích

Bezpečnostní aspekty

Generátory z palivových článků, které pracují s plynem, podléhají obdobným bezpečnostním předpisům a zásadám jako zařízení na bioplyn. Protože se často zachází s vodíkem, vychází se také ze zkušenosti v chemickém průmyslu.

Podstatné bezpečnostní aspekty jsou pak dále:

• vodík je s 2,016 g/mol lehčí než vzduch a v atmosféře stoupá vzhůru;
• vodík má velmi vysoký difuzní koeficient, a proto se velmi rychle rozplyne;
• vodík hoří neviditelným plamenem;
• vodík je bezbarvý, bez zápachu a nejedovatý;
• vodík může být za určitých koncentračních podmínek příčinou výbuchu;
• vodík v tekutém stavu má nízkou teplotu a může vyvolat poškození touto teplotou;
• vodík je vznětlivý;
• směsi vodíku jsou výbušné (spodní hranice 4 %, horní hranice 77 %).

Podle potřeby může článek pracovat ve vysokých tlacích. Z tohoto titulu je také třeba dodržet odpovídající bezpečnostní zásady. Doporučuje se také instalace varovných zařízení, schopných indikovat různé plyny (metan, vodík atd.).

Mikrobiální palivové články

Mikrobiální palivové články patřily ještě nedávno do oblasti science-fiction, nicméně úspěchy, jimiž se chlubí zhruba 25 specializovaných pracovišť (vesměs univerzit), posouvají jejich aplikaci do hodně blízké budoucnosti.

Co si vlastně představit pod pojmem mikrobiální palivový článek? Laicky řečeno, mikrobiální palivové články přeměňují chemickou energii (dostupnou ve formě substrátu) na elektrickou energii. Aby toho bylo dosaženo, bakterie slouží jako katalyzátory transformující substrát na elektrony. Bakterie jsou velmi malé mikroorganismy (velikost ca. 1 μm), které přeměňují velké množství organických látek na CO₂, vodu a energii. Mikroorganismy používají tuto energii ke svému růstu a k udržení metabolismu. S využitím mikrobiálních palivových článků můžeme využít část této energie na produkci elektrické energie.

Mikrobiální palivové články sestávají z anody, katody, protonové nebo kationtové membrány a elektrického obvodu, jak je znázorněno na obr. 42.

Obr. 42 Základní schéma mikrobiálního palivového článku [9]

Bakterie se vyskytují v anodické části a přeměňují substrát (glukóza, acetát, odpadní voda) na oxid uhličitý, protony a elektrony. Za aerobních podmínek využívají bakterie jako finální akceptor elektronu kyslík nebo dusičnanový dusík za současného vzniku vody. Nicméně v anodickém prostoru mikrobiálního palivového článku není přítomen žádný kyslík, a bakterie proto potřebují předat elektron jinam. Díky schopnosti baktérií přenést elektrony na anodu může právě tyto elektrony, vznikající metabolismem bakterií, mikrobiální palivový článek shromažďovat. Přenos elektronů může proběhnout např. pomocí nanodrátů.

Elektrony jsou transportovány na katodu elektrickým obvodem s rezistorem. Rozdíl potenciálů na katodě a anodě, spolu s tokem elektronů, vede k tvorbě elektrické energie.

Protony jsou transportovány skrze protonovou nebo kationtovou výměnnou membránu na katodu. Na katodě poté dochází k chemické redukci akceptoru elektronů (v ideálním případě je kyslík redukován na vodu). Pro dosažení potřebné rychlosti redukce kyslíku se používá platinový katalyzátor.

Návrh mikrobiálních palivových článků

Mikrobiální palivové články lze rozdělit do dvou základních skupin podle jejich využití:

• pro výzkumné účely:
• zpravidla se snadno sestavují a slouží pro krátkodobé experimenty;
• navrhují se pro odladění specifických mikrobiálních procesů nebo nově používané materiály;
• slouží pouze pro vsádkové testy a nejsou schopny dlouhodobého provozu;
• pro souvislý provoz:
• navrženy pro dlouhodobý provoz;
• do článků mohou být dodávány různé substráty (glukóza, acetát, odpadní voda) a ty poté souvisle vyrábějí elektřinu;
• slouží především k optimalizaci elektrochemických parametrů.

Obr. 43 Ukázka mikrobiálních palivových článků pro výzkumné účely [9]

Obr. 44 Ukázka mikrobiálních palivových článků pro souvislý provoz [9]

Poloprovozní jednotka mikrobiálních palivových článků

Poloprovozní jednotka se nachází v Yatale v Austrálii, a jako substrát slouží odpadní voda z pivovaru Foster – familiárně se označuje jako „Beer battery“. Reaktor sestává z 12 modulů a má objem cca 1 m³. Elektrody jsou z karbonových vláken a jsou na modulech umístěny hřebenovitě (obr. 45). Reaktor zpracovává 7–10 kg CHSK/m³·den a cca 2 m³/den odpadní vody. Toto uspořádání zajistí výkon cca 500 W a plánuje se rozšířit o dvanáct dalších modulů.

Obr. 45 Poloprovozní jednotka Yatala v Austrálii [9]

Výzkum mikrobiálních palivových článků se prudce rozvíjí, a ačkoliv konstrukce vlastního palivového článku je primitivní, dokonalé porozumění všem probíhajícím procesům vyžaduje nadstandardní znalost z mnoha vědních oborů, počínaje mikrobiologií a elektrochemií a konče materiálovým nebo environmentálním inženýrstvím. Právě proto se objevuje možná velké kvantum laboratorních pokusů, ale odezva v poloprovozním měřítku je zatím mizivá. Výzkum se soustřeďuje především na materiálové provedení reaktorů a zvýšení účinnosti výroby elektrické energie, zatímco poloprovozní, potažmo reálné aplikace narážejí především na vysoké investiční náklady této technologie.

6 ZÁVĚR

Je nutné změnit celkový pohled na čištění odpadní vod. Na odpadní vodu by se nemělo pohlížet jako na odpad, ale jako na surovinu – vedle toho, že může být zdrojem energie (ve formě organických látek, tepla, kinetické a polohové energie), je zdrojem dusíku a fosforu (kterého je mimochodem nedostatek a je nutné jej začít v co nejvyšší míře recyklovat), lze produkovat vyčištěnou odpadní vodu, která může být posléze ekonomicky zhodnocena a recyklována. Na čistírnu odpadních vod bychom se měli začít dívat jako na stavbu, která je schopna být i energeticky soběstačná a je schopna využívat různé nové a alternativní zdroje energie, které byly doposud přehlíženy.

Lze předpokládat, že energetické nároky budou při současné ekonomické krizi zmiňovány více a více nejen při návrzích nových čistíren odpadních vod, ale i při jejich optimalizacích. Příspěvek se snažil popsat některé současné možnosti a demonstrovat je na dvou konkrétních případech na našem území. Nicméně v budoucnu lze očekávat zvýšený zájem i o částečně futuristické možnosti energetických optimalizací, jako např. využití řasových kultur anebo palivových článků (a to nejen mikrobiálních).

LITERATURA

[1] NOVOTNÝ, V., BROWN, P. Cities of Future: Towards sustainable water and landscape management, 2006.

[2] ERTL, T., KRETSCHMER, F., PLIHAL, H., WEISSENBACHER, N. Critical review and feasibility study: Energy recovery in the area of wastewater collection and treatment, Vídeň: 2011.

[3] CHUDOBA, P., BENEŠ, O. Odpadní voda jako zdroj surovin a energie – technologické trendy.

[4] TORNOW, M. Abwasserpumpanlagen DWA Seminar: Abwasserpumpanlagen, Freiburg.

[5] LORENZ, U. Projektentwicklung – Vorgehen und Erfahrungen eines Stadtwerke, 2010.

[6] LINDTNER, S. Leitfaden für die Erstellung eines Energiekonzeptes kommunaler Kläranlagen, Lebensministerium, Vídeň, 2008.

[7] DOHANVOS, M., KUTIL, J. Bioplyn – zdroj energie, SOVAK, s. 10/206, č. 6, 2011.

[8] http://www.cink-hydro-energy.com/cz/turbiny-ossberger

[9] DWA Merkblatt M 114: Energie aus Abwasser – Wärme – und Lageenergie. Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.v. Hennef, 2009.

[10] DRTIL, M. Výpočtový program anaeróbneho spracovania kalov a odpadov, učebné texty predmetu Technologický projekt, OEI FCHPT STU Bratislava, 2010.

[11] BODÍK, I., KUBASKÁ, M., SEDLÁČEK, S., LEHOTSKÁ, S. Benchmarking vyhnívacích nádrží na ČOV v SR. In: Odpadové vody 2010, zborník z 6. bienálnej konferencie AČE SR, 20 – 22.10.2010, s.167-172 Štrbské Pleso: 2010.

[12] CHUDOBA, P., BENEŠ, O., ROSENBERGOVÁ, R. Možnosti energetické valorizace BRO na ČOV. In: Nové metody a postupy při provozování ČOV, sborník z 15. semináře VHOS, 13 – 14.4.2010, s. 76 – 95; Moravská Třebová: 2010.

[13] KOCH, M., NIETLISBACH, A., KAENEL, B., CALDERONI, M., WILLE, B., MUELLER, R., BRETSCHER, P., WANNER, O., SIEGRIST, H., PETER, A., MUELLER, E. A., KOBEL, B., ROTH, Y. Heizen und Kühlen mit Abwasser – Leitfaden für die Planung, Bewilligung und Realisierung von Anlagen zur Abwasserenergienutzung, Baudirektion Kanton Zürich: 2010.

[14] PLOTĚNÝ, K, Předčištění na komunálních čistírnách, ASIO, spol. s r.o., Sborník seminářů – Membrány po lopatě, str. 35 – 36, Brno: 2009.

[15] HARTIG, K. Termické zpracování kalů. 4. Mezinárodní konference Odpadní vody 2001, 15. – 17.5.2001, s. 195 – 201, Mladá Boleslav: 2001.

[16] PIŇOS, S., BARTONÍK, A., PLOTĚNÝ, K. Interní materiály firmy ASIO, spol. s r.o. k projektu Synergie, 2012.

[17] BRTNA, F. Návrh dezintegrační jednotky, diplomová práce, VUT Brno, Fakulta strojní, vedoucí práce Boráň J., Brno: 2009.

[18] HARTIG, K., KOS, M., VÍT, R. Zpracování čistírenských kalů zplyňováním – cesta k energetické soběstačnosti ČOV.

[19] http://en.wikipedia.org/wiki/Deammonification

[20] www.hydrospin.net