Historický vývoj sústav centralizovaného zásobovania teplom vo svete a na Slovensku

1. Úvod

Sústavy centralizovaného zásobovania teplom (SCZT) zabezpečujú dodávku tepla prostredníctvom primárnych tepelných sietí z jedného, alebo viacerých zariadení na výrobu tepla [9]. Ide o tzv. diaľkové vykurovanie, kde zdroje tepla (teplárne, výhrevne) dodávajú teplo do odovzdávacích staníc tepla, na ktoré sa potom pripájajú sekundárnymi tepelnými sieťami vykurovacie sústavy jednotlivých objektov [4].

Aj keď je CZT na Slovensku stále vnímané ako prežitok minulého režimu, ide o jeden z najefektívnejších a najekologickejších spôsobov v zásobovaní budov teplom a slovenské SCZT patria v Európe k jedným z najrozvinutejších.

Spätný pohľad do histórie nám umožňuje získať ucelený obraz o SCZT od ich vzniku a aplikácií v malých okrskoch dedín až po výrobu a distribúciu tepla v sídliskách veľkomiest. Príklady využívania geotermálnej energie na vykurovanie budov v minulosti môžu byť pre nás veľkou inšpiráciou aj v súčasnosti, kedy Európa volá po zvýšenom využívaní obnoviteľných zdrojov energie (OZE) aj v sektore vykurovania.

V nasledujúcich kapitolách je uvedený historický vývoj CZT vo svete a na Slovensku.

2. Historický vývoj vo svete

Obr. 1 Konštrukcia hypokausta [18]

Z archeologických výskumov je známe, že už pred vyše 2000 rokmi starí Rimania skonštruovali skutočné vykurovacie systémy – hypokaustá, ktoré fungovali na princípe teplovzdušného vykurovania, a ktoré mohli ohrievať aj viacero budov [5]. Na Obr. 1 je zobrazená konštrukcia hypokausta, ktorá pozostávala z pece a „ohrievanej miestnosti“, pod ktorou boli vybudované 30–40 cm široké a 30–60 cm vysoké kanály pre prúdenie vzduchu. Pád Rímskej ríše spôsobil, že táto technológia sa ďalej nerozširovala a skoro sa na ňu zabudlo [14].

Vo francúzskej obci Chaudes-Aigues (v preklade Horúce Vody) bol v 14. storočí (okolo roku 1332–1334) vybudovaný prvý systém CZT z geotermálneho zdroja tepla, ktorý je funkčný dodnes [14, 11, 10]. Z geotermálneho prameňa sa účinkami gravitácie distribuovala prostredníctvom drevených potrubí geotermálna voda do siete dlhej približne 5 kilometrov, ktorá zásobovala teplom niektoré budovy v obci [11, 7]. Na Obr. 2 je znázornená dobová fotografia hlavného prameňa Par z obce Chaudes-Aigues. V roku 1622 holandský vynálezca Cornelius Drebbel navrhol sústavu CZT pre mesto Londýn [8]. Väčší rozsah využitia zaznamenalo CZT až koncom 19. storočia. Pred týmto obdobím boli budovy vykurované samostatne, pričom palivovú základňu tvorili tuhé fosílne palivá – najmä uhlie. Problémom boli nielen časté požiare ale aj znečisťovanie ovzdušia. Práve aplikáciou SCZT boli tieto problémy eliminované [14]. Sústava CZT bola v roku 1853 inštalovaná aj v komplexe budov United States Naval Academy (Námorná akadémia USA) v Annapolise [8]. Zlomovým bol rok 1877 kedy bolo CZT zavedené prvýkrát komerčne v meste Lockport (USA). Spoločnosť Holly Steam Combination Company bola prvým výrobcom a distributérom diaľkového vykurovania z centrálneho parného vykurovacieho systému. Zakladateľom spoločnosti bol inžinier Birdsill Holly, ktorý na vykurovanie domov, obchodov a kancelárskych budov v meste vytvoril sústavu centrálneho parného vykurovania [13]. Do roku 1881 bola táto parná SCZT zavedená do 19 miest [8]. Na Obr. 3 je oznámenie spoločnosti Holly Steam Combination Company z roku 1878 o dodávke tepla z centrálneho zdroja výroby pary prostredníctvom rozvodných sietí do súkromných a verejných budov v meste Lockport.

Obr. 2 Dobová fotografia pri hlavnom prameni Par v Chaudes-Aigues [14]

Obr. 3 Oznámenie z roku 1878 o dodávkach tepla do budov v meste Lockport [13]

Na konci 19. storočia dochádza vo veľkých mestách aj k problémom so skladovaním odpadu, ktorý sa hromadil na uliciach a predstavoval určité zdravotné riziká. V Hamburgu sa okolo roku 1892 rozhodli tento problém riešiť spaľovaním odpadu, pričom vyrobená para slúžila na vykurovanie radnice a koncertnej sály v meste [14]. Parnými rozvodmi sa v roku 1895 začala vykurovať radnica a škola v Prahe-Holešoviciach [3]. V roku 1901 bol v Drážďanoch vybudovaný závod pre diaľkové parné vykurovanie, ktorý zásoboval teplom 12 budov do maximálnej vzdialenosti 1 kilometra. Palivovú základňu tvorilo uhlie a koks [5]. Nápad so spaľovaním odpadu bol inšpiráciou aj pre ďalšie mestá v Európe. V dánskom meste Frederiksberg (dnes už súčasť hlavného mesta Kodaň) sa v roku 1902 rozhodli postaviť prvú spaľovňu odpadu v Dánsku, ktorá vyrábala nielen teplo ale aj elektrinu. Výroba tepla sa spustila v roku 1903 pre novú nemocnicu, sirotinec a chudobinec [14]. Masívne boli SCZT od roku 1920 budované vo všetkých väčších mestách Ruska [3]. Najväčší rozmach zaznamenala výstavba SCZT v Európe v období socializmu, kedy sa začalo s výstavbou sídlisk. V 50.–70. rokoch 20. storočia sa začalo s budovaním SCZT vo väčších mestách Švédska, Dánska a Fínska. Práve tieto severské štáty spolu s Islandom sú typické rozvinutými SCZT a sú priekopníkmi v oblasti používania OZE v SCZT. Poľsko, Maďarsko, Bulharsko a Rumunsko zaznamenali rozvoj sústav CZT v 60. rokoch pričom palivovú základňu do veľkej miery aj dnes tvoria fosílne palivá. K štátom v ktorých začal rozvoj CZT v neskoršom období a tomuto spôsobu vykurovania sa nevenovala veľká pozornosť patrí Holandsko, Írsko, Belgicko, Taliansko a Švajčiarsko [3].

3. Historický vývoj na Slovensku

Od roku 1928 do roku 1945 dochádzalo na území mesta Bratislavy k snahám využiť zvyškové teplo pri výrobe elektrickej energie v sústavách CZT. V roku 1930 firma Škoda vypracovala pre Bratislavu projekt samostatnej teplárne, ktorý sa ale neuskutočnil. O rok na to Západoslovenské elektrárne prenajali a neskôr odkúpili elektráreň textilného podniku Klinger, z ktorej sa mal stať centrálny zdroj tepla. Výstavba tepelných sietí bola kvôli Veľkej hospodárskej kríze odložená. Novopostavená tepláreň ropnej rafinérie Apollo zastávala úlohu tepelného zdroja v ďalšom projekte zásobovania teplom, ktorý vznikal v rokoch 1938–1944. Zničenie rafinérie spojeneckými náletmi v júni 1944 spôsobilo, že ani tento projekt sa nezrealizoval [14]. Do roku 1948 sa CZT používalo ako systém vykurovania budov v areáloch priemyselných podnikov, nemocníc a škôl [16]. Tak ako v okolitých krajinách aj na Slovensku boli povojnové 50. roky obdobím realizácie plánov zásobovať viacero budov z centrálneho zdroja tepla. Na tento účel sa vo väčších mestách využívali staršie tepelné elektrárne, ktoré sa upravovali na nové požiadavky a práve obyvatelia týchto miest boli prví, ktorí mohli využívať výhody distribúcie tepla a teplej vody z centrálneho zdroja tepla. V Bratislave bola prvýkrát na tento účel prispôsobená závodná elektráreň chemického podniku Vistra, a v roku 1953 aj tepelná elektráreň rafinérie Apollo [14, 12]. Teplonosnou látkou v rozvodoch tepla bola para. Z dôvodu prevádzkovej a ekonomickej výhodnosti došlo v roku 1959 k prechodu na novú teplonosnú látku – horúcu vodu [12]. Roky 1948–1989 boli obdobím dynamického rozvoja SCZT, kedy sa preferoval ich rozvoj a nové budovy, ktoré pribúdali v zónach s dostupnými SCZT k nim boli povinne pripájané [16]. Príkladom je aj výstavba najväčšieho sídliska v strednej Európe – bratislavská Petržalka. Jej výstavba začala v roku 1973 a po kladných skúsenostiach z praktickej prevádzky CZT aj v iných mestách sa tento spôsob zásobovania teplom zvolil aj na tomto sídlisku [15, 2]. Nakoľko je Slovensko tranzitnou krajinou z hľadiska palivovej základne dominuje zemný plyn, ale aj spaľovanie uhlia a komunálneho odpadu [3].

Po roku 1990 dochádza nielen k spoločenským zmenám, aj k odpájaniu sa koncových odberateľov od SCZT. Príčinou tohto stavu bol:

• zánik podnikov, ktoré prevádzkovali kogeneračné centrály dodávajúce teplo do SCZT,
• rozpad SCZT z dôvodu neschopnosti zabezpečiť ich prevádzku a údržbu,
• nespokojnosť koncových odberateľov s cenami a kvalitou dodávaného tepla [16].

Ako znázorňuje graf na Obr. 4, v období od roku 1991 do roku 2011 výrazne stúpol počet bytov, ktoré sa odpojili od SCZT.

Obr. 4 Bilancia pripojenia bytov k SCZT na Slovensku v období rokov 1991–2011 [16]

Trend odpájania sa od SCZT pokračuje aj v súčasnosti. Odberatelia tepla sa môžu odpojiť len za predpokladu splnenia daných podmienok, ktoré sú uvedené v § 20 zákona č. 657/2004 Z. z. o tepelnej energetike [9].

4. Charakteristické znaky jednotlivých vývojových období a pohľad do budúcnosti

Aj napriek tomu, že z časového hľadiska bol nástup CZT v jednotlivých oblastiach sveta rôzny, jeho postupný vývoj možno zatriediť do štyroch generácií, ako je to znázornené na Obr. 5.

• 1. generácia distribúcie tepla – toto obdobie možno charakterizovať ako éru parných sústav. Energetická účinnosť týchto parných sústav bola nízka, nakoľko v nich dochádzalo k vysokým tepelným stratám, a ich údržba bola finančne náročná. V mestských teplárenských zdrojoch sa spaľoval odpad a tuhé fosílne palivá – uhlie [7, 1]. Napriek tomu, že para sa dnes považuje za neefektívnu teplonosnú látku stále sa používa okrem iných aj v SCZT na Manhattane v New Yorku a v Paríži [7, 6].
• 2. generácia distribúcie tepla – v tomto období dochádza k zmene teplonosnej látky v sústavách CZT a do popredia prichádza voda. Horúcovodný systém je typický teplotou vyššou ako 100 °C v prívodnom potrubí. Zmenou teplonosnej látky dochádza k viditeľnému nárastu a zlepšeniu energetickej účinnosti. K získavaniu tepla zo spaľovania odpadov a tuhých fosílnych palív pribúdajú aj zdroje kombinovanej výroby elektriny a tepla (KVET). Pre toto obdobie je typický najväčší rozvoj veľkých teplárenských sústav, predovšetkým v priemyselných a vysoko urbanizovaných aglomeráciách [7, 1].
• 3. generácia distribúcie tepla – horúcovodný systém nahradil teplovodný s teplotou nižšou ako 100 °C v prívodnom potrubí. Táto generácia so sebou priniesla určitý stupeň prefabrikácie – predizolované potrubia, nové materiálové a konštrukčné vyhotovenia jednotlivých komponentov SCZT – výmenníky tepla s vysokými výkonmi, kompaktné domové odovzdávacie stanice tepla, meranie a reguláciu prevádzkových parametrov v týchto sústavách. Ku klasickým zdrojom tepla spaľujúcim fosílne palivá pribúdajú kogeneračné jednotky, zdroje tepla na spaľovanie biomasy, využívajú sa solárne systémy a odpadové teplo z priemyselných procesov. Aplikáciou týchto riešení dochádza k vyššej energetickej účinnosti celej sústavy [1, 6].
• 4. generácia distribúcie tepla – ide o obdobie najbližších troch desaťročí. Cieľom je prechod na nový energetický systém bez spaľovania fosílnych palív, čím by došlo k požadovanému zníženiu emisií skleníkových plynov. Plánuje sa s KVET, väčším využívaním odpadového tepla z priemyselných procesov, aplikáciou zdrojov tepla využívajúcich obnoviteľnú energiu a novinkou je snaha o využívanie tepla z výpočtových stredísk. Cieľom je zvýšiť energetickú účinnosť sústavy znížením tepelných strát v sieti a dodávať teplo budovám s nízkou potrebou energie. Hlavným znakom štvrtej generácie je nízkoteplotné vykurovanie – teplota vody v primárnom potrubí by sa mala pohybovať na úrovni 50–60 °C a teplota vody vo vratnom potrubí by nemala byť vyššia ako 25 °C [7, 6].

Budúcnosť SCZT bude ovplyvnená:

• schopnosťou dodávať nízkoteplotné diaľkové vykurovanie do existujúcich budov,
• schopnosťou distribuovať teplo v sieťach s malými tepelnými stratami,
• legislatívou v oblasti ochrany životného prostredia a energetickou politikou jednotlivých štátov (podpora KVET, využívanie OZE),
• globalizáciou svetovej ekonomiky [6].

Obr. 5 Charakteristické znaky vývojových období SCZT [17]

5. Záver

Obsahom tohto príspevku bolo poukázať na niekoľkoročnú tradíciu vo vykurovaní budov prostredníctvom SCZT vo svete a na Slovensku. Vládne organizácie po celom svete si uvedomujú nielen výhody, ktoré so sebou SCZT prinášajú ale aj to, aký majú potenciál pre budúcnosť. Do platnosti prichádzajú smernice Európskeho parlamentu a na národnej úrovni sa vypracovávajú energetické a klimatické plány na najbližšie desaťročia v ktorých sa počíta s rozvojom energetickej infraštruktúry, využívaním CZT a OZE na výrobu tepla.

Optimalizáciou a modernizáciou existujúcich SCZT v najbližších rokoch možno dosiahnuť ich spoľahlivosť, bezpečnosť, hospodárnosť a šetrnosť k životnému prostrediu, čím možno predísť odpájaniu sa odberateľov tepla a vzniku lokálnych zdrojov tepla, ktoré nepodliehajú prísnej emisnej kontrole v takom rozsahu ako centrálne zdroje tepla.

Táto práca bola podporovaná Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantov VEGA 1/0304/21, VEGA 1/0303/21 a KEGA 005/STU-4/2021.

Literatúra

1. BAŠTA, J. a kolektív. Topenářská příručka: 120 let topenářství v Čechách a na Moravě. Praha: GAS, 2001. 2500 s. ISBN 80-86176-81-9.
2. CIKHART, J. – ČERNÝ, M. – KÁRNÍK, K. – MIKULA, J. – ŠVEŘEPA, O. – VALÁŠEK, J. Soustavy centralizovaného zásobování teplem. Praha: SNTL – Státní nakladatelství technické literatury, n. p., 1989. 560 s. ISBN 80-03-00021-1.
3. CHVALKOVSKÁ, J. – MIČÚCH, M. – MEJSTŘÍK, M. – SCHWARZ, J. – SLAVÍČEK, J. – VONDRÁŠ, J. – ZAJÍČEK, M. [online]. Studie stavu teplárenství. Praha: Národohospodářská fakulta, Vysoká škola ekonomická, 2011. 148 s. Dostupné na internete: https://www.mpo.cz/assets/dokumenty/43593/48917/575387/priloha001.pdf
4. JANDAČKA, J. a kol.: Moderné zdroje tepla na vykurovanie. Žilina: EDIS – vydavateľské centrum ŽU, 2016. 265 s. ISBN 978-80-554-1236-8.
5. PIERCE, M. A. The road to Lockport: Historical background of district heating and cooling. In Conference: American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE) winter meeting and exhibition, Chicago, IL (United States), 28 Jan - 1 Feb 1995 [online]. United States. 1995. Dostupné na internete:
   https://www.osti.gov/biblio/87450
6. LUND, H. – WERNER, S. – WILTSHIRE, R. – SVENDSEN, S. – THORSEN, J. E. – HVELPLUND, F. – MATHIESEN, B. V. 4^th Generation District Heating (4GDH): Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems. In Energy [online]. April 2014, vol. 68, p. 1-11. Dostupné na ScienceDirect:
   https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360544214002369
7. WERNER, S. International review of district heating and cooling. In Energy [online]. October 2017, vol. 137, p. 617-631. Dostupné na ScienceDirect: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S036054421730614X
8. PIERCE, M. A. History of District Heating in the United States. Chronological List of District He ating Systems in the United States. District Heating Studies. District Heating in Rochester, New York. District Heating Summary Document. Rochester: Department of History. Dostupné na internete: http://www.waterworkshistory.us/DH/index.htm
9. Zákon č. 657/2004 Z. z. o tepelnej energetike. Časová verzia predpisu účinná od: 1.08.2021. [online]. Bratislava: Zbierka zákonov Slovenskej republiky, Úrad vlády Slovenskej republiky. 33 s. Dostupné na internete:
   https://www.slov-lex.sk/static/pdf/2004/657/ZZ_2004_657_20210101.pdf
10. Čo je geotermálna energia? 2018. Dostupné na internete:
    https://slo.cosummitconstruction.com/geothermal-energy-78345
11. Geotermálna evolúcia: od stelesnených božstiev po výrobu zelenej elektriny. Publikované: 30.08.2020. Dostupné na internete: https://energiazozeme.sk/zaujimavosti/geotermalna-energia-evolucia/
12. História. Bratislavská teplárenská, a.s. Dostupné na internete: https://www.batas.sk/o-nas/historia/
13. Holly Steam Combination Company. Dostupné na internete:
    https://www.wikiwand.com/en/Holly_Steam_Combination_Company
14. Kúriť spolu alebo každý sám? Už starí Rimania poznali centrálne diaľkové vykurovanie. In Petržalské noviny. 2015, roč. 21, č. 5, s. 12–13. Dostupné na internete: https://www.petrzalka.sk/wp-content/uploads/2012/12/PN_5_2015.pdf
15. Pred 40 rokmi začali stavať bratislavské sídlisko Petržalku. Publikované: 02.04.2013. Dostupné na internete: https://www.teraz.sk/spravy/bratislava-petrzalka-vystavba-vyrocie/41952-clanok.html
16. Sústavy centrálneho zásobovania teplom – prehľad súčasného stavu. [online]. Slovenská inovačná a energetická agentúra: SIEA. Bratislava. 2014. Dostupné na internete:
    https://www.siea.sk/wp-content/uploads/poradenstvo/analyzy/Systemy_CZT_SIEA_2014_.pdf
17. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Generations_of_district_heating_systems_EN.svg
18. https://www.baunetzwissen.de/heizung/fachwissen/entwicklung-der-heizung/hypokausten-heizung-161060