Vytápění domů při dnešním vývoji cen energií z fosilních paliv a biomasy jako obnovitelného zdroje energie (I)

V průběhu let cca 1999 až 2003 proběhla rozsáhlá aktivita v plynofikaci měst a obcí. V důsledku plynofikace došlo ke snížení spotřeby energie vstupující do energetického zdroje ve formě paliva s ohledem na vyšší tepelnou účinnost plynových kotlů oproti kotlům na pevná paliva. Na základě změny palivové základny, z pevných paliv na zemní plyn, vychází následující dosažitelná úspora.

použité palivo	tepelná účinnost zdroje %	dosažitelná úspora vstupující energie plynofikací v %
Koks	69	16
černé uhlí	68	17
hnědé uhlí netříděné	62	23
hnědé uhlí tříděné	66	19
kusové dřevo	80	5

Pro kotle na zemní plyn do výkonu 500 kW je pro vyhodnocení uvedené v tabulce uvažována tepelná účinnost 85 %.

Současně se snížením spotřeby vstupující energie (paliva) přispěla uvedená plynofikace i ke snížení emisí škodlivých látek odcházejících do ovzduší. Nepříznivý vývoj cen paliv, především zemního plynu a elektrické energie, však může negativně ovlivnit výše uvedené přednosti tím, že bude docházet z ekonomických důvodů k postupnému návratu k levnějším pevným palivům. Tento trend by mohlo přibrzdit legislativní opatření formou zpoplatnění emisí u malých tepelných zdrojů.

Pro možnost vzájemného porovnání ceny tepla na výstupu z tepelného zdroje je uvedena následující tabulka.

Tabulka porovnání ceny tepla na výstupu ze zdroje při uvažování ceny paliva, výhřevnosti a tepelné účinnosti zdroje. Cena nezahrnuje náklady na obsluhu, odpisy zařízení ani zisk.

palivo	cena Kč/t	výhřevnost MJ/kg	účinnost zdroje %	spotřeba paliva kg/GJ	cena tepla ze zdroje Kč/GJ
koks, OKD ořech 2	5300	33,49	69	43,27	229,33
černé uhlí, OKD, o1	3800	30,19	68	48,71	185,10
hnědé uhlí Most č.428, ořech 2	1590	19,8	66	76,52	121,67
hnědé uhlí důl Bílina č.121, ořech 1	1604	17,6	66	86,08	138,07
kusové dřevo	980	15,0	80	83,33	81,66
dřevěné peletky	3400	18,5	80	67,57	229,74
dřevěné brikety	3000	18,0	80	69,44	208,32
lesní štěpka	450	8,5	78	150,83	67,87
zemní plyn	10,34	34,05	85	34,55	357,22

U zemního plynu je cena, výhřevnost a spotřeba paliva vztažena na m³. Použité ceny paliv jsou platné ke dni 5. 5. 2006 a zahrnují DPH a u pevných paliv dopravu do 10 km.

Cena tepla na výstupu z tepelného zdroje závisí nejenom na současné ceně daného paliva, ale i na použité hodnotě tepelné účinnosti zdroje. Proto byly pro porovnání uvedené v tabulce použity hodnoty minimální účinnosti výroby tepelné energie pro palivové kotle dle vyhlášky MPO č. 150/2000 Sb. Pro názornou ilustraci jsou ceny energie z paliv uvedených v tabulce seřazeny v grafu.

Graf názorně ukazuje, že ekologická paliva (zemní plyn, peletky a brikety ze dřeva a koks) vykazují podstatně vyšší cenu energie na výstupu z tepelného zdroje, než zbývající porovnávaná paliva. S ohledem na ceny energie lze u spotřebitelů očekávat upřednostňování uhlí a kusového dřeva oproti dražším palivům. Při použití vhodného typu kotle, s dosahovanou vyšší tepelnou účinností, lze u uhlí ještě snížit cenu tepla na výstupu ze zdroje. Pro názornost budeme vycházet z konkrétního případu.

Při použití automatického teplovodního kotle 24 kW na hnědé uhlí - Bílina, ořech 2 byla dosahována tepelná účinnost kotle 85 % při dodržení platných emisních limitů. Oproti původně uvažované hodnotě tepelné účinnosti (uváděné v předešlé tabulce ve výši 66 %) se vhodným řešením konstrukce kotle docílilo zvýšení její hodnoty o 19 %. Navýšením účinnosti kotle dojde ke snížení ceny tepla na výstupu z kotle z původní hodnoty 138,- Kč/GJ na hodnotu nižší a to 112,- Kč/GJ. Nová moderní technologie spalování hnědého uhlí umožňuje nejen snížit roční náklady na palivo, ale poskytuje i nenáročnou obsluhu a možnost řídit provoz kotle dle prostorového termostatu. Z ekonomického pohledu představuje cena tepla na výstupu z uvedeného kotle pouze 31,4 % ceny tepla z kotle na zemní plyn.

Běžné konstrukční řešení teplovodních kotlů uvedeného tepelného výkonu představovalo násypnou šachtu na uhlí. Spalování paliva probíhalo na roštu a to systémem tzv. spodního odhořívání.

Z pohledu optimálního řízení spalovacího procesu paliva, v závislosti na požadovaném tepelném výkonu kotle, spočíval hlavní problém v dosažení potřebného poměru palivo/vzduch, který je nutno přizpůsobit požadovanému tepelnému výkonu kotle. Dále je nutno mít na zřeteli i dodržování emisních limitů škodlivých látek při současném docílení maximální tepelné účinnosti kotle.

K dobrým výsledkům přispělo nové konstrukční řešení kotle, a to použití rotačního roštu, který současně představuje dávkovač paliva na rošt. Na roštu pak neleží celý obsah násypky paliva, jak tomu bylo původně, ale pouze takové množství paliva, které odpovídá požadovanému tepelnému výkonu kotle. Zásoba paliva je opět v násypce, ale násypka je umístěna mimo spalovací prostor kotle. Toto řešení pak umožňuje řídit potřebný poměr palivo/vzduch dle požadovaného tepelného výkonu kotle. Tepelný výkon kotle pak lze regulovat dle prostorového termostatu s časovým nastavením, který je možno umístit v referenčním prostoru vytápěného objektu.

Uplatnění nového netradičního řešení kotle tak přispělo k podstatnému zvýšení jeho tepelné účinnosti. Popsaná konstrukce kotle se uplatňuje jak pro spalování uhlí, tak pro spalování dřevěných peletek.

Časový cenový nárůst energie ze zemního plynu dokresluje uváděné skutečnosti. Pro ilustraci je uveden vývoj cen zemního plynu v letech 2002 až 2006. Aby byly použity konkrétní vstupní údaje, bylo počítáno s roční spotřebou plynu 4434 m³/rok (to je 151 GJ/rok = 41944 kWh/rok). Při použití těchto údajů je vývoj cen a jejich nárůst v % patrný z tabulky.

rok	cena plynu Kč/m3	cena tepla Kč/GJ	nárůst ceny v % k roku 2002	meziroční nárůst ceny v %
2002	6,67	196,0	0,0	0,0
2003	6,67	196,0	0,0	0,0
2004	7,05	206,97	5,69	5,7
2005	7,48	219,82	12,14	6,1
2006	10,34	303,62	55,02	38,2

Tabulka nárůstu cen zemního plynu v letech 2002 až 2006.

Ceny plynu byly vztahovány vždy k 1. lednu daného roku a cena tepla je vztažena na vstupující plyn.

Průběh tabulkových hodnot je pro lepší názornost vynesen do grafů, ze kterých je patrný nepříznivý strmý nárůst ceny plynu.

Pro doplnění cenových údajů je dobré vzít v úvahu i ceny zemního plynu v sousedních státech EU. Z těchto čísel je pak zcela zřejmý směr dalších cenových úprav zemního plynu v ČR pro blízkou budoucnost.

Stát	cena zemního plynu přepočtena na Kč/m3
Rakousko	17,0
Německo	15,50

Časový průběh nárůstu ceny pevných paliv v posledních letech není tak drastický vzhledem k tomu, že se jedná o tuzemské energetické zdroje. Vývoj cen v období let 1991 až 2006 je patrný z tabulky.

rok	hnědé uhlí 16,5 MJ/kg cena Kč/t	černé uhlí 30 MJ/kg cena Kč/t	koks cena Kč/t
1991    k 1.1.    k 1.5.    průměr	173,- 579,- 376,-	347,- 1159,- 753,-	553,- 1913,- 1233,-
1993 k 1.1.	670,-	1275,-	2104,-
1994 k 1.1.	777,-	1479,-	2440,-
1995    k 1.1.    k 1.9.    průměr	855,- 915,- 885,-	1626,- 1739,- 1683,-	2684,- 2872,- 2778,-
1996 k 1.1.	1007,-	1913,-	3159,-
1997 k 1.7.	1400,-	2659,-	4391,-
2001	1536,-	2670,-	4445,-
2002	1534,-	2725,-	4458,-
2003	1611,-	3568,-	4560,-
2006 k 5.5.	1604,-	3800,-	5300,-

Tabulka nárůstu cen pevných paliv.

Tabulkové ceny paliv jsou opět uvedeny pro lepší názornost graficky a další graf uvádí procentuelní nárůst ceny pevných paliv k roku 2002 (pro možnost porovnání se zemním plynem).

Z předchozích uvedených hodnot je patrno, že při porovnání cen paliv letošního roku, vztažených k roku 2002, došlo u zemního plynu k navýšení ceny o 55 % a u černého uhlí o hodnotu 39,4 %. U hnědého uhlí se jedná o nejnižší nárůst, a to o 4,5 % a u koksu o 18,9 %. Nejnižší vývojový časový trend nárůstu ceny pevných paliv vykazuje jednoznačně hnědé uhlí. Z ekonomických důvodů tato skutečnost signalizuje možnost návratu spotřebitelů k používání tohoto paliva. Negativně by se tato skutečnost projevila opětovným zvýšením emisí škodlivých látek do ovzduší. Především by se jednalo o emise SO₂ ze spalovacího procesu. Aby se tento vliv co nejvíce eliminoval je nutno zvolit takový druh hnědého uhlí, který má nízký obsah síry.

Z hodnot v tabulce vyplývá, že při výběru hnědého uhlí je výhodnější volit z pohledu ekologie uhlí z dolu Bílina, které vykazuje cca poloviční měrnou sirnatost než uhlí Most, a to při srovnatelném obsahu popela.

Další možností, která směřuje ke snižování emise SO₂, u kotlů v bytové sféře, je použít aditivované palivo. Jako aditivum se nejčastěji používá mletý vápenec nebo hydroxid vápenatý. Obě tyto látky jsou schopny v podmínkách topeniště kotle vytvářet z SO₂ pevný produkt, a to síran vápenatý, který zůstává v obsahu popele na roštu. Tímto procesem se snižuje obsah oxidu siřičitého ve spalinách odcházejících z kotle. Základní chemická rovnice pro aditivní odsiřování je ve tvaru

CaO + SO₂ + 1/2 O₂ = CaSO₄

Účinnost odsiřování pochopitelně bude záviset na použité výši podílu aditiva. Pro ilustraci této problematiky jsou dále uvedeny výsledky zkoušek prováděných v kamnech pro domácnosti, publikované v časopise Energetika /2006. Měření bylo provedeno na kamnech typu Fikoterm 2U4P. Dílčí výsledky měření jsou uvedeny v následující tabulce. Jako palivo bylo použito hnědé uhlí z Mostecké pánve s obsahem síry 1,32 %.

Průměrné koncentrace emisí a hodnoty součinitele přebytku spalovacího vzduchu při zkouškách s použitím aditiva.

podíl hydrátu vápenatého (%)	SO2 (ppm)	NO (ppm)	CO (%)	CO2 (%)	CxHy (ppm)	O2 (%)	n (-)
0	712	0	0	4,3	13	16,3	4,5
2	448	0	0,18	6,07	70	14,9	3,4
4	216	0	0,24	4,2	53	15,9	4,0
6	265	0	0,28	3,85	66	16,7	4,7
8	250	0	0,2	3,2	10	17,3	5,5
10	106	0	0,23	2,94	27	17,5	5,8
11	39	0	0,24	3,89	23	16,5	4,5
12	132	0	0,28	4,08	19	16,3	4,3

n - součinitel přebytku spalovacího vzduchu; ppm = 10^-6.

Z uvedených naměřených hodnot koncentrace SO₂ ve spalinách za kotlem je tato hodnota minimální pro podíl aditiva ve formě hydrátu vápenatého ve výši 11 %. Oproti stavu bez aditiva bylo docíleno stupně odsíření ve výši 94,5 %. Aditivované palivo především snižuje emise SO₂, a to velmi podstatně. Při spalování aditivovaných pevných paliv však nedojde ke snížení emise CO₂, která představuje jednu ze složek tzv. skleníkových plynů. Plynofikace přispěla ke snížení této hodnoty vlivem toho, že část plynného paliva ve formě vodíku je spalována na vodní páru.