Reklama

Úspory energie v českých budovách a emise skleníkových plynů

Ing. Antonín Lupíšek, Ph.D., ČVUT v Praze, pracoviště UCEEB

Recenzovaný

Příspěvek prezentuje výsledky studie potenciálu snížení emisí CO₂ českého fondu budov v období do roku 2075. Model byl založen na datech aliance Šance pro budovy, která modelovala pět různých scénářů úspor energie v budovách ČR podle hloubky energetických sanací a rychlosti aplikace úsporných opatření. Výsledky byly porovnány s uhlíkovým rozpočtem nastaveným tak, aby byly dodrženy závazky mezinárodní Pařížské klimatické dohody.

Reklama

1. Úvod

Výsledky studie ukazují, že roční produkce CO₂ související s provozem českého fondu budov činila v roce 2016 celkem 44,57 Mt CO₂, což reprezentovalo přibližně 43 % celkových emisí CO₂ České republiky. Podle nejprogresivnějšího scénáře úspor energií je tuto roční hodnotu možno snížit do roku 2075 na 15,29 Mt CO₂, tedy o 66 %. Jedná se tedy o potenciálně značný příspěvek ke klimatickým cílům, avšak ani v nejpřísnějším z modelovaných scénářů rekonstrukcí by se při současných technologiích a emisních faktorech a za pomalé změny rozložení energetických zdrojů nepodařilo emise oxidu uhličitého českého bytového fondu dodat do souladu s globálními klimatickými cíli (při alokaci uhlíkového rozpočtu jednotlivým státům rovným dílem podle počtu obyvatel). Má-li se tedy ve fondu budov dosáhnout emisního cíle alespoň pro 2 °C, bude potřeba zavést ještě razantnější úsporná opatření a zároveň rychle výrazně změnit skladbu zdrojů energie v budovách i v energetické soustavě směrem ve prospěch těch nízkoemisních.

1.1. Změna klimatu

Změna klimatu je jednou z hlavních výzev dnešní doby. Předpokládá se, že bude mít závažné dopady na ekosystémy a v konečném důsledku i na život lidí [1]. Většina vědecké komunity dospěla k závěru, že nástup klimatické změny silně souvisí s lidmi způsobenými emisemi skleníkových plynů [2], a je tedy v moci lidstva tento trend zvrátit. Mezinárodní společenství se snaží najít cesty k výraznému snížení produkce skleníkových plynů [3–5], aby se včas předešlo překročení kapacity důležitých ekosystémů po dosažení jejich únosné kapacity [6–8]. Poslední vědecké studie navrhují poměrně zásadní opatření ve všech sektorech průmyslu [9].

1.2. Budovy a produkce skleníkových plynů

Výrazným přispěvatelem k emisím skleníkových plynů jsou budovy, které v celé EU spotřebují 40 % energie a vyprodukují 36 % CO₂ [10]. Dobrou zprávou naopak je, že budovy mají v porovnání s ostatními oblastmi lidské činnosti nejvyšší potenciál k úsporám za přijatelných nákladů [11]. Různé státy EU se proto intenzivně zabývají otázkou, jak dosáhnout klimaticky neutrálního národního fondu budov (např. [12]).

1.3. Cíl studie

Cílem zde prezentovaného výzkumu bylo využití dostupných dat o potenciálu energetických úspor v budovách k hrubému odhadu z nich plynoucích úspor emisí skleníkových plynů v ČR a posouzení, zda jsou tyto úspory schopny v budoucnu zajistit úspory, které by zajistily soulad s Pařížskou klimatickou dohodou, respektive jejím klimatickým cílem 2 °C.

2. Metody

Metody zahrnovaly:

Výběr vhodného indikátoru pro vyčíslení emisí skleníkových plynů;
Zpracování přehledu dostupných scénářů energetických úspor v budovách na základě studií provedených Šancí pro budovy;
Zpracování kumulativních dat o úsporách energie mezi lety 2016 a 2075;
Sestavní scénářů budoucích proporcí energetických zdrojů na budoucí spotřebě energie v budovách
Sumarizaci emisních faktorů pro jednotlivé zdroje
Výpočet úspor emisí pro vybraná časová období;
Vyjádření úspor v poměru k národním emisím CO₂ a ve vztahu k uhlíkovému rozpočtu.

2.1. Volba indikátoru

Jednou z motivací pro provedený výzkum bylo zjistit, zda potenciální úspory skleníkových plynů reagují na globální emisní cíle. V Pařížské klimatické dohodě většina národů deklarovala, že se udrží nárůst průměrné povrchové teploty Země pod 2 °C nad teplotami panujícími před průmyslovou revolucí a budou se snažit tuto tento nárůst udržet dokonce pod 1,5 °C [4]. Tyto cíle byly pomocí klimatických modelů přepočteny na limity, které byly popsány v [8] pomocí dvou různých indikátorů. Prvním z nich bylo množství ročně vypuštěných ekvivalentních emisí CO₂, druhým byl tzv. uhlíkový rozpočet, který určuje kumulativní množství emisí CO₂, které ještě může být „bezpečně“ vypuštěno, než narazíme na stanovené teplotní limity. Vzhledem k tomu, že česká energetická praxe používá např. v energetických auditech indikátor emisí CO₂, byl tento zvolen i pro tuto práci.

2.2. Scénáře úspor energie v budovách

Scénáře a výpočty úspor energie v budovách pocházely z dat poskytnutých aliancí Šance pro budovy. Způsob stanovení těchto scénářů a hodnot byly podrobně popsány v reportech [13–15].

Energetické simulace fondu rezidenčních budov byly založeny na stochastickém modelu, který vyčísloval potřebu energie na vytápění souboru 1 000 budov, které byly na základě dostupných statistik o bytovém fondu rozděleny do 78 kategorií podle typologie, velikosti a stáří. Model byl zkalibrován podle dostupných statistických dat o konečné spotřebě energie v budovách. Na základě různých pramenů byl odhadnut 35% podíl budov, které jsou nové, nebo již prošly rekonstrukcí na současné tepelnětechnické požadavky. Pro zbývajících 65 % budov byly provedeny simulace energetických sanací obálky budovy a zdroje tepla na vytápění. Separátně byly provedeny výpočty potenciálu úspor na přípravě teplé vody a na osvětlení budov [13].

Energetické modelování stávajícího fondu nerezidenčních budov bylo založeno na vzorku sta nerezidenčních budov s podrobnými energetickými simulacemi a dodatečném vzorku dvaceti budov, kde byla kromě modelů dostupná i data o reálných spotřebách energie. Studie zahrnovala různé typy budov – kancelářské budovy, administrativní budovy, komerční stavby, školské stavby, kulturní zařízení, hotely, restaurace, zdravotní střediska, sportovní stavby, skladové haly a stavby se smíšeným užíváním. Simulované spotřeby energie byly z tohoto vzorku na základě statistických dat o českém fondu budov extrapolovány na celý fond nerezidenčních budov. Pro budovy, které byly statisticky v nižším než současném energetickém standardu, byla simulována různá opatření od pouhého zlepšení vlastností obálek budov po komplexní zásahy zahrnující instalaci strojního větrání s rekuperací a výměnou zdroje tepla a využitím obnovitelných zdrojů energie.

Různé kombinace kvality opatření a jejich nasazení v čase byly zkombinovány do pěti technických scénářů rekonstrukcí fondu budov:

Základní scénář (business as usual – žádné výrazné zásahy státu, mělká nebo střední energetická sanace 1 % fondu budov každý rok od roku 2025);
Rychlé, ale mělké rekonstrukce (3 % fondu budov ročně od roku 2025);
Pomalé, ale hluboké rekonstrukce (1,5 % fondu budov ročně, od roku 2025);
Rychlé a hluboké rekonstrukce (3 % fondu budov ročně od roku 2025);
Okamžité hluboké rekonstrukce (3 % fondu budov ročně od roku 2016).

Mělká energetická sanace odpovídala zlepšení tepelněizolační obálky budovy na hodnoty požadované normou, střední sanace na hodnoty doporučené pro nízkoenergetické domy. Hluboká sanace představuje rekonstrukce na úroveň požadavků pro pasivní domy – tedy zlepšení obálky budovy a instalace mechanického větrání s rekuperací.

Kromě těchto technických scénářů byly uvažovány ještě různé scénáře vývoje budoucích klimatických podmínek. Vycházelo se z modelů Mezinárodního panelu pro změnu klimatu, který vypracoval tzv. reprezentativní směry vývoje koncentrací (Representative Concentration Pathways, RCP [16]). Pro všech pět technických scénářů byly vytvořeny dvojí výpočty, jedny pro RCP 4.5 a jedny pro RCP 8.5. Tyto rozdíly vedly k různým potřebám energie na vytápění a na chlazení a různému uvažovanému nasazení vnějšího stínění a chlazení v budovách [17].

Výsledné datasety poskytnuté Šancí pro budovy obsahovaly pro rezidenční a nerezidenční budovy v deseti variantách vyčíslení konečné spotřeby energie po jednotlivých zdrojích a letech pro období mezi 2016 a 2100.

2.3. Scénáře podílu energetických zdrojů v budovách

Ve spolupráci s týmem Šance pro budovy byly sestaveny scénáře postupné změny podílů zdrojů na výrobu energie v budovách. Pro zjednodušení byly použity statistiky podílů zdrojů z roku 2016 a potom byly ve spolupráci týmu Šance pro budovy a týmu ČVUT-UCEEB odhadnuty podíly zdrojů pro rezidenční a nerezidenční budovy v roce 2060. Snaha byla být „na straně bezpečnosti“, odhady tedy jsou spíše konzervativní. Mezi rokem a 2016 a rokem 2060 byly podíly interpolovány [18].

2.4. Uhlíkový rozpočet a současné emise skleníkových plynů ČR

Emissions Gap Report z roku 2016 [8] uvádí maximální kumulativní množství CO₂, která mohou být celosvětově vypuštěna do ovzduší a emisní cíl 2 °C byl dodržen alespoň s pravděpodobností vyšší než 66 %. Pro období 2015–2030 uvádí 533 Gt CO₂, pro 2031–2050 362 Gt CO₂ a pro 2051–2075 pouze 70 Gt CO₂. Když tato množství přepočteme poměrně podle počtu obyvatel, vyjdou nám pro ČR pro tato období limity 762, 517 a 100 Mt CO₂.

Celkové emise CO₂ ČR činily v roce 2015 podle dostupné statistiky 103,77 Mt CO₂ [19].

3. Výsledky a diskuse

3.1. Vypočtené emise CO₂ českých budov v období 2016–2075

Scénář pro klimatické podmínky RCP 8.5 poskytuje mírně vyšší úspory než scénář RCP 4.5. Například pro rok 2030 se u RCP 4.5 hodnoty pro scénáře pohybují v rozmezí 29,05–41,98 Mt CO₂, u RCP 8.5 je rozmezí 28,89–41,82 Mt CO₂.

Vypočtený průběh emisí CO₂ pro jednotlivé scénáře a RCP 8.5 je zobrazen na Obr. 1. Podrobná modelovaná data pro jednotlivé roky jsou dostupná v reportu [18].

Obr. 1. Modelované kumulativní emise z fondu budov ČR ve variantě RCP 8.5 pro jednotlivé technické scénáře [Mt CO₂]

Vypočtené emise CO₂ z provozu českých budov činily 44,57 Mt, což odpovídalo zhruba 43 % celkových emisí oxidu uhličitého v ČR (v porovnání s rokem 2015). V nejvíce optimistickém scénáři 5 pro okrajové podmínky RCP 8.5 se ukázal potenciál ke snížení hodnot na 17,9 Mt CO₂ v roce 2050 a dále na 15,29 Mt CO₂ v roce 2075. Rezidenční sektor v roce 2016 podle výpočtů vyprodukoval 23,28 Mt CO₂ (22% podíl na emisích CO₂ v ČR) a nerezidenční sektor byl zodpovědný za 21,29 Mt CO₂ (21% podíl na emisích CO₂ v ČR, vztaženo k datům za 2015).

3.2. Vyhodnocení výsledků s ohledem na Emissions Gap Report

Na základě uhlíkového rozpočtu připadajícího na ČR (kap. 2.4.) byly vypočteny limity pro budovy. Jako východisko byl vzat vypočtený podíl budov na celkových emisích CO₂ v roce 2016, který činil 43 %, a tímto poměrem byly přenásobeny celkové emisní limity ČR. Výsledkem byly hodnoty pro období 2015–2030, 2031–2050 a 2051–2075, které činily 328, 223 a 43 Mt CO₂. Navzdory tomu, že i navržené scénáře úspor číslo 5, které byly na dnešní situaci poměrně radikální, by emisní limity pro rok 2050 překročily téměř dvojnásobně a pro rok 2075 více než devítinásobně – kumulativní hodnoty emisí scénáře 5 pro okrajové RCP 8.5 činily 597, 431 a 400 Mt CO₂.

3.3. Diskuse

Představená studie je zatím pouze hrubým výpočtem s řadou omezení a zjednodušení. Hlavní zdroje nejistot výsledků jsou:

Vstupní data o potenciálu úspor energie v budovách;
Nejistoty ohledně budoucího vývoje technologií energetických zdrojů;
Nejistoty a zjednodušení ve stanovení budoucích podílů zdrojů na výrobě energie v budovách;
Použití současných emisních faktorů i pro budoucí provoz budov a zejména nejistoty ohledně budoucích emisních faktorů elektřiny ze sítě.

Zpřesňování výpočtu bude pokračovat v případě dostupného financování pro tyto aktivity.

4. Závěr

Byly provedeny propočty potenciálu pro snížení množství emisí CO₂ na provoz budov mezi roky 2016 a 2075 v pěti základních scénářích a ve dvou variantách budoucího vývoje klimatických podmínek, které vycházely z modelů Šance pro budovy. Výsledky studie ukazují, že roční produkce CO₂ související s provozem českého fondu budov činila v roce 2016 celkem 44,57 Mt CO₂, což reprezentovalo přibližně 43 % celkových emisí CO₂ České republiky (v porovnání s daty pro rok 2015). Rezidenční sektor v roce 2016 podle výpočtů vyprodukoval 23,28 Mt CO₂ (22% podíl na emisích CO₂ v ČR) a nerezidenční sektor byl zodpovědný za 21,29 Mt CO₂ (21% podíl na emisích CO₂ v ČR, vztaženo k datům za 2015).

Podle nejprogresivnějšího scénáře úspor energií je tuto roční hodnotu možno snížit do roku 2075 na 15,29 Mt CO₂, tedy o 66 %. Pro srovnání – tato roční úspora zároveň odpovídá 28 % celkových národních emisí ČR v roce 2015. Jinými slovy, pomocí úsporných opatřeních v budovách a jejich energetických sanací na úroveň pasivního domu lze ušetřit více než čtvrtinu národních emisí oxidu uhličitého.

Jedná se tedy o potenciálně značný příspěvek ke klimatickým cílům, nicméně v porovnání s emisními cíli Pařížské klimatické dohody by bylo potřeba snížit emise CO₂ výrazně více.

Na druhou stranu, má-li se ČR podílet rovným dílem (přepočteným podle počtu obyvatel) na splnění emisních cílů Pařížské klimatické dohody, pak ani tyto úspory nebudou stačit. V nejpříznivějším posuzovaném scénáři kumulativní emise oxidu uhličitého v období 2015–2030 dosahovaly pouze 597 Mt CO₂ (okamžité hluboké renovace, RCP 8.5). Ale pro klimatický cíl 2 °C by bylo potřeba se dostat pod 228 Mt (oněch 597 Mt CO₂ by tvořilo 78 % z celkových 762 Mt CO₂ uhlíkového rozpočtu pro všechny sektory ČR pro dané období).

To znamená, že ani v tom nejpřísnějším z navrhovaných scénářů rekonstrukcí by se při současných technologiích a za pomalé změny rozložení energetických zdrojů nepodařilo emise oxidu uhličitého českého bytového fondu dodat do souladu s globálními klimatickými cíli (při alokaci uhlíkového rozpočtu jednotlivým státům rovným dílem podle počtu obyvatel).

Má-li se tedy dosáhnout emisního cíle 2 °C, bude potřeba zavést ještě razantnější úsporná opatření a zároveň rychle výrazně změnit skladbu zdrojů energie směrem k těm nízkoemisním.

Poděkování

Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605.

Výzkum bylo možné uskutečnit díky datům poskytnutým Šancí pro budovy, která provedla výpočty v rámci projektu Národní strategie adaptace budov na změnu klimatu, který byl podpořen z EEA Grantu. Poděkování patří Petrovi Holubovi a Tomášovi Trubačíkovi za konzultace postupu výpočtu a stanovení okrajových podmínek a Janu Antonínovi za poskytnutí informací o způsobu výpočtů a nastavení modelů.

Tento příspěvek je rozšířenou formou příspěvku Lupíšek, A.: Úspory energie v českých budovách a emise skleníkových plynů, který byl publikován ve sborníku příspěvků 42. Setkání ústavů a kateder pozemního stavitelství a kateder konstrukcí pozemních staveb České a Slovenské republiky, ed. Ostrý, M. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav pozemního stavitelství, 2018, ISBN 978-80-214-5715-7. Oproti původní verzi byly aktualizovány národní hodnoty emisí CO₂ a s nimi související přepočty. Byl rozšířen úvod a byly doplněny podrobnější závěry.

Literatura

IPCC A Contribution of Working Group II to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change; Field, C. B., Barros, V. R., Dokken, D. J., Mach, K. J., Mastrandrea, M. D., Bilir, T. E., Chatterjee, M., Ebi, K. L., Estrada, Y. O., Genova, R. C., Girma, B., Kissel, E. S., Levy, A. N., MacCracken, S., Mastrandrea, P. R., White, L. L., T. E. Bilir, M. Chatterjee, K. L. Ebi, Y. O. Estrada, R. C. Genova, B. Girma, E. S. Kissel, A. N. Levy, S. MacCracken, P. R. Mastrandrea, and L. L. W. Eds.; World Meteorological Organization: Geneva, 2014; ISBN 9789291691418.
IPCC; Stocker, T. F.; Qin, D.; Plattner, G.-K.; Tignor, M. M. B.; Allen, S. K.; Boschung, J.; Nauels, A.; Xia, Y.; Bex, V.; Midgley, P. M. Climate Change 2013 – The Physical Science Basis; 2013; ISBN 978-92-9169-138-8.
UNFCCC Report of the Conference of the Parties on its third session, held at Kyoto from 1 to 11 December 1997; 1998; ISBN Distr. General: FCCC/CP/1997/7/Add.1.
United Nations Paris Agreement; UNFCCC, 2015.
The Paris Agreement and Beyond: International Climate Change Policy Post-2020; Stavins, R. N., Stove, R. C., Eds.; Mass.: Harvard Project on Climate Agreements: Cambridge, 2016; ISBN 9788578110796.
Seidl, I.; Tisdell, C. A. Carrying capacity reconsidered: from Malthus’ population theory to cultural carrying capacity. Ecol. Econ. 1999, 31, 395–408.
Bjørn, A.; Hauschild, M. Z. Introducing carrying capacity-based normalisation in LCA: framework and development of references at midpoint level. Int. J. Life Cycle Assess. 2015, 20, 1005–1018, doi:10.1007/s11367-015-0899-2.
UNEP The Emissions Gap Report 2016; 2016; ISBN 978-92-807-3617-5.
Rogelj, J.; Popp, A.; Calvin, K. V; Luderer, G.; Emmerling, J.; Gernaat, D.; Fujimori, S.; Strefler, J.; Hasegawa, T.; Marangoni, G.; Krey, V.; Kriegler, E.; Riahi, K.; van Vuuren, D. P.; Doelman, J.; Drouet, L.; Edmonds, J.; Fricko, O.; Harmsen, M.; Havlík, P.; Humpenöder, F.; Stehfest, E.; Tavoni, M. Scenarios towards limiting global mean temperature increase below 1.5 °C. Nat. Clim. Chang. 2018, 8, 325–332, doi:10.1038/s41558-018-0091-3.
European Commission Buildings. Dostupné z: https://ec.europa.eu/energy/en/topics/energy-efficiency/energy-performance-of-buildings
United Nations Buildings and Climate Change: Summary for Decision Makers; 2009.
Bürger, V.; Hesse, T.; Quack, D.; Palzer, A.; Köhler, B.; Herkel, S.; Engelmann, P. Klimaneutraler Gebäudebestand 2050; 2016.
Antonín, J. Průzkum fondu rezidenčních budov v České republice a možností úspor v nich, aktualizovaná verze prosinec 2016; 2016.
Antonín, J. Průzkum fondu nerezidenčních budov v České republice a možností úspor v nich, aktualizovaná verze prosinec 2016; 2016.
Šance pro budovy Strategie renovace budov – aktualizace prosinec 2016, doplněná o strategii adaptace budov na změnu klimatu. 2016.
Moss, R.; Babiker, M.; Brinkman, S.; Calvo, E.; Carter, T.; Edmonds, J.; Elgizouli, I.; Emori, S.; Erda, L.; Hibbard, K.; Jones, R.; Kainuma, M.; Kelleher, J.; Lamarque, J. F.; Manning, M.; Matthews, B.; Meehl, J.; Meyer, L.; Mitchell, J.; Nakicenovic, N.; O’Neill, B.; Pichs, R.; Riahi, K.; Rose, S.; Runci, P.; Stouffer, R.; Vuuren, D. van; Weyant, J.; Wilbanks, T.; Ypersele, J. P. van; Zurek, M. Towards New Scenarios for Analysis of Emissions, Climate Change, Impacts and Response Strategies; 2008; ISBN 9789291691241.
Trubačík, T. Model renovace a adaptace budov, 2016.
Lupíšek, A. Potenciál úspor emisí skleníkových plynů ČR pomocí rekonstrukcí budov, 2016.
Krtková, E., Ondrušová, B. a Roman, S. National Greenhouse Gas Inventory Report of the Czech Republic (reported inventories 1990–2015), ČHMÚ 2017, Praha.

English Synopsis

GHG Emissions of the Czech Building Stock and Potential for their Reduction through Energy Savings

The paper presents results of a study on potential reduction of CO₂ emissions of the Czech national building stock until 2075. The calculations were based on datasets provided by Chance for Buildings that modeled five different scenarios of energy savings in the Czech building stock that varied by the depth of the energy retrofitting measures and by the pace of their application. The results were compared to the carbon budget that was set in line with the objectives of the Paris agreement.