Emise CO₂ a jejich dopad na hodnocení zdrojů v budovách

Úvod

Začátkem světové industrializace v 19. stol. započalo znatelné znečišťování atmosféry, které bylo v minulém století zařazeno do popředí řešení globálních problémů. Zvyšování koncentrace plynů způsobujících skleníkový jev vede ke snižování radiační schopnosti zemského povrchu a k tzv. globálnímu oteplování. Termín globální oteplování zahrnuje obecně změnu klimatu, provázenou klimatickými extrémy a je v současnosti jedním z nejvíce řešených témat v celosvětovém měřítku. V současnosti se problematika ohledně znečištění atmosféry dostává nejen do podvědomí laiků, ale také do oblasti projektování budov.

Jedním z nejznámějších a nejvýznamnějších skleníkových plynů je oxid uhličitý (CO₂), který vzniká jednak přírodními procesy, nicméně v posledním století k jeho vzniku významně přispívá spalování uhlíkatých paliv, zejména pak fosilních paliv. Tento text je zaměřen na emise CO₂ související s energetickými přeměnami pro dodávku energie do budov. S tím souvisí i hodnocení provozu budov podle emisí CO₂. Strategie Evropa 2020 [1] zavádí jako jeden z pilířů cíl snížení emisí skleníkových plynů v Evropě o 20 % oproti úrovním roku 1990. Podle energetického plánu do roku 2050 [2], se EU zavázala do roku 2050 snížit emise skleníkových plynů o 80 % oproti úrovni z roku 1990.

Emise CO₂

Emise oxidu uhličitého vznikající spalováním (oxidací) uhlíkatých paliv při energetických přeměnách v elektrárnách, teplárnách, výtopnách či samotných lokálních zdrojích tepla jsou v současnosti nežádoucím vedlejším produktem i provozu budov. Mezi největší světové znečišťovatele patří Čína a USA (viz Obr. 1). Rozdíly v produkci emisí CO₂ jsou způsobeny zejména rozdílnou populací, ale také například rozdílným způsobem vedení průmyslu. Porovnání produkce CO₂ v Evropě je znázorněno na Obr. 3. Česká republika se dle [3] v roce 2015 umístila na 42. pořadí v absolutním žebříčku největších znečišťovatelů planety emisemi CO₂. Vztažení produkce emisí CO₂ na osobu (Obr. 2, Obr. 4) tento žebříček znečišťovatelů mění. Čína se například v tomto relativním žebříčku posunula na 43. místo. Pro zajímavost je uvedena největší relativní produkce emisí CO₂ pro stát Katar. Uvedené hodnoty jsou pro rok 2015.

Obr. 1. Absolutní podíl ročních emisí CO₂ ve světě (pro rok 2015) [3]

Obr. 2. Relativní podíl ročních emisí CO₂ ve světě vztažený na osobu (pro rok 2015) [3]

Obr. 3. Absolutní podíl ročních emisí CO₂ v Evropě (pro rok 2015) [3]

Obr. 4. Relativní podíl ročních emisí CO₂ v Evropě vztažený na osobu (pro rok 2015) [3]

Emisní faktory CO₂

Emisní faktory uhlíku uvádí množství uhlíku, respektive oxidu uhličitého připadajícího na jednotku energie ve spalovaném palivu (např. t CO₂/MWh). Udávají se hodnoty typické pro danou skupinu emisních zdrojů a slouží k výpočtu množství emisí CO₂. Definici a hodnoty emisních faktorů CO₂ pro podmínky ČR (viz Tab. 1) udává vyhláška č. 309/2016 Sb., kterou se mění vyhláška č. 480/2012 Sb. o energetickém auditu a energetickém posudku [4]. Je nutné zdůraznit, že se jedná o hodnoty emisních faktorů, které se vztahují k energii přivedené v palivu (příkon), nikoli o hodnoty vztažené k produkci energie (výkon). Z toho důvodu jsou hodnoty uvedené v Tab. 1 bez zahrnutí účinnosti energetické přeměny, tedy bez zahrnutí účinnosti spalováním. Ve skutečnosti jsou tyto hodnoty emisních faktorů navýšené právě o nedokonalé spalování paliva. Hodnoty emisních faktorů pro znečišťující látky jako TZL včetně PM₁₀ a PM_2,5, SO₂, NO_X, NH₃, VOC, stanovuje Ministerstvo životního prostředí ve svém Věstníku [5].

Z Tab. 1 vyplývá podle vyhlášky [4] velmi vysoká hodnota pro elektrickou energii 1,01 t CO₂/MWh_e. Energetický mix ČR pro rok 2016 (viz Obr. 5) v oblasti výroby elektrické energie ukazuje největší zastoupení elektráren spalující fosilní paliva (59,53 %), dále jaderných elektráren (30,36 %) a elektráren využívající obnovitelné zdroje energie (10,11 %). Nicméně ze zjednodušené bilance při uvažování celkem 40% podílu bezemisních zdrojů (OZE a jaderná energie) a účinnosti hnědouhelných elektráren 35 % by emisní faktor měl být spíše na úrovni 0,6 t CO₂/MWh_e. Takové hodnotě odpovídá i statistika Mezinárodní energetické agentury [8], která udává emisní faktor na úrovni 0,52 t CO₂/MWh_e. Mezinárodní porovnání emisních faktorů CO₂ pro elektrickou energii je znázorněno na Obr. 6.

Navzdory 40% podílu bezemisních zdrojů v energetickém mixu ČR je emisní faktor CO₂ spíše z těch vyšších v Evropě, na rozdíl od států, které vyrábí elektrickou energii převážně z obnovitelných či jaderných (téměř bezemisních) zdrojů. Například Norsko, které vyrábí elektrickou energii téměř pouze pomocí vodních elektráren či Francie, která má značné zastoupení jaderných elektráren. Polská výroba elektrické energie je založena na uhelných elektrárnách, což má za následek jeden z nejvyšších emisních faktorů v Evropě. Řecká výroba elektřiny je založena na fosilních palivech, a to zejména na plynu a uhlí. Švédská výroba elektrické energie je založena na vodních, jaderných a větrných elektrárnách. Švýcarsko vyrábí elektřinu jadernými a vodními elektrárnami. Přehledné znázornění „živé“ emisní mapy světa, včetně jednotlivých aktuálních energetických mixů lze vidět na [10].

Obr. 5. Energetický mix ČR pro výrobu elektrické energie (r. 2016) [7]

Obr. 6. Mezinárodní srovnání (vypočtených) emisních faktorů CO₂ pro elektrickou energii z roku 2015 [8, 9]

Vysvětlení rozporu mezi emisním faktorem pro elektrickou energii udávaným Mezinárodní energetickou agenturou a uvedenou vyhláškou je, že se vlastně hodnotí dvě rozdílné věci. Statistika Mezinárodní energetické agentury je obecná statistika výroby elektrické energie bez ohledu na její použití. Vyhláška pro energetický audit zohledňuje, k jakému použití elektrická energie slouží. Tomuto tématu se mj. věnovala diskuze k článku prof. Petráka [6]. Bezemisní jaderné elektrárny kryjí základní zatížení elektrické sítě v ČR. Protože výkon jaderných elektráren v ČR je těžce regulovatelný (v řádu týdnů), zásobují trvalé a neměnné spotřeby elektrické energie, jako například pro trakce (vlaky, metro, tramvaje) a průmysl. Spotřeba elektrické energie na provoz budov (vytápění, chlazení, apod.) je proměnná, a tak navýšení spotřeby či špičkové výkony pokrývají především uhelné elektrárny. Vysoký emisní faktor pro ČR vychází tedy z faktu, že při hodnocení zdrojů v budovách je značná část elektrické energie vyráběna pouze hnědouhelnými elektrárnami. Naopak při přebytku elektrické energie, v případě slunného a teplého dne, kdy fotovoltaické elektrárny začnou dodávat elektrickou energii do sítě a uhelné elektrárny sníží svůj výkon, tak jaderné elektrárny svůj výkon takřka zachovávají a jejich produkce elektrické energie se vyváží do zahraničí. ČR je mimochodem jedním z největších vývozců elektřiny v Evropě.

Emisní faktory pro energii přivedenou v palivu pro jiné energonositele než elektrickou energii jsou z globálního hlediska v podstatě pro celou Evropu stejné [11]. Například dokonalým spálením hnědého uhlí, tj. bez zahrnutí účinnosti energetické přeměny, se vyprodukuje téměř stejné množství CO₂ jak v ČR, tak i například v Polsku či Německu. Podobně je tomu u zemního plynu, biomasy, topných olejů apod. Z lokálního hlediska by tyto faktory byly mírně odlišné, a to zejména z důvodu různé účinnosti energetické přeměny (zahrnutí účinnosti spalování), z odlišného složení jednotlivých paliv, či způsobu spalování. Spalováním biomasy se podle vyhlášky [4] nevyprodukuje žádné množství emisí CO₂. Je to smluvní hodnota, neboť z pohledu krátkodobého uhlíkového cyklu je biomasa neutrální. Během svého růstu biomasa naváže zhruba stejné množství uhlíku, jako později při spalování uvolní. Ve skutečnosti má samotné spalování biomasy emisní faktor CO₂ na úrovni uhlí, resp. 0,22 až 0,36 t/MWh v závislosti na druhu a vlastnostech biomasy [12].

Příklad rodinného domu

Pro ukázku náročnosti zdrojů tepla na produkci CO₂ je na Obr. 7 uveden příklad vytápění rodinného domu s potřebou tepla 10 MWh/rok. Výpočet byl proveden pro případ užití emisního faktoru CO₂ pro ČR dle aktuální vyhlášky 480/2012 Sb. [4]. Pro každý zdroj tepla byla uvažována provozní účinnost podle platné TNI 730331 [13], kterou se řídí energetičtí specialisté při energetickém hodnocení budov (PENB).

Na Obr. 7 je patrná logicky vysoká související produkce emisí CO₂ při použití elektrokotle a naopak nejnižší při užití kotle na biomasu vzhledem ke globálnímu hodnocení. Vzhledem k vysokému emisnímu faktoru CO₂ pro elektrickou energii lze konstatovat, že elektřina je z globálního pohledu ekologicky výrazně nejhorší energonositel pro použití v budovách, přestože lokálně se jedná vlastně o bezemisní zdroj (bez místní produkce škodlivin). Lokálně bezemisním zdrojem může být tedy i dálkové teplo přivedené například z uhelné elektrárny.

Obr. 7. Srovnání roční produkce CO₂ při vytápění domu různými zdroji tepla v ČR při uvažování standardních emisních faktorů daných vyhláškou. V závorce je u každého zdroje tepla uvedena jeho provozní účinnost. [4]

Závěr

Emisní faktory CO₂ jsou pro jednotlivé energonositele různé. Pro jednotlivé státy Evropské Unie se tyto emisní faktory liší především pro elektrickou energii, což je způsobeno její vnitrostátní výrobou, resp. energetickým mixem, případně druhem statistiky. ČR z pohledu obecné výroby elektrické energie patří mezi země s vysokým emisním faktorem CO₂. V případě hodnocení budov je emisní faktor dvojnásobně vyšší, což je dáno podílem spotřeby elektrické energie z hnědouhelných elektráren právě v budovách. Na jednoduchém příkladu vytápění rodinného domu bylo ukázáno, jak volba zdroje tepla ovlivňuje produkci emisí CO₂.

Poděkování

Tento článek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 a za finanční podpory MŠMT v rámci specifického vysokoškolského výzkumu v programu SGS č. SGS16/212/OHK2/3T/12.

Reference

1. Europe 2020: a European Strategy for Smart, Sustainable and Inclusive Growth. Evropská komise. Brusel 2010.
2. Energetický plán do roku 2050. Evropská komise. Brusel 2011.
3. Global Carbon Atlas (2015) [online]. 2016. Dostupné z: http://www.globalcarbonatlas.org/en/CO2-emissions
4. Vyhláška č. 480/2012 Sb., o energetickém auditu, ve znění pozdějších předpisů. Ministerstvo průmyslu a obchodu. Praha 2012.
5. Věstník Ministerstva životního prostředí. Ministerstvo životního prostředí. Praha 2013.
6. PETRÁK, Jiří. Environmentální hodnocení spotřeby elektrické energie. TZB-info [online]. 2007. Dostupné z:
   https://www.tzb-info.cz/4370-environmentalni-hodnoceni-spotreby-elektricke-energie
7. Národní energetický mix [online]. OTE A.S. 2017. Dostupné z:
   http://www.ote-cr.cz/statistika/narodni-energeticky-mix/narodni-energeticky-mix
8. INTERNATIONAL ENERGY AGENCY. IEA. France [online]. 2017. Dostupné z: http://www.iea.org/
9. Emission factors [online]. ECOMETRICA. 2014. Dostupné z: https://emissionfactors.com/
10. Electricity Map [online]. TOMORROW. 2017. Dostupné z: https://www.electricitymap.org/
11. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories. IPCC (2006). 2006.
12. REN, Xiaohan, Rui SUN, Xiaoxiao MENG, Nikita VOROBIEV, Martin SCHIEMANN a Yiannis A. LEVENDIS. Carbon, sulfur and nitrogen oxide emissions from combustion of pulverized raw and torrefied biomass. Fuel.
13. TNI 73 0331: Energetická náročnost budov – Typické hodnoty pro výpočet. ÚNMZ. Praha 2013.