Ekonomika solárních tepelných soustav I

Motivace pro instalaci solárních soustav mohou být různé: od čistě svědomitého ekologického přístupu ve snaze snížit spotřebu primární energie svázané s produkcí emisí znečišťujících látek přes marketingový trend obrazu zodpovědného investora či obyvatele až po striktně ekonomický pohled. Právě ekonomické parametry solárních soustav jsou předmětem řady více či méně čísly podložených diskuzí a výsledky ekonomických analýz výrazně závisí na kvalitě vstupních údajů, často účelně zkreslených buď do kladných či záporných oblastí.

Pro vlastní ekonomické zhodnocení solárních soustav je nutné znát řadu parametrů, které mohou ekonomickou výhodnost instalace solární soustavy významně ovlivnit:

• investiční náklady solární soustavy;
• provozní náklady;
• energetické zisky solární soustavy;
• úspora energie instalací solární soustavy;
• diskontní sazba (míra ceny investovaného kapitálu);
• místní cena energie a její předpokládaný růst.

On-line pomůcka Návratnost solární tepelné soustavy

Investiční náklady

Do investičních nákladů na instalaci solární soustavy je nutné započítat všechny výdaje spojené s instalací solární soustavy, od ceny studie, projektu, materiálu, dopravy a montáže po nezbytné stavební úpravy, které instalace solární soustavy vyvolá. Právě stavební úpravy (kotvení nosných konstrukcí k plášti budovy, zajištění hydroizolací, úpravy pro strojovnu, apod.) mohou investici do solární soustavy, především u bytových domů, významně prodražit a jsou místně specifické, obtížně postižitelné obecně statisticky.

Investiční náklady na instalaci solární soustavy jsou silně závislé na instalované ploše (apertury) a typu solárních kolektorů. Cena prvků solárních soustav souvisí s velikostí instalované plochy solárních kolektorů:

• objem solárního zásobníku tepla se odvíjí od potřeby tepla, na kterou je navržena plocha kolektorů;
• výměník tepla přenáší tepelný výkon kolektorů, daný jejich plochou;
• světlost potrubí je dána průtokem kolektory na základě celkového výkonu (plochy) kolektorů;
• tloušťka tepelné izolace potrubí je dána světlostí potrubí;
• oběhové čerpadlo je určeno na základě průtoku a tlakové ztráty související se světlostí potrubí;
• objem expanzní nádoby primárního okruhu se odvíjí se od objemu potrubí a instalovaných kolektorů.

Zároveň obecně platí, že čím větší je solární soustava, tím nižší jsou měrné investiční náklady na solární soustavu vztažené na 1 m² instalované plochy solárního kolektoru a tím více celkové náklady závisí na ceně solárního kolektoru. Na obr. 1 je uvedeno typické rozdělení nákladů na solární soustavu pro různě velké soustavy s plochými solárními kolektory. Zatímco u malých soustav pro rodinné domy tvoří kolektory 30 až 40 % ceny instalace a měrné náklady se pohybují 25 až 30 tisíc Kč/m², u větších solárních soustav nad 50 m² je podíl kolektorů téměř 50 % a náklady mohou klesnout až na cca 15 až 20 tisíc Kč/m². V případě trubkových vakuových solárních kolektorů lze očekávat náklady na solární soustavu o 25 až 50 % vyšší při stejné ploše kolektorů.

Obr. 1 - Rozdělení investičních nákladů na solární soustavu

Cena solárních kolektorů vztažená na m² apertury velmi ovlivňuje celkovou cenu investice. Ploché solární kolektory v průměru vykazují nižší měrnou cenu (poloviční až třetinová) oproti trubkovým vakuovým kolektorům s plochým, resp. válcovým absorbérem (Sydney) bez reflektoru nebo s reflektorem. Na obr. 2 jsou uvedeny měrné ceny (bez DPH) různých typů solárních kolektorů vztažené k ploše apertury.

Obr. 2 - Cena solárních kolektorů různých konstrukčních typů (bez DPH) vztažená k 1 m² apertury

Další významnou položkou v nákladech jsou solární zásobníky a jejich příslušenství (izolace, expanze, jímky, čidla). Cena zásobníků se liší podle účelu použití (zásobníky teplé vody, zásobníky otopné vody), vnitřní povrchové úpravy (bez úpravy, smalt), případně použitého materiálu (uhlíková ocel, nerezová ocel). Na obr. 3 jsou uvedeny ceny solárních akumulačních zásobníků bez výměníků tepla (nádrže) a průměrné měrné ceny vztažené na objem zásobníku.

Obr. 3 - Měrná cena zásobníků teplé vody a zásobníků otopné vody (včetně tepelné izolace)

V neposlední řadě hraje v nákladech významnou roli i cena potrubí a tepelné izolace. Světlost potrubí hlavní větve primárního okruhu je dána velikostí kolektorové plochy, návrhem průtoku (nízký průtok, vysoký průtok) a hydraulickým návrhem (např. snaha o minimalizaci tlakových ztrát). Cena potrubí je výrazně dána jeho světlostí. Na obr. 4 (vlevo) jsou uvedeny měrné ceny měděného a ocelového potrubí pro různé světlosti. Je patrné, že u měděného potrubí cena od rozměru 42x1,5 začíná strmě růst. Proto se u větších solárních soustav měděné potrubí nahrazuje ocelovým. Pracnější montáž je kompenzována nižší cenou potrubí.

Pro snížení investice do potrubí se velkoplošné solární soustavy projektují jako soustavy s nízkým průtokem (low-flow, 10 až 20 l/h.m²) a vysokým ohřátím teplonosné kapaliny v kolektoru (nad 30 K). Solární low-flow soustava však zároveň předpokládá pokročilý systém řízeného nabíjení více zásobníků podle teploty, která je k dispozici na výstupu z kolektoru nebo řízeného teplotního vrstvení objemu uvnitř zásobníků samočinnými stratifikačními vestavbami či kombinaci obou přístupů.

Na světlosti potrubí závisí tloušťka tepelné izolace. Pro potrubí solárních soustav se obecně doporučuje tloušťka izolace rovná průměru potrubí, což zároveň přibližně odpovídá požadavkům vyhlášky [1]. na instalaci tepelné izolace rozvodů tepelných soustav obecně. Na základě analýzy hospodárné tloušťky tepelné izolace je však možné stanovit hodnoty jiné (menší).

Na obr. 4 (vpravo) jsou uvedeny ceny používaných tepelných izolací pro primární okruh solárních soustav na bázi EPDM (uzavřená nenasákavá struktura, UV odolná, t_max = 175 °C) a minerální vlny (otevřená struktura, kašírovaná Al, t_max = 280 °C). I když cena minerální izolace je především pro větší světlosti potrubí velmi příznivá, je nutné v případě venkovních instalací počítat s použitím plechového nebo alespoň plastového opláštění izolace jako ochrany před atmosférickými vlivy (vlhkost, vítr).

Obr. 4 - Srovnání ceny potrubí a tepelné izolace vztažené na 1 m pro různé materiály

Pro investiční náklady v případě dodávky instalace solárních soustav na klíč ve stavbách pro sociální bydlení lze uvažovat podle zákona o DPH [2] sníženou sazbu 10 %. Pro obytné budovy lze s ohledem na definici staveb pro sociální bydlení:

• rodinný dům s celkovou podlahovou plochou menší než 350 m²;
• bytový dům, v němž jsou byty pouze s celkovou podlahovou plochou menší než 120 m²;

uvažovat sníženou sazbu DPH v naprosté většině instalací solárních soustav v obytných budovách.

Dotace

Investiční náklady mohou být sníženy veřejnými podporami, buď ve formě paušálního příspěvku na solární soustavu (rodinné domy), na bytovou jednotku (bytové domy), na m2 kolektorové plochy, apod. nebo ve formě procenta z investičních nákladů. Paušální podpora z veřejných prostředků sleduje především maximalizaci solárního pokrytí, tzn. za daný finanční objem dotace se očekává co největší zisk a úspora (dotační program Zelená úsporám). Procentní podpora (dotace je poměrná částka z celkových investičních nákladů) sleduje i ekonomické parametry podpořené solární soustavy jako je investiční náročnost uspořené energie nebo úspory emisí, tzn. zda jsou veřejné finanční prostředky vynakládány efektivně (Operační program Životní prostředí).

Provozní náklady

Finanční prostředky vynakládané pro zajištění provozu solární soustavy působí proti úsporám zajišťovaným solární soustavou. Patří mezi ně především náklady na pomocnou energii pro pohon solární soustavy, servisní náklady na obsluhu a údržbu zařízení, případné opravy, náklady na pojištění, apod. Obecně opět platí, že čím větší solární soustava, tím menší měrné provozní náklady vztažené k dosaženému zisku nebo kolektorové ploše.

Náklady spojené se spotřebou pomocné elektrické energie pro pohon solární soustavy (spotřeba čerpadel, regulace, aj.) se pohybují u rodinných domů mezi 3 a 5 % tepelného zisku solární soustavy, zatímco u větších solárních soustav klesají pod 1 %.

Roční servisní náklady na údržbu a opravy je možné odhadnout ve výši 0,3 až 0,5 % z investičních nákladů na pořízení soustavy (bez dotace) [3]. Procento je nižší než u konvenčních zdrojů tepla, neboť opotřebení solární soustavy za standardních provozních podmínek je nižší. Čím větší je solární soustava, tím je možné uvažovat procento nižší. Údržba se skládá především z vizuální kontroly, kde náklady jsou z velké části spojené s dopravou. Výměna solární kapaliny (40 až 80 Kč/l) se provádí cca po 5 letech, výměna oběhových čerpadel po cca 10 letech, výměna zásobníků po cca 15 letech.

Energetické zisky solární soustavy

Pro vyjádření ekonomické úspory dosažené instalací solární soustavy je nutné stanovit využité tepelné zisky za dané časové období (rok), resp. úsporu tepla dodávaného nahrazovaným zdrojem energie. Tepelné zisky solární soustavy se stanovují výpočtovými metodami pro zatím nerealizované instalace, nejlépe podrobnou počítačovou simulací soustavy výpočtovými programy, např. Polysun, T*sol, GetSolar, aj. Pro realizované soustavy je vhodné nasadit dlouhodobé měření, které má vysokou vypovídací schopnost.

Výpočtové hodnocení má svůj význam ve fázi návrhu solárních soustav, nicméně výsledky jsou vždy závislé na kvalitě vstupních parametrů, tj. do jaké míry odpovídají skutečnosti. Provozní měření a hodnocení solárních soustav naproti tomu umožňuje vyhodnotit reálné zisky na konkrétní instalaci za předpokladu splnění správných podmínek měření.

Energetické zisky solárních tepelných soustav jsou závislé nejen na kvalitě použitých komponent (kolektory, zásobníky, tepelná izolace), ale také na celkovém návrhu plochy solárních kolektorů vzhledem potřebě tepla, která má být kryta.

Běžné solární soustavy pro přípravu teplé vody v rodinných domech (2 až 5 osob) mají plochu solárních kolektorů 3 až 8 m² při velikosti solárního zásobníku 200 až 400 l. Vzhledem k relativně malé ploše (výkonu) solárních kolektorů se tepelné ztráty solární soustavy projevují výrazněji na celkové energetické bilanci. Tepelné ztráty solární soustavy vztažené k disponibilním ziskům solární soustavy dosahují podílu 20 až 30 %. Měrné solární zisky se u solárních soustav pro přípravu teplé vody v rodinných domech reálně pohybují od 300 do 400 kWh/(m².rok). Na druhé straně u solární přípravy teplé vody v bytových domech je podíl tepelných ztrát mnohem nižší (5 až 10 %) vzhledem k velkým plochám kolektorů (30 až stovky m²). U přípravy teplé vody v bytových domech lze proto očekávat měrné zisky mnohem vyšší, zpravidla jsou hodnoty využitých zisků nad 400 kWh/(m².rok). Kromě výše uvedeného je to dáno i způsobem dimenzování na nižší solární pokrytí 25 až 45 %.

Solární kombinované soustavy pro přípravu TV a vytápění se u rodinných domů potýkají se podobnými problémy jako příprava teplé vody. Vysoké tepelné ztráty rozvodů a akumulačního zásobníku tepla spolu s vyšší hladinou nevyužitelných zisků v letním období bez vytápění vlivem často předimenzované plochy solárních kolektorů snižují významně měrné solární zisky. Solární kombinované soustavy dosahují v rodinných domech v podmínkách ČR hodnot menších než 300 kWh/(m².rok). Se solárními kombinovanými soustavami pro přípravu teplé vody a vytápění v bytových domech zatím není v ČR v podstatě žádná zkušenost, nicméně lze předpokládat úroveň zisků v oblasti 350 až 450 kWh/(m².rok) při předpokládaném ekonomickém dimenzování plochy kolektorů na letní spotřebu teplé vody s případnými nízkými přebytky.

Cena energie a její předpokládaný růst

Cena nahrazované energie zásadně ovlivňuje ekonomiku solární soustavy a je nezbytné vycházet z konkrétní místní situace, konkrétní ceny za teplo dodávané nahrazovaným zdrojem tepla pro daný účel. V grafu na obr. 5 jsou uvedeny ceny různých energonositelů pro domácnosti (rodinné domy, bytové domy) v letech 2005 až 2009.

Současná cena elektrické energie pro domácnosti (D45d, 2009) se v nízkém tarifu pohybuje od 2,3 do 2,6 Kč/kWh vč. DPH (včetně distribuce, příplatku na OZE, apod.). Do ceny elektrické energie pro výpočet návratnosti se nezapočítávají stálé poplatky za instalovaný jistič, neboť úsporou spotřeby energie instalací solární soustavy se nijak nemění. Růst cen elektrické energie pro domácnosti za posledních 5 let je cca 20 % [4]. V grafu na obr. 5 uvedeny ceny pro domácnosti v sazbě přímotopného vytápění (20 h nízký tarif, Pražská energetika).

Cena energie zemního plynu se během roku mění (čtvrtletně), cena k lednu 2009 se pro běžný odběr do 9,45 MWh/rok (vytápění zemním plynem) pohybovala na úrovni okolo 1,4 Kč/kWh vč. DPH. Stálý měsíční plat se pro ekonomické hodnocení do ceny energie zemního plynu nezapočítává. Přestože koncem roku 2009 došlo k výraznému poklesu (až na ceny okolo 1,1 Kč/kWh), lze uvažovat průměrný růst ceny energie zemního plynu u různých dodavatelů v posledních 5 letech cca 9 až 10 %. V grafu na obr. 5 uvedeny ceny pro domácnosti vytápěné zemním plynem (Pražská plynárenská) [4].

Obr. 5 - Trend růstu cen energie v ČR pro vybrané energonositele (k lednu uvedeného roku)

Ceny dálkového tepla dodávaného konečným spotřebitelům v rámci systémů centralizovaného zásobování teplem (CZT) se v současné době (2009) pohybuje mezi 450 až 700 Kč/GJ (1,6 až 2,5 Kč/kWh) vč. DPH v závislosti na palivové základně a konkrétní lokalitě. Růst cen tepla z CZT se v posledních 5 letech (2005-2009) pohybuje na úrovni 7 % (uhlí) až 10 % (ostatní paliva, např. plyn) [5]. V grafu na obr. 5 uvedeny ceny na úrovni předávací stanice (kotelny) v domě.

Časová hodnota investice

Pro reálnější odhad skutečných ekonomických přínosů úspor vlivem investice do solární soustavy se zohledňuje časová hodnota investovaných finančních prostředků použitím předpokládané diskontní míry. Diskontní míra vyjadřuje výnosovou míru, se kterou je možné počítat ve srovnatelně rizikových investičních alternativách jako je investice do solární soustavy (velmi jistá, každoročně přibližně stálý zisk). Diskontování zohledňuje časovou hodnotu peněz, převádí budoucí hodnotu investice na současnou. Jako diskontní míru lze uvažovat například úrokovou míru (zhodnocení finančních prostředků uložením v bance). Pro obecné hodnocení projektů energetických úspor se používá zpravidla diskontní míra okolo 5 %, u podnikatelských záměrů (firem) se používá hodnota průměrných nákladů na kapitál (požadovaný výnos, podniková diskontní míra).

Ekonomické externality

Obtížně kvantifikovatelné při posuzování ekonomických parametrů solárních soustav je vliv produkce energie z tradičních paliv na zdraví obyvatel a životní prostředí (nadnáklady na zdravotní péči a sanaci ekologických škod), rizika výroby energie. Výrazná nejistota leží také v předpovědi nákladů na konvenční energetické zdroje v budoucnosti.

Návratnost vložených investic

Při ekonomických analýzách investic do solárních soustav se podobně jako u jiných aplikací úspor energie hodnotí prostá doba návratnosti a diskontovaná doba návratnosti. Prostá doba návratnosti τ_p nezohledňuje skutečnou časovou hodnotu peněz a peněžní toky za dobu návratnosti, proto je její vypovídací schopnost omezená, zkresluje pohled na efektivnost investice a slouží jen jako pomocné orientační kriterium pro investiční rozhodování. Kriterium určuje, za jak dlouho pokryjí nediskontované úspory energie instalací solární soustavy její investiční náklady.

kde

IN jsou investiční náklady na solární soustavu, v Kč;
RU roční úspora nákladů instalací solární soustavy, v Kč/rok.

Uvažováním výnosové míry alternativní investiční příležitosti a předpokládaného tempa růstu ceny nahrazované energie v budoucnosti lze získat reálnější dobu návratnosti s lepší vypovídací schopností než má prostá doba návratnosti. Reálná doba návratnosti τ_d je definována jako doba (konkrétní rok), kdy skutečný výnos pokryje počáteční investici podle podmínky

kde

IN jsou investiční náklady na solární soustavu, v Kč;
RU roční úspora nákladů instalací solární soustavy, v Kč/rok.
p tempo růstu cen energie;
r diskontní (výnosová) míra;
t doba, v letech.

Na obr. 6 je grafickým způsobem porovnán výpočet návratnosti s různými variantami okrajových podmínek pro stanovení reálné doby návratnosti solární soustavy. V případě stejného tempa růstu cen energie jako je diskontní míra, jde o prostou návratnost. Pokud se předpokládá tempo růstu cen energie vyšší než diskontní míra, reálná doba návratnosti se oproti prosté zkracuje. Pokud jsou počáteční investiční náklady významně sníženy dotací, nemá již časová hodnota investice příliš vysoký vliv na dobu návratnosti, odchylky pro různé varianty se pohybují řádově v měsících.

Obr. 6 - Vliv okrajových podmínek faktoru času při výpočtu ekonomické návratnosti

Cena solárního tepla

Posouzení reálné návratnosti spoléhá na řadu předpokladů, zejména špatně odhadnutelného budoucího tempa růstu ceny nahrazované energie, zvláště pokud je časovým horizontem životnost solární soustavy (20 až 30 let). Jinou metodou ekonomického zhodnocení je výpočet ceny tepla dodávaného solární soustavou v časovém horizontu předpokládané životnosti z anuit investičních a provozních nákladů solární soustavy a z energetických zisků solární soustavy. Metoda anuit přepočítává neperiodické a periodické náklady do periodických konstantních plateb. Metoda umožňuje navíc sčítat různé druhy nákladů vzniklých v různých periodách životnosti solární soustavy transformovaných faktorem anuity do průměrných nákladů v průběhu sledovaného časového období τ (životnost solárních kolektorů).

Obecně může být metoda anuit relativně komplexní metodou zohledňující řadu faktorů jako jsou změny provozních nákladů na provoz, obsluhu a údržbu s časem. Níže je uvedena zjednodušená verze zohledňující podrobněji především anuity jednotlivých investic, včetně oprav a údržby solární soustavy, s různou životností τ₁ i a konstantní provozní náklady PN spojené se spotřebou energie pro pohon solární soustavy.

Cena solárního tepla se stanoví ze vztahu

kde

τ je sledované časové období (životnost solárních kolektorů);
τ / τ_i určuje, kolikrát je i-tý prvek za dobu životnosti solární soustavy instalován;
IN_i investiční náklady na i-tý prvek solární soustavy s danou životností τ_i, v Kč;
a(τ_i) anuitní faktor určený pro životnost daného prvku τi;
PN roční provozní náklady pro pohon soustavy, v Kč/rok;
Q_u úspora energie vlivem provozu solární soustavy, energetický přínos solární s soustavy, v kWh/rok.

Anuitní faktor se stanoví ze vztahu

kde

r je diskontní míra;

Při výpočtu ceny solárního tepla se investiční náklady na jednotlivé prvky rozdělí podle jejich předpokládané životnosti τ_i, např.

Ozn.	Položka	τ	τ / τi
IN1	Solární kolektory, potrubí, izolace, nosné konstrukce, montáž	30 let	1
IN2	Zásobníky	15 let	2
IN3	Oběhová čerpadla, kapalina	10 let	3
IN4	Náklad na významnější údržbu	5 let	6

Součet ročních anuit nákladů na solární soustavu po dobu životnosti (30 let) je potom dán vztahem

Investiční náklad na zásobníky je v souladu se vztahem (3) započítán dvakrát (životnost 15 let), náklady na oběhová čerpadla a teplonosnou kapalinu jsou započítány třikrát (životnost 10 let), náklady na podrobnější údržbu po 5 letech je započítán 6x. Cena solárního tepla v Kč/kWh je potom

kde

Q_ss,u jsou využité tepelné zisky solární soustavy, v kWh/rok;
η_nz účinnost zdroje tepla nahrazovaného solární soustavou.

Vypočtená cena solárního tepla je cena energie dodávané ze solární soustavy (cena úspory) a předpokládá se stálá po celou dobu životnosti solární soustavy, tzn. nezvyšuje se v čase. Poskytuje tak garanci ceny solárního tepla oproti rostoucím cenám energií v budoucnosti.

Závěrečné poznámky

Základem pro správné ekonomické zhodnocení solární soustavy jsou především správné informace o vstupních okrajových podmínkách výpočtu, zejména o celkových investičních nákladech a očekávaných finančních výnosech (energetické zisky, změny v ceně energie, diskontní míra). Častou chybou je podcenění nákladů souvisejících s instalací solární soustavy (stavební úpravy), které mohou významně zhoršit ekonomické parametry a nadhodnocení skutečné provozní účinnosti nahrazovaných zdrojů tepla η_nz, zejména v případě plynových kotlů. Na druhé straně mezi faktory papírově zlepšujícími ekonomiku solárních soustav se lze setkat s nerealisticky nadhodnocenými zisky solárních soustav.

Odkazy

[1] Vyhláška 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu.
[2] Zákon č. 235/2004 Sb., o dani z přidané hodnoty.
[3] Remmers, K., H.: Velká solární zařízení, Era 2007.
[4] Historický přehled vývoje cen
[5] Blažíček, J: Vyhodnocení cen tepelné energie k roku 2008

Poslechněte si zvukový záznam přednášek Ing. Bořivoje Šourka

• SOLÁRNÍ KOLEKTORY
• NAVRHOVÁNÍ SOLÁRNÍCH SOUSTAV
  

(přednášky zazněly jako odborná část firemního semináře společnosti Quantum v roce 2011)