Reakce na článek "Solární termické kolektory nebo malé tepelné čerpadlo (mikročerpadlo) se solární elektřinou?"
Čas od času se lze setkat se snahou o prosazování jednoho obnovitelného zdroje na úkor jiného, snahou zastánců jednoho energetického řešení oproti jiným. Mnohdy se k tomu používají argumenty, které nejsou podložené seriózními výpočty. Srovnávají se varianty, které srovnatelné nejsou. Záměrně či pouze neznalostí technologie jsou volbou okrajových podmínek zvýhodněny právě zdroje prosazované. Nevede to však k ničemu jinému, že odborná i laická veřejnost je zmatena a "ten třetí" na opačném pólu spektra energetických zdrojů se směje.
Autor reaguje na článek
Solární termické kolektory nebo malé tepelné čerpadlo (mikročerpadlo) se solární elektřinou? z 28. 5. 2012
Základem zveřejněného článku [1] je zajímavá myšlenka - fotovoltaikou poháněné tepelné čerpadlo pro produkci tepla pro přípravu teplé vody, případně i pro vytápění pasivního domu. Tímto tématem se v současnosti zabývá řada výzkumných týmů. Autor příspěvku se však dopouští řady nepřesností a zjednodušení které vedou k mylným závěrům. V jednotlivých bodech se pokusím vyjádřit k hlavním tvrzením postupně uvedeným v textu článku. Případná diskuze snad bude věcná a řada informací se upřesní i v mém pohledu na věc. Od toho ostatně diskuze je.
1) Autor tvrdí, že termické a fotovoltaické systémy si konkurují. Nekonkurují. Naopak se výzkum a vývoj aplikací se ubírá cestou jak jejich funkce integrovat do jediného prvku (hybridní FVT kolektory). V současnosti se fotovoltaika používá především pro výrobu elektrické energie do nadřazené sítě, zatímco solární termika pro lokální produkci tepelné energie k lokální spotřebě. Abychom srovnávali srovnatelné, bylo by potom potřeba srovnávat méně obvyklý ostrovní fotovoltaický systém (tj. s akumulací elektrické energie, její účinností, cenou, atd.) s ostrovní solární tepelnou soustavou, což je běžné řešení.
2) Autor správně tvrdí, že zvyšování pokrytí potřeby tepla solární tepelnou soustavou vede k nižším měrným ziskům na m2 instalované plochy solárních kolektorů. Mimo zmiňované vyšší provozní teploty a ztráty zásobníku je to však dáno především zvýšením množství nevyužitelné produkované energie (letní přebytky). Stejný problém by nastal v případě ostrovního fotovoltaického systému, nicméně výhodou fotovoltaiky je možnost přebytků odvést snadno do „nekonečného“ akumulátoru, tj. elektrické sítě. Na druhé straně decentrální solární soustava napojená na síť CZT (viz některá koncepční řešení zásobování teplem v Rakousku, Dánsku, apod.) může podobně předávat tepelné zisky do nadřazené sítě a uváděná premisa tedy neplatí obecně.
3) Autor uvádí, že malé solární tepelné soustavy mají výrazné výhody oproti fotovoltaice – bohužel neuvádí jaké. V praxi je to spíše naopak, malé soustavy trpí vysokým podílem tepelných ztrát vůči využitelným ziskům (20 až 30 %), s rostoucí velikostí soustavy se podíl ztrát snižuje až na řádově procenta u velkoplošných soustav. Naproti tomu fotovoltaické systémy mají ztráty také řádově procenta na vedení a další jednotky procent na měničích (pokud jimi chce napájet tržně dostupné tepelné čerpadlo na střídavý proud). Fotovoltaické systémy tedy nejsou "prakticky bezztrátové", jak tvrdí autor. Nelze srovnávat na jedné straně účinnost fotovoltaického panelu a na druhé straně účinnost celé solární tepelné soustavy, včetně zásobníku tepla.
4) Výsledky simulace pro solární ohřev vody uvedené v grafu na obr. 1 jsou vcelku předvídatelné, s rostoucí instalovanou plochou kolektoru roste solární pokrytí, nicméně od určité velikosti plochy už relativně pomalu. Termín dodatečná úspora z každého dalšího m2 je však zcela zavádějící. Bohužel s ním autor dále pracuje při srovnávání s produkcí fotovoltaiky. Nicméně, přistupme na autorův příklad se 6 m2 kolektorové plochy s produkcí 340 kWh/m2.rok pro přípravu teplé vody, přestože takový systém jeví známky předimenzování a například v programu Zelená úsporám by nesplňoval podmínku minimálního tepelného zisku 350 kWh/m2.rok pro udělení dotace. Z článku nedozvíme parametry použitých prvků soustavy, tj. jaké kolektory byly uplatněny, jak dlouhé potrubí, s izolací nebo bez? Proč autor volí pro celoroční přípravu teplé vody (a stejně tak i pro další případ s podporou vytápění) sklon kolektorů 35 °, zvýhodňující právě produkci energie bez ohledu na její využití (fotovoltaické systémy)? Každopádně je dobré si zapamatovat celkový roční tepelný zisk, který soustava dodá pro přípravu teplé vody, tj. 340 kWh/m2 x 6 m2 = 2040 kWh/rok. Naproti tomu, výtěžek fotovoltaiky je uváděn v očekávaných mezích 125 kWh/m2.rok [2], tzn. celkový zisk srovnatelné plochy je 125 kWh/m2 x 6 m2 = 750 kWh/rok. Při porovnání výše uvedených zisků je nepochopitelné autorovo tvrzení, že "solární termické kolektory získají méně energie než stejně velké fotovoltaické zařízení".
5) Autor dále konstatuje, že z fotovoltaické elektřiny lze v kombinaci s tepelným čerpadlem získat podstatně více tepla, aniž by sdělil s jakým topným faktorem počítá. Pokud se podíváme na reálné sezónní topné faktory tepelných čerpadel pracujících pouze do přípravy teplé vody (55 °C), pohybují se okolo hodnoty 2,5 u tepelných čerpadel s výkony okolo 10 kW. V případě, že půjde o malá zařízení jako jsou kompaktní ohřívače vody s tepelným čerpadlem, pak zařízení, co jsou k dispozici na trhu mají roční provozní topné faktory na úrovni 0,6 až 1,9 [3]. Hodnoty topného faktoru menší než 1,0 jsou způsobeny mj. tepelnými ztrátami zásobníků, do kterých tepelné čerpadlo dodává teplo. Je nutné zde také zdůraznit obecný zákon: čím menší tepelné zařízení, tzn. s nižším výkonem (například tepelné čerpadlo), tím horší je jeho účinnost (topný faktor). Z obr. 2 lze usuzovat, že autor počítá s topnými faktory na úrovni od 3 do 5. Navíc, autor sice ví, že solární zásobníky mají "výrazné tepelné ztráty", ale evidentně si představuje, že zásobník, do kterého předává teplo tepelné čerpadlo (poháněné fotovoltaikou) žádnou ztrátu nemá.
6) Obecnou předpověď, že u fotovoltaiky a tepelných čerpadel se skrývá velký potenciál pro optimalizaci, lze uplatnit na jakékoli technické zařízení od kávovaru po solární tepelné kolektory.
7) Pokud autor tvrdí, že potřebuje trvalý výkon tepelného čerpadla 100 W/osobu, protože potřeba tepla na přípravu teplé vody je 2,5 kWh/den, pak předpokládá, že tepelné čerpadlo je provozu celý den včetně noci. Odkud v noci fotovoltaické panely, které ho pohání, získají energii? Pokud tepelné čerpadlo poběží celý den, nebude to mít vliv na jeho životnost? Uvažuje autor, že zásobník teplé vody o objemu 200 l má běžně pohotovostní tepelnou ztrátu 2,0 kWh/den (tedy nejen solární zásobníky ztrácí teplo)? Dokáže vůbec tak nízkým výkonem uspokojit komfort reálného odběru teplé vody (například v souladu s německou DIN 4708)?
8) Autor nakonec navrhuje tepelné čerpadlo o tepelném výkonu 1 kW. Zkoušel jsem ho hledat u výrobců, ale nenašel jsem tepelné čerpadlo s tak nízkým výkonem kromě již zmíněných ohřívačů vody, které odebírají teplo ze vzduchu ve vnitřním prostředí. Protože to jsou jednoduchá zařízení, nemohou odebírat teplo z venkovního vzduchu o nižší teplotě než 10 °C (problém odmrazování a vůbec provozu při podnulových teplotách). Jsou určeny pro teplá prostředí, přesto mají reálné roční topné faktory pod úrovní 2,0.
9) Autor si představuje, že tepelné čerpadlo bude ze stejných komponent jako lednička. Tepelné čerpadlo se sice neliší od chladicího zařízení v principu, ale právě ve vlastnostech použitých komponent, vzhledem k odlišným poměrům na výparníku a kondenzátoru, snahou odlišně řídit přehřátí par chladiva za výparníkem, apod. V momentě, kdy navíc má takové miniaturní 1kW tepelné čerpadlo i chladit, tzn. má možnost reverzního cyklu, tak se ocitáme v oblasti zařízení, které na trhu asi hned tak nepotkáme, případně v jiných cenových relacích než autor uvádí.
10) Pro srovnání hospodárnosti volí autor ještě méně příznivý případ a to solární soustavu pro přípravu teplé vody a vytápění s plochou 10 m2 a měrným ziskem 265 kWh/m2.rok. Kolektorová plocha odpovídá dimenzování pro běžný dům nikoli pro pasivní s minimalizovanou potřebou tepla na vytápění. Nevyužité přebytky sluneční energie v létě i přechodovém období zde významně snižují hodnotu měrného tepelného zisku soustavy. Pro pasivní dům se proto solární soustava v podstatě navrhuje podobně jako pro čistě přípravu teplé vody, neboť v přechodovém období stejně není potřeba pasivní dům aktivně solární soustavou vytápět. Období vytápění v pasivním domě začíná pozdě na podzim (listopad) a končí brzy na jaře (březen). Cena 9000 EUR (225 tis. Kč) za uvedenou solární kombinovanou soustavu je reálná, předpokládám, že odpovídá německým poměrům. Cenu 2500 EUR (62 tis. Kč) za tepelné čerpadlo, které je malé, umí chladit i topit a připravovat teplou vodu (není to tedy levná klimatizační jednotka vzduch/vzduch) oproti autorovi nedovedu posoudit, protože jsem ho na trhu nezaznamenal. V této cenové relaci se v ČR prodávají již zmíněné málo účinné ohřívače vody s tepelným čerpadlem.
11) Pro přepočty na ceny ušetřené energie používá autor dobu životnosti solární soustavy 20 let (zde lze předpokládat opravdu dobu vyšší, ale budiž) a dobu životnosti tepelného čerpadla také 20 let. Pro tepelné čerpadlo, které má malý kompresor, který by navíc měl běžet 24 hodin denně, je to zcela nereálná hodnota. Zpravidla se uvažuje 15 let pro kvalitní tepelná čerpadla s výkonem desítek kW nikoli jednotek kW.
12) Autor stanovil pro tepelné čerpadlo poháněné fotovoltaikou 1,4 kWp (pro Wurzburg je zisk elektrické energie cca 1250 kWh/rok [2]) celkový zisk tepla 4140 kWh/a, tzn. uvažuje topný faktor okolo 3,3. U pasivních domů s potřebou tepla na přípravu teplé vody srovnatelnou s potřebou tepla na vytápění se však dosahuje celkových ročních topných faktorů u tepelných čerpadel výkonů významně větších než 1 kW na úrovni 2,8 (příprava TV snižuje významně celkový topný faktor, vlivem provozu na vysokou teplotu 55 až 60 °C). U menších tepelných čerpadel lze očekávat hodnoty nižší.
13) Autor pomíjí reálný profil odběru tepla v domě. V běžném obytném domě jsou špičky odběru tepla v noci pro vytápění (nízká venkovní teplota), ráno (odběr teplé vody) a večer (odběr teplé vody). Přes den je odběr tepla snížen, tepelné čerpadlo neběží a nevyužívá elektřinu z fotovoltaiky. Naopak večer, v noci a ráno pokud tepelné čerpadlo běží, musí odebírat elektřinu ze sítě. Autor nikde v textu neuvádí započítání této spotřeby elektrické energie a souvisejících nákladů .
Závěrem
Článek je ukázkovým příkladem, jak lze zajímavou myšlenku, která mohla být kriticky prověřena znehodnotit nekvalitní studií. Na jedné straně nevhodně vybrané okrajové podmínky nevýhodné pro solární tepelné soustavy, na straně druhé nadhodnocené přínosy fotovoltaikou poháněných tepelných čerpadel. Bohužel podobné publikované texty se množí [4] a ne na všechny je možné adekvátně reagovat.
[1] Strauss, R.-P. Solární termické kolektory nebo malé tepelné čerpadlo (nikročerpadlo) se solární elektřinou?. TZB-info 2012. http://stavba.tzb-info.cz/nizkoenergeticke-stavby/8642-solarni-termicke-kolektory-nebo-male-tepelne-cerpadlo-mikrocerpadlo-se-solarni-elektrinou
[2] PVGIS, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps3/pvest.php
[3] Pollard A.R. The Energy Performance of Heat Pump Water Heaters. BRANZ Study Report SR 237. 2010.
[4] Bechník, B. Fotovoltaika a solární tepelné kolektory – porovnání, Czech RE Agency [online], http://www.czrea.org/cs/druhy-oze/fotovoltaika/fotovoltaika-solarni-tepelne-1