Význam plynu v energetické transformaci - Energy Transition

Jakou úlohu bude hrát zemní plyn v energetické transformaci? Jak se na ni mohou podílet plynová tepelná čerpadla? Musí být energetická transformace pouze elektrifikací? Koncept „klimatické neutrality“ se stává stále významnějším tématem na všech úrovních naší společnosti. Spotřebitelé i výrobci si stále více uvědomují nutnost otázky týkající se environmentální udržitelnosti. To v souladu s tím, co bylo stanoveno mezinárodními protokoly, představuje do budoucna zásadní technologickou výzvu.

Klimatická neutralita

Usilovat o klimatickou neutralitu znamená zavádět procesy zaměřené na snižovaní emisí oxidu uhličitého a skleníkových plynů (GHG).  Proces může být definován jako „klimaticky neutrální“, pokud nezpůsobuje emise oxidu uhličitého a škodlivých skleníkových plynů.

Cíle klimatické neutrality pro rok 2050

Evropská unie se prostřednictvím tzv. European Grean Deal zavázala k realizaci řady strategických iniciativ zaměřených na dosažení klimatické neutrality do roku 2050. Cílem je snížení emisí skleníkových plynů o 55 % oproti hodnotám z roku 1990 do roku 2030.

Cílem Grean Dealu je zapojit všechna výrobní odvětví a všechny země EU do odpovědnějšího využívání zdrojů a dosáhnout klimatické neutrality.

Pozitivní účinky, které mohou z těchto akcí vyplynout, jsou nespočetné a mezi nimi můžeme jmenovat:

• snížení spotřeby energie zlepšením energetické účinnosti budov
• výroba čistší energie a špičkové inovace v oblasti technologií
• prodloužení životnosti výrobků a pobídky k opravám, recyklaci a opětovnému použití
• ochrana vzduchu a vody
• ochrana biodiverzity
• transformace odvětví směrem k větší konkurenceschopnosti a odolnosti na globální úrovni

Které zdroje energie preferovat pro dosažení klimatické neutrality?

Po definování cílů, ke kterým jsme se i mi jako člen EU zavázali zbývá určit, které zdroje energie nám umožní dosáhnout klimatické neutrality .

Tato pozice je relativně nová, jelikož ještě před několika lety panoval všeobecný názor, že pro snížení emisí je hlavní cestou opuštění plynu ve prospěch elektřiny získané z obnovitelných zdrojů, jako je solární energie, větrná energie nebo vodní energie. V poslední době však stále více subjektů prohlašuje, že podle jejich odhadů samotná elektřina nebude stačit k dosažení očekávaných cílů .

Například "Eurelectric sector association", které zastupuje společné zájmy elektro-energetického průmyslu na evropské úrovni odhadla, že elektřina bude v roce 2050 schopna pokrýt 38–60 % evropských energetických potřeb. To je jistě velký krok vpřed směrem k dekarbonizaci, ale stále je zřejmé, že není realistické si představit scénář, ve kterém by samotná elektřina byla schopna uspokojit potřeby celé EU v oblasti dopravy, energetiky a průmyslu.

K tomu se přidávají další problémy spojené například s náklady na vytvoření infrastruktury schopné reagovat na potřeby distribuce, přepravy a skladování tak velkého množství elektřiny, nebo s problémem vyřazování stávajících a funkčních plynárenských sítí z provozu. Konečně nesmíme zapomínat, že v současné době se v ČR přibližně 50 % elektřiny vyrobí z tepelných elektráren tedy z fosilních zdrojů, a že je zde stále dominují uhelné elektrárny, které se za přispění obrovských investic transformují právě na elektrárny plynové.

Ze všech těchto důvodů panuje přesvědčení, že pro dosažení cílů klimatické neutrality do roku 2050 je nezbytné uvažovat o formě integrace mezi elektřinou a plynem, i s přispěním tzv. „zeleného plynu“ (např. biometanu nebo vodíku).

Synergie mezi elektřinou a plynem pro vytápění budov

Volba úplné elektrifikace budovy může být vhodná, pokud je zohledněna již ve fázi návrhu budovy, ale rozhodně to není jediná možná varianta. To platí  zejména v případech, kdy se renovují do stávající budovy, ve kterých již je připojení k plynové síti. V tomto ohledu je dobré si uvědomit, že v České republice je plynem pokryto více než 80 % území a k vytápění ho využívá více než 1,5 milionu domácností.

Podle statistik EU je 85% procent budov v Evropské unii postaveno před rokem 2000, tedy z bez příslušné přípravy pro vytápění elektrickými tepelnými čerpadly. V takovém případě je na místě zvážit i investiční a ekonomickou proveditelnost investice. Nabízí se tedy otázka, zda instalaci hybridních systémů nedosáhneme zásadní úspory enegrie, za zlomek investičních nákladů. 

I samotná EU ve svém dokumentu Hloubková analýza na podporu sdělení Komise COM (2018) 773 uvádí, že do roku 2050 bude 34 % potřeb vytápění, ohřevu teplé vody a průmyslu pokryto elektrickými technologiemi a že ostatní spotřebitelé budou využívat obnovitelná plynná paliva (zelený vodík, bioplyn...) s přispěním malého množství zemního plynu.

Na základě těchto dat je tedy možné vytvořit scénáře budoucího vývoje. Všechny prvky naznačují, že budeme svědky rostoucí synergie mezi plynem a elektřinou. Současně bude stále vyšší tlak na efektivní využívání zemního plynu. Ten může být řešen prostřednictvím tzv. hybridních zdrojů, kogeneračních jednotek a nebo plynových tepelných čerpadel (thermally driven heat pump). Současně bude zvyšován tlak na blending s zelenými plyny. 

Plynová tepelná čerpadla (Thermally Driven Heat Pump) - význam, funkce a budoucnost v transformaci energetiky Fit for 55

Teplem poháněná tepelná čerpadla mohou být spolu s rozvojem výroby a distribuce obnovitelných plynů jednou z klíčových technologií v procesu dekarbonizace a energetické transformace s ohledem na evropské a globální cíle do roku 2050.

Co je to termální tepelné čerpadlo                   

Termální tepelné čerpadlo je definováno  nařízením o ekodesignu (EU) 813/2013 a 811/2013 jako "technologie, která využívá teplo nebo spalovací motor k pohonu absorpčního procesu nebo cyklu komprese páry".

Toto tepelné čerpadlo, jinými slovy, využívá teplo k „čerpání“ energie z obnovitelného zdroje (např. okolního prostředí). Takto "čerpanou" energii pak lze  využívat  pro vytápění či k ohřevu teplé vody.

Zatímco elektrické tepelné čerpadlo (tepelné čerpadlo s kompresí páry chladiva) využívá prostřednictvím kompresoru elektřinu ke generování tlaku, termální tepelné čerpadlo k tomu využívá teplo. Přímí ohřev tak generuje tlak jenž je pro termodynamický cyklus nezbytný. Toto teplo pochází nejčastěji z plynového hořáku, ale může pocházet i z odpadního tepla či ze solárních panelů či jakéhokoli jiného zdroje o dostatečné teplotě.              

Výhody teplem poháněných tepelných čerpadel                   

Termální tepelná čerpadla představují perspektivní segment na trhu. Tato technologie se ukázala jako vhodná pro zvýšení energetické efektivity vytápění a výrobu teplé užitkové vody u stávajících budov. Je to dáno její kompatibilitou s většinou tradičních systémů vytápění. Technologie tak okamžitě nabízí možnost snížení potřeby primární energie s využitím obnovitelných zdrojů při minimu investic a stavebních úprav. Představovaná minimální efektivita je pak až o 40 % vyšší než při použití plynových kotlů, což umožňuje značné ekonomické úspory a snížení emisí CO₂ do ovzduší.                 

Výhody aplikací s termálním tepelným čerpadlem:

• Významně přispívají k cílům EU v oblasti energetiky a klimatu Fit for 55

Při běžné aplikaci v kotelně na zemní plyn může dojít ke snížení emisí CO₂ o 30 - 40% oproti použití plynových kotlů. V případě, že je použit plyn z obnovitelných zdrojů nebo směs takových plynů (biometan, vodík) lze emise snížit ještě významněji. Spolu s emisemi CO₂ dochází i ke snížení požadavků na primární energii o cca 40%.

• Diverzifikace zdrojů energie díky efektivnímu využití plynných paliv

Plynná paliva jsou široce rozšířená a distribuovaná v celé Evropě, a jsou kompatibilní s budoucím scénářem dodávek paliva v podobě plynů vyrobených z OZE, jako je biometan, směsi metanu a vodíku a čistý vodík. To přestavuje alternativu k elektrické síti, která je i s ohledem na elektrizaci energetiky na řadě míst v Evropě na svých kapacitních limitech nebo vyžaduje zásadní investice.

• Zachování výkonu při nízkých teplotách vnějšího vzduchu

Termální tepelná čerpadla nemají tak významný pokles topného faktoru respektive výkonu v závislosti na venkovní teplotě jako elektrická čerpadla. Je to dáno způsobem využití termodynamického cyklu. To představuje řadu výhod jak z pohledu uživatele, kdy klesá potřeba bivalence, tak z pohledu stability rozvodné sítě.

• Stabilní výkon a teplota i při vysokých teplotách v systému vytápění

Stejně jako u závislosti výkonu na venkovní teplotě, ani při zvyšování teploty topné vody v systému nedochází k tak významnému poklesu výkonu jako u elektrických čerpadel. Schopnost poskytovat relativně vysoké teploty vytápění i v prudkých mrazech umožňuje efektivní použití tohoto typu tepelného čerpadla pro středně teplotními systémy, jako jsou tradiční radiátory, konvektory či VZT jednotky.

• Cena za dodanou jednotku energie

Pokud je termální tepelné čerpadlo poháněno spalováním plynu, dosahuje velmi nízké ceny za dodanou jednotku energie. Je to dáno cenou plynu na trhu, která je obecně nižší než cena například elektřiny. Elektřina je až druhotná energie, což sebou nese určitá specifika (výroba, skladovatelnost, distribuce). To se samozřejmě projeví na její ceně. Oproti tomu plyn je téměř primární zdroj energie, je tedy ve většině zemí levnější než elektřina.    

Vývoj trhu termálních tepelných čerpadel                   

Prodej teplem poháněných tepelných čerpadel se neustále zvyšuje. Na konci roku 2020 bylo v segmentu komerčního, průmyslového a rezidenčního trhu v celé Evropě v provozu více než 30 000 systémů (odhad skupiny výrobců). Technologie se šíří rychlým tempem díky snadné použitelnosti těchto spotřebičů při náhradě či doplnění tradičních plynových kotlů. Tím lze dosáhnou významného snížení energetické náročnosti budovy při minimálních stavebních úpravách a relativně nízkých investičních nákladech.

Evropa je nejaktivnější oblastí ve vývoji a výrobě této technologie. V současné době je několik mezinárodních společností schopno ji nabídnout v různých velikostech, modelech a vybavení.                   

Nejvýznamnějším zástupcem a pomyslným lídrem v tomto oboru je firma Robur, která se věnuje výrobě a vývoji absorpčních plynových tepelných čerpadel GAHP (Gas Absorption Heat Pump). Jde v současnosti o nejrozšířenější termální tepelné čerpadlo na trhu. Řada dalších významných společností z oboru vytápění se věnuje termálním tepelným čerpadlům a nutno podotknout, že v této oblasti stále probíhá intenzivní výzkum věnující se inovacím a rozvoji dané technologie. I to potvrzuje její potenciál pro rozvoj ve střednědobých a dlouhodobých scénářích.         

Aplikace teplovodních systému s tepelnými čerpadly má v budoucnu být, podle všech scénářů, klíčovým zdrojem vytápění v Evropě. Evropská komise (Repower Eu) s ohledem na ambiciózní cíl snížit závislost Evropy na (ruském) plynu očekává instalaci 30 milionů nových tepelných čerpadel do roku 2030.