Home CE naživo Poklad, kterým mrháme. Nevyužité teplo může snížit závislost na fosilních palivech.

Poklad, kterým mrháme. Nevyužité teplo může snížit závislost na fosilních palivech.

28/08/2023

Energetická krize zasáhla prakticky všechny země světa, Slovensko nevyjímaje. Problém se zdražováním energií a nestabilními dodávkami paliv může vyřešit využití tzv. zbytkového tepla, které je dostupné ve velkých množstvích. Řeč je o tepelné energii, která je za běžných podmínek považována za odpad. Nachází se všude kolem nás. Skrývá ji nejen ohřátý vzduch z komínů průmyslových podniků, ale také z běžných klimatizací, administrativních budov, nákupních center, supermarketů a datacenter. Teplo umíme získat i z vody v čistírnách odpadních vod.

Slovenské domácnosti v roce 2021 spotřebovaly podle Statistického úřadu SR¹ 124 milionů GJ energie v podobě tepla a elektrické energie. Největší podíl, přes 40 %, měla energie ve formě zemního plynu (51,4 mil. GJ). Druhé nejpoužívanější palivo bylo dřevo a dřevní uhlí (28,7 mil. GJ). V případě obchodu a služeb, jakož i průmyslu hrála prim elektřina, zemní plyn byl druhou nejčastěji používanou komoditou.

Nejznečišťující² zdroje energie na bázi uhlí (černé a hnědé uhlí, uhelné brikety, uhelný koks) měly v energetické spotřebě domácností podíl 1,9 %, obchodu a služeb 5,1 % a v případě průmyslu až 8 %. Uhlí, jakož i jiná fosilní paliva, vznikaly pod zemí miliony let a ze své podstaty patří k neobnovitelným zdrojům energie. Při spálení uvolňují do ovzduší nadměrná množství skleníkových plynů, která jsou dominantně zodpovědná za globální oteplování .

Graf k nahlédnutí/vložení na web: https://public.flourish.studio/visualisation/14326553/ .

Údaje jsou výsledkem analýzy konečné energetické spotřeby, tj. přímé spotřeby paliv, elektřiny a tepla, ze které jsou vyňaty neenergetická spotřeba (například zemní plyn spotřebovaný v průmyslu na výrobu chemikálií) a spotřeba za účelem transformace na elektrickou energii a jiná paliva.

Z čeho jsme vycházeli

Při analýze jsme pracovali s datovými zdroji dvou celoevropských studií o množství nevyužívaného tepla z průmyslu, domácností a komerčních budov a zhodnotili jsme potenciál Slovenska nahradit fosilní paliva zbytkovým teplem.

První z nich je studie využitelnosti městského odpadního tepla v zemích unie pod hlavičkou projektu ReUseHeat³. Druhou je analýza zbytkového tepla z průmyslových areálů v Evropě vypracovaná v rámci projektu sEEnergies⁴.

Města jako tepelný zdroj (ReUseHeat³)

Městské zbytkové teplo pochází od sedmi hlavních skupin producentů. Patří sem datacentra, stanice metra, potravinářské podniky, supermarkety, administrativní budovy, rezidenční budovy a čistírny odpadních vod. Teplo je dostupné jako ohřátý vzduch z chladicích jednotek a odpadní teplá užitková voda. Jejich teplota se pohybuje od 10 až po více než 70 °C.

Celkový tepelný potenciál městského odpadního tepla na Slovensku je 9,9 milionu GJ. Autoři studie analyzovali 924 zdrojů odpadního tepla na území Slovenska, z čehož 645 se nacházelo v blízkosti městských topných sítí. Více než polovinu dostupného tepla (56 %) představují čistírny odpadních vod. Ze zbývajících zdrojů měli největší zastoupení datacentra (20 %) a supermarkety (17 %). Pokud by se braly v úvahu pouze zdroje v blízkosti topných sítí, energetický potenciál je na úrovni 8,5 milionu. GJ.

Teplo jako vedlejší produkt průmyslu (sEEnergies⁴)

V energeticky náročných průmyslových sektorech, například při výrobě oceli, cementu, skla, papíru nebo chemikálií, nevyhnutelně vznikají spaliny. Je to koncentrovaný odpadní proud horkých plynů, který je díky vysoké teplotě a nepřetržité dostupnosti atraktivním zdrojem tepla. Ve většině průmyslových továren se spaliny vypouštějí do okolí při teplotách nejméně 120 °C. V případě horšího technického stavu a absence účinné rekuperace tepla může teplota spalin přesáhnout až 300 °C.

Na Slovensku bylo posuzováno 18 největších podniků, například US Steel Košice, Duslo, Slovnaft, Mondi SCP nebo Považská cementáreň. Maximální energetický potenciál slovenského průmyslu na využití zbytkového tepla je 13,2 milionů GJ. Ten vychází z předpokladu nepoužívané rekuperace tepla přímo v podniku a maximálního využití tepelného obsahu spalin ochlazením až na 25 °C. V případě již existující a provozované rekuperace tepla a získání tepelného obsahu spalin pouze ochlazením na 95 °C, tj. jen jejich částečného využití, je dostupné zbytkové teplo na úrovni 3,5 milionu. GJ.

Jak využít zbytkového tepla?

Nejvýhodnější je využít identifikované zbytkové teplo přímo u zdroje, čímž se redukují zbytečné ztráty tepla do okolí při jeho transportu. Při „vrácení“ tepla do výrobního procesu dojde ke zvýšení energetické účinnosti procesu. Zbytkové teplo lze využít například i k vytápění ostatních prostor, například skladů nebo kanceláří. Druhou alternativou je vytápění přilehlých budov.

V případě vytápění musíme teplo rozdělit podle jeho teploty. Teplo dostupné při teplotě více než 55 °C lze ještě využít přímo. Pokud je jeho teplota nižší, pro jeho efektivní využití je třeba jej „zušlechtit“, tj. zvýšit jeho teplotu. Jednou z možností je využít tepelná čerpadla. V takovém případě je nutno zahrnout do výpočtů i elektrickou energii potřebnou pro chod čerpadla.

Dobrou zprávou je, že většina elektrické spotřeby se přemění na teplo, čímž ještě vzroste potenciál dodaného tepla. Doplňkem je kombinace tepelného čerpadla s kondenzací spalin. Zatímco tento proces není žádoucí při vypouštění spalin přes komín do okolí, v případě cíleného využití tepla ze spalin se kondenzace využívá běžně (kondenzační kotle).

Tři scénáře využití zbytkového tepla

S využitím předchozích informací ze dvou celoevropských studií a energetické spotřeby podle Statistického úřadu SR jsme porovnali slovenský potenciál využití zbytkového tepla s energetickou spotřebou slovenských domácností, průmyslu a obchodů a služeb.

Vytvořili jsme tři scénáře hloubky využití tepla. Scénář KONZERV* (7,0 mil. GJ) představuje konzervativní přístup, který počítá s nejmenší mírou využití tepla bez tepelných čerpadel. Scénář MEDIUM** (25,3 mil. GJ) rozšiřuje některé zdroje ze scénáře KONZERV i o ty, které vyžadují instalaci tepelných čerpadel. Poslední scénář SUPER*** (29,5 mil. GJ) zahrnuje všechny dostupné tepelné zdroje tepla a pracuje s nejvýhodnějšími podmínkami pro získávání zbytkového tepla.

KONZERV – Zbytkové teplo z měst a průmyslu dokáže v tomto scénáři pokrýt 2,2% současné konečné energetické spotřeby domácností, průmyslu a obchodů a služeb (323,9 mil. GJ). Maximálním využitím zbytkového tepla v odvětví obchodu a služeb lze nahradit více než 11 % konečné energetické spotřeby tohoto sektoru (59 mil. GJ). Rozdělením tohoto tepla mezi více odvětví by bylo možné například zcela nahradit spotřebu fosilního uhlí v domácnostech a v obchodě a službách (5,4 mil. GJ).

Graf k nahlédnutí/vložení na web: https://public.flourish.studio/visualisation/14485552/

MEDIUM – Při přesunu do rozšířeného scénáře MEDIUM lze zcela nahradit uhlí v konečné energetické spotřebě na Slovensku (16,6 mil. GJ). Tepelný potenciál v tomto scénáři představuje až 7,8 % konečné energetické spotřeby. Pokud by se veškeré teplo zužitkovalo v domácnostech, pokrylo by přibližně pětinu současné spotřeby.

Vysvětlivky:

* Scénář KONZERV počítá s využitím městského odpadního tepla v těsné blízkosti zdroje bez potřeby tepelného čerpadla a nezahrnuje teplo z čistíren odpadních vod, které je přítomno při teplotách nižších než 20 °C. Také uvažuje s excelentním stavem průmyslu a využitím tepelného obsahu spalin jen v oblasti vysokých teplot.

** Scénář MEDIUM zahrnuje všechny zdroje městského tepla v blízkosti topných sítí i se zapojením tepelných čerpadel. Pro průmyslové teplo uvažuje špatný stav rekuperace tepla a maximální využití tepelného obsahu spalin přímo na zdroji.

*** Scénář SUPER rozšiřuje tepelný potenciál io zdroje městského tepla, které nemají v blízkosti topné sítě ani jiných odběratelů tepla. V případě spalin z průmyslových procesů je zahrnuta i možnost distribuce tepla mimo samotný zdroj. Za tímto účelem se počítá se zapojením tepelných čerpadel pro využití tepelného obsahu spalin v oblasti nízkých teplot.

Graf k nahlédnutí/vložení na web: https://public.flourish.studio/visualisation/14485782/

SUPER – Tento scénář skrývá největší energetický potenciál. Současná spotřeba uhelných zdrojů je v něm pokryta téměř dvojnásobně. Tímto teplem by bylo teoreticky možné nahradit 85 % zemního plynu v průmyslu využitého pro konečnou energetickou spotřebu (34,8 mil. GJ). Ve scénáři SUPER by došlo k nahrazení více než 50 % energetické spotřeby obchodu a služeb, čímž by se výrazně snížila závislost Slovenska na fosilních palivech. Celkově lze pokrýt víc než 9 % konečné energetické spotřeby sledovaných odběratelů.

Graf k nahlédnutí/vložení na web: https://public.flourish.studio/visualisation/14485791/

Výhody využití zbytkového tepla

Pokud zdroj zbytkového tepla (provoz) využije teplo přímo u sebe, nedojde jen k poklesu spotřeby primárního paliva (např. uhlí), ale i k přímému nárůstu celkové energetické účinnosti. Oba tyto závěry podporují strategické cíle SR do příštích let⁵, a to zvýšit energetickou efektivnost a nahradit uhlí jinými, nízko-emisními a zdravotně méně závadnými zdroji energie.

Využíváním zbytkového tepla dojde i ke snížení vypouštěných emisí skleníkových plynů, a to díky nahrazení fosilních zdrojů energie. Přidruženou emisní zátěží městského a průmyslového tepla by byl způsob jejich „zušlechtění“ pro topné účely.

Tepelná čerpadla by měla být poháněna zelenou elektřinou z obnovitelných zdrojů energie. Nejvyšší spotřebu elektrické energie má scénář SUPER, a to 1,8 TWh elektrické energie, což představuje přibližně 6 % z hrubé výroby elektřiny na Slovensku¹ za rok 2021.

Přidanou hodnotou jsou i očekávané snížené náklady na vytápění, jelikož samotné zbytkové teplo je k dispozici zdarma. To by pomohlo až 8,2 % slovenských domácností, které jsou podle nejnovější studie Prognostického úřadu SAV⁶ vystaveny energetické chudobě. Týká se to zejména východního a jižního Slovenska. Vyšší index ohrožení mají i obce v Žilinském kraji. Rozdělení potenciálu zbytkového tepla ve scénáři SUPER po samosprávných krajích odhaluje, že nejvíce tepla je k dispozici právě v Košickém kraji. Následuje Bratislavský kraj a třetí nejvyšší tepelný potenciál má Žilinský kraj.

Graf k nahlédnutí/vložení na web: https://public.flourish.studio/visualisation/14530036/

Konečná cena bude záviset na vzdálenosti zdroje od odběratelů a požadované teplotě. Ve světě však existuje několik příkladů ekonomicky rentabilních aplikací. Nejefektivnější možností využití analyzovaného zbytkového tepla je jeho přímá spotřeba co nejblíže u zdroje. Využít jej lze i při výrobě teplé užitkové vody.

Limitujícím faktorem zbytkového tepla je jeho teplota. Ani nejmodernější technologie „zušlechťování“ tepla nedokážou zajistit tak vysoké teploty, jakých lze dosáhnout přímým spalováním paliva v kotli. Pro pokrytí spotřeby tepla při vysoké teplotě je vhodnou alternativou zužitkovat jinou surovinu běžně považovanou za dále nepoužitelnou, a to nerecyklovatelný odpad v zařízeních pro energetické využití odpadu. Při roční produkci jednoho milionu tun nerecyklovatelného odpadu⁷lze získat v závislosti na jeho výhřevnosti dodatečně od 6,5 až po 15 milionů GJ tepelné energie.

Ukázky úspěšné integrace zbytkového tepla

Jednou z možností je smart plánování míst. V německém Frankfurtu je rozjeto několik projektů na využívání odpadního tepla z datacenter pro domácnosti a administrativní budovy. Teplo z datových center by mohlo do roku 2030 pokrývat celkovou poptávku domácností a kanceláří⁸.

V podobném duchu uzavřely loni smlouvu o kooperaci finská energetická společnost Fortum a Microsoft. Teplo generované dvěma novými datovými centry, které Microsoft buduje v Helsinkách, využije Fortum k vytápění domácností a kanceláří v sousedním městě Espoo⁹.

V dánském městě Horuphav zrekonstruovali v roce 2015 supermarket po požáru tak, že zbytkové teplo z chladicího systému pokrývá nejen většinu spotřeby tepla samotného obchodu, ale část tepla je prodávána místní teplárně¹⁰.

Instalaci tepelných čerpadel pro využití tepla z odpadních vod plánují v německém Hamburku. V roce 2025 by mohla čtyři velká tepelná čerpadla zásobovat teplem 39 000 domácností¹¹.

Vizualizace instalace tepelného čerpadla Johnson Controls na ČOV v Hamburku ¹¹

Také chemický gigant BASF plánuje zapojit tepelné čerpadlo k využití zbytkového tepla v komplexu v Ludwigshafenu. Na chod využijí elektřinu z obnovitelných zdrojů¹².

Úspěšnou instalaci tepelných čerpadel má za sebou kogenerační jednotka v dánském městě Bjerringbro. Využitím kondenzace spalin spolu s tepelnými čerpadly v ní dokázaly ochladit spaliny až na teplotu 15 °C a ohřívat vodu pro lokální síť centrálního zásobování teplem¹³.

Zbytkové městské teplo lze integrovat i netradičně. Ukázkou je farma na humři v blízkosti norského města Stavanger. Místní datové centrum využívá ledovou mořskou vodu z nedalekých fjordů. Oteplenou vodu vypouští při teplotě 20 °C, která je vhodná právě pro chov humrů. Kombinací vhodného zdroje a odběratele tak vznikl inovativní byznys model¹⁴.

_____

Analýzu pro agenturu GreenTalk, se kterou tento portál Zajímej se spolupracuje, vypracoval Ing. Jan Janošovský, PhD. V případě zájmu o více informací neváhejte kontaktovat: Daniel Rabina

GreenTalk je komunikační a PR agentura, která se zaměřuje na průmyslové a B2B témata. Od roku 2017 pracuje pro klienty z oblastí odpadového hospodářství, geotermální energetiky, teplárenství, investičního bankovnictví, komerčních realit, private equity či facility managementu. Agentura se věnuje i problematice ESG a jejího významu pro slovenské podnikatelské prostředí.