Možnosti vývoje teplárenství v dlouhodobém výhledu (Energetika 12/2001)

Josef VLACH

V souvislosti s vývojem energetiky a s probíhajícími změnami je  třeba se pokusit o analýzu možného vývoje teplárenství v dlouhodobém výhledu a v podmínkách ČR. Musíme vycházet z toho, že teplo je životní nezbytností, tvoří podstatnou část energetické bilance, a proto způsoby jeho opatřování nutně a významně ovlivňují energetickou politiku státu.

Otázky zásobování teplem je nutné řešit společně s otázkami zásobování elektřinou. Oba procesy jsou propojeny na straně výroby (kombinovaná výroba elektřiny a tepla - KVET) i na straně spotřeby (elektřina může sloužit k zásobování teplem, ať už sama nebo v kombinaci s tepelnou energií nebo jako záskokový zdroj při výpadku tepelných systémů k zásobování teplem).

Zásobování teplem je možné řešit decentralizovaně (jako individuální nebo skupinové) nebo centralizovaně, z větších soustředěných zdrojů tepla s využitím tepelných sítí (CZT). Teplárenství je pak kombinace centralizovaného zásobování teplem a KVET.

Kombinovaná výroba (KVET), která přináší velké úspory paliva (energie), je dnes všeobecně uznávaným a oceňovaným principem, který se uplatňuje i u systémů menších a decentralizovaných. Vznikají tak malé teplárny až individuální mikrozařízení teplárenského typu s výkonem v řádu jednotek kWe. Otázkou je, kdy volit velké a kdy tzv. malé teplárenství. Velké teplárenské soustavy mají tyto výhody:

V mnoha případech lze při použití některých (zvláště tuhých) paliv dosáhnout vyšší účinnosti tepelných zdrojů než u zařízení malých, zejména je však u nich možné použít bez negativních dopadů na životní prostředí i paliva horší kvality (tedy levnější) a také energetické zdroje, které v decentralizovaných zařízeních vůbec použít nelze.

Ekonomie zásobovací soustavy je příznivě ovlivněna možností využít levnější paliva při vyšší účinnosti a také tím, že v důsledku nesoudobosti maximální potřeby tepla a soustředění výkonu se zmenšuje nutná rezerva. Vystačí se tedy s instalovaným výkonem menším, než je součet ekvivalentních decentralizovaných zařízení. Rovněž provozní režim i řízení provozu mohou být z hlediska průběhu elektrického výkonu účelnější.

Naproti tomu centralizované soustavy potřebují nákladné tepelné sítě a nepříznivě působí i jejich tepelné ztráty.

Z hlediska ochrany životního prostředí je centralizované zásobování teplem výrazně lepší než plošně rozptýlené malé zdroje znečišťující ovzduší, a to i při použití horších paliv.

U centralizovaných systémů lze také snáze zvládnout případnou změnu paliva nebo používaných energetických zdrojů.

Právě náklady na tepelné sítě byly důvodem postupného růstu počtu malých (blokových) tepláren, vybavených spalovacími motory nebo malými plynovými turbínami, které mají nižší účinnost než motory, ale mají jiné výhody, např. levnější servis. Výhodou těchto tepláren je dostatečně vysoká účinnost a možné vysoké celkové využití energie paliva - asi 80 % a více při jmenovitých podmínkách (záleží na využití jejich tepelného výkonu v průběhu roku, které určuje průměrnou roční hodnotu). U malých zdrojů odpadá také riziko velkých investičních nákladů do rozsáhlých soustav a lépe vyhovují snahám o co nejrychlejší návratnost investic. Zdá se však, že vrchol zájmu o tyto teplárny např. v Německu je již překonán (počet nových instalací klesá).

Rozvoj malých tepláren a individuálních zařízení s kombinovanou výrobou umožnilo zavedení zemního plynu. Ten je rovněž zdrojem energie pro palivové články, jejichž elektrická účinnost je přibližně 35 až 65 % (vysokoteplotní SOFC) a celkový stupeň využití tepla) dosahuje až 85 % i  více. Byly také postaveny blokové teplárny o výkonu 200 kWe>200kWt, v poslední době se však pozornost v Německu, ve Francii i jinde upírá především k malým palivovým článkům pro individuální použití v rodinných domcích apod., které mají elektrický výkon 1 až 2 kWe a tepelný výkon 3 až 5 kWt. Ty se ve velkém počtu testují v Německu, ve Francii a v dalších zemích. Na jejich ověřování se podílejí i velké elektrárenské společnosti, např. firma Sulzer Hexis (dceřiná společnost firmy Sulzer) zkouší typ s výkonem 1 kWe 3 kWt (v případě potřeby se spustí tepelný agregát o výkonu 22 kWt) s vysokoteplotními články SOFC. Jiné malé palivové články s polymerovou membránou nebo články typu PAFC (pro agregáty 200 kWe) jsou určeny pro teplotu 80 až 90 °C. Spekuluje se také o virtuálních elektrárnách, tvořených velkým počtem takových malých zařízení, a o způsobech, jak je řídit. Záložní výkon má ovšem tvořit elektrická síť, stejně jako u jiných rozptýlených decentralizovaných zařízení. To by však vyžadovalo, aby v síti byly dostatečně velké elektrárny. Záložní tepelný výkon by měly dávat plynové kotle.

Je třeba brát v úvahu tyto skutečnosti:

Palivové články jsou závislé na zemním plynu, možnost použití jiných paliv s bohatým obsahem vodíku je teprve ve vývoji. Z hlediska skleníkového efektu neznamenají palivové články žádný přínos - emise CO2 jsou značné ( u agregátu 100 kWe se udává 440 kg CO2/MWhe a u agregátů 1 MW<350 kg CO2/MWhe).

Dnes jsou palivové články mnohonásobně dražší (15 000 DEM/kW) než jiné tepelné zdroje využívající zemní plyn. S rozvojem jejich hromadné výroby by jejich cena klesala. Je však otázkou, do jaké míry je možné tento poměr snížit, popř. kde leží dosažitelná hranice ceny palivových článků.

K technologiím bez emisí CO2 patří pouze

• jaderné štěpení;
• jaderná fúze; ta je však stále ještě ve stadiu základního výzkumu a dobu, kdy bude dosaženo její praktické využitelnosti, nelze dnes s dostatečnou jistotou odhadnout;
• solární technika; takové využití sluneční energie, aby mohla vzhledem k časovému průběhu slunečního svitu krýt významnou část koncentrované potřeby energie, je ještě velmi vzdálené;
• biomasa - zdroj odvozený ze sluneční energie; při jejím spalování se sice emituje CO2, ale z hlediska bilance CO2 je její využití neutrální.

Energetickou politiku státu, a tedy i zásady zásobování teplem ovlivňují tři faktory:

• disponibilní energetické zdroje,
• ekonomie,
• ekologie,

které jsou vzájemně propojeny různými vztahy. Například silná ekonomika si může dovolit dovážet kvalitní a drahá paliva nebo energii, a nahradit tak chybějící domácí energetické zdroje.

V dlouhodobém výhledu je nutné vycházet především z toho, jaké energetické zdroje budou k dispozici. U nás to po dotěžení zásob uhlí, tj. za 30 až 40 let, budou obnovitelné zdroje a jaderná energie a alternativní možností bude dovoz paliv a energie.

Obnovitelné zdroje mohou pokrýt jen část energetické potřeby, i když se jejich podíl postupně zvětšuje. Další možností jsou úspory energie, avšak jejich potenciál je limitovaný.

To vše potvrzuje známou skutečnost, že se nebudeme moci obejít bez jaderné energie, která ve srovnání např. s dovozem, zatíženým nejen ekonomickými dopady, ale také jistou mírou rizik, představuje dlouhodobě spolehlivý energetický zdroj. Pro zavedení množivých reaktorů je ještě dost času a vzhledem k již dosaženým výsledkům a ověřeným postupům lze očekávat, že v té době bude provozně vyřešena otázka likvidace jaderných opadů.

Uvedené skutečnosti samozřejmě ovlivňují i vyhlídky teplárenství. Jeho situace není v době přebytku elektrických výkonů v řadě zemí nijak zvlášť příznivá, a proto může být zajímavý pohled do vzdálenější budoucnosti. Teplárenství se opírá o fyzikální skutečnosti a některé technické možnosti, což představuje trvalé výhody.

K fyzikálním skutečnostem patří

• úspora energie (paliva) dosažitelná kombinovanou výrobou (KVET);
• ekologická výhodnost - snížení množství emisí v důsledku úspory paliva a centralizace tepelných zdrojů.

Z technických možností uveďme

• použitelnost horších a levnějších paliv nebo energetických zdrojů;
• snížení instalovaných výkonů vlivem nesoudobosti maxima zatížení u jednotlivých odběratelů a soustředění záložního výkonu;
• lepší technické i ekonomické předpoklady pro čištění spalin a jejich rozptyl.

Malé decentralizované zdroje s KVET dosahují při použití zemního plynu téže účinnosti jako velké zdroje a navíc u nich odpadají tepelné sítě (nebo jsou kratší). Po stránce ekologické jsou ale méně vhodné. V současné době se u větších zdrojů může plně uplatnit levnější hnědé uhlí, aniž by to poškozovalo životní prostředí v zásobované lokalitě. To se naopak může oproti stavu při decentralizovaném zásobování výrazně zlepšit. Po dožití našich uhelných zásob by se mohlo uplatnit dovážené (ovšem dražší) uhlí.

Řada menších soustav a decentralizovaných zdrojů používá zemní plyn, u kterého je nutné - vzhledem k velké poptávce po tomto kvalitním palivu a rovněž s přihlédnutím k postupnému ubývání jeho světových zásob (zemní plyn se vyčerpá podstatně dříve než uhlí) - počítat s dalším růstem jeho cen. Například za 12 měsíců (od podzimu 1999 do podzimu 2000) se cena zemního plynu dováženého do Německa zvýšila o 82,5 %. Je tedy zřejmé, že dovoz paliv - zejména pokud by se mělo dovážet všechno palivo - by neúměrně zatěžoval ekonomiku státu. Zde se ovšem může plně projevit schopnost teplárenství využívat i takové energetické zdroje, které by jinak použitelné nebyly. Jde především o jadernou energii. Jestliže se ČR neobejde bez jaderných elektráren, bude možné z nich vyvádět velké tepelné výkony. Je známo, že odběrem tepla (tj. vlastně v kombinovaném cyklu) lze za úbytek 1 MWe elektrického výkonu vyvést z elektrárny asi 6 MWt tepelného výkonu. V principu jde tedy o využití tepla, které by se jinak ztrácelo a bylo by je nutné nákladně mařit v chladicím okruhu.

Z ostatních zdrojů přicházejí v úvahu teplárny na spalování biomasy a spalovny odpadů. Z řady příčin (např. vlivu nákladů na svoz paliva) by však byl výkon takových tepláren jak podle jednotkových velikostí, tak i v celkové bilanci menší a mohly by mít spíše jen místní význam.  

Jaderné elektrárny by však mohly zásobovat oblasti s velkými aglomeracemi. Aby bylo možné využít výkon, který by byl k dispozici, byla by nutná doprava tepla na velké vzdálenosti, popř. i za použití aditiv, zmírňujících hydraulické ztráty třením. Například napáječ Mělník - Praha (Jižní Město) je dostatečným důkazem možnosti ekonomicky přenášet velké tepelné výkony na značné vzdálenosti (50 km a více) i bez tohoto prostředku. Tyto vzdálenosti zřejmě bude možné v dlouhodobé perspektivě ještě prodloužit. Z technického hlediska není problém dopravovat teplo i na vzdálenost 100 km.

Dodávka tepla z jaderných elektráren není žádnou novinkou, uskutečňuje se již od začátku 80. let ve Švýcarsku (které má sedm jaderných elektráren a vůbec neuvažuje o časovém omezení jejich provozu). Od roku 1987 dodává jaderná elektrárna Jaslovské Bohunice teplo do Trnavy a od roku 1997 do Hlohovce a do Leopoldova. Orientační úvahy ukazují, že jaderné elektrárny by mohly v dlouhodobé perspektivě, tj. v době vyčerpání našich uhelných zásob, pokrývat asi 40 až 45 % celkové spotřeby tepla, obnovitelné zdroje (biomasa, spalitelné odpady a ostatní) asi 17 až 22 % a tepelná čerpadla s elektrickým pohonem (elektrickou energií z jaderných elektráren) asi 5 až 8 %. Je zřejmé, že by bylo nutné ve značné míře využívat i zemní plyn, dodávka tepla z jaderných elektráren by však značně ulehčila situaci.

V souladu s dřívějším konstatováním by samozřejmě bylo třeba pro úspory energie využívat zemní plyn pokud možno v systémech KVET.

Protože jak jadernou energii, tak také biomasu (s výjimkou dřeva), odpady aj. by bylo možné spalovat jen centralizovaně ve větších a velkých zařízeních, je zřejmé, že teplárenství bude mít nejen své oprávnění, ale také velmi významnou úlohu.

I když velké soustavy s rozlehlými sítěmi umožňují dispečerským řízením do značné míry zvládat i výkyvy tepelné potřeby, z ekonomických důvodů by bylo potřebné, aby jaderné elektrárny kryly především základní, celoroční potřebu tepla. Proto bude nutná spolupráce jiných zdrojů nebo jiných tepláren na fosilní paliva.

Tento výhled ukazuje důležitost nejen zachování, ale také rozvoje nynějších soustav ve městech i v jiných lokalitách, neboť vyvedení velkých výkonů z jaderných elektráren vyžaduje, aby byl dostatečně připraven systém spotřeby tepla.

Závěr

1. Teplárenství a KVET mají a nadále budou mít velký význam pro úspory paliva, pro využití levnějších paliv a energetických zdrojů nižší hodnoty i pro ochranu a zlepšování životního prostředí.

2. je nutné vážně počítat s využitím tepla z jaderných elektráren a připravovat pro to podmínky v územních plánech.

3. Je třeba se zabývat problémy dálkové dopravy tepla a dlouhodobější akumulace tepla a řízením velkých teplárenských soustav  s dopravou tepla na velké vzdálenosti.

Literatura

[1] KOMÁREK, A.: Udržitelný rozvoj jaderné energetiky, Nucleon, zvláštní číslo, ÚJV Řež, 1999.
[2] VLACH, J: Využití tepla z jaderných elektráren, Ústav jaderných informací, 1999.
[3] TOMEK, J: Využívanie atómovej elektrárne Jaslovské Bohunice na centralizované zásobovanie teplom,        Energetika, 50, 2000, č. 12, s. 410.
[4] HRON, M., MIKISEK, M., MAREK, T.: Jaderné spalování jaderného odpadu, Energetika, 50, 2000, č. 11, s. 373.
[5] VLACH, J.: Možná změna způsobu vytápění obytných místností, Energie a peníze, 2001, č. 2, s. 44.
[6] VLACH, J.: Kodex teplárenství, Pražská teplárenská, 1996.
[7] Miniteplárny s palivovými články, Energetika, 51/2001, č. 10, s. 332 (podle Siemens Power Journal 2001, č. 8, s.3).

(Převzato z časopisu Energetika 12/2001)