Energie zabudovaná v solárních termických kolektorech

Příspěvek se zabývá hodnocením solárních systémů z pohledu zabudované energie. Autorka porovnává několik typů solárních kolektorů a porovnává množství materiálů, které jsou v kolektorech použity. Následně určuje množství energie, které bylo na výrobu materiálů potřeba. Do hodnocení není započítávána energie potřebná pro výrobu kolektorů a dopravu. Výsledky výpočtů ukazují na relativně krátkou návratnost solárních kolektorů z pohledu zabudované energie.

Recenzent: Michal Kabrhel

Příspěvek se zabývá energií zabudovanou v solárních termických kolektorech a jejím vlivem na celkovou energetickou návratnost, což je doba, za kterou se vrátí energie vložená do výroby všech prvků soustavy. Zjištění skutečné návratnosti naráží na celou řadu problémů. Jednou z hlavních překážek je nedostatek údajů o energii zabudované v samotných kolektorech. Jaký je rozdíl mezi pěti konkrétními solárními kolektory a zda má nějaký zásadnější vliv zvolený typ kolektoru na energetickou návratnost, se pokusí odpovědět následující článek.

1. Úvod

Množství instalovaných solárních soustav na celém světě neustále roste. Největší nárůst v posledních letech je zejména v Číně, kde je instalováno přes 80 % všech solárních soustav na světě. V Evropě je nejvíce soustav v sousedním Německu. V České republice je ve srovnání s některými okolními zeměmi těchto instalací stále málo, a proto se dá očekávat, že počty solárních termických kolektorů budou nadále narůstat. Protože tento typ energie bude pravděpodobně stále běžnější, je dobré se zabývat jeho celkovými přínosy. Na významu tak nabývá otázka, za jak dlouho se vrátí zabudovaná energie při započítání energie na provoz soustavy a skutečně využitelných zisků ze slunce.

2. Analýza materiálů

Pokud chceme zjistit skutečnou energetickou výhodnost solární soustavy, je nutné mít data o zabudovaných energiích v soustavě. Energetická náročnost výroby jednotlivých materiálů je zmapovaná, avšak získat informace o konkrétních výrobcích, jako je např. solární kolektor, je problematičtější. Pro získání těchto údajů bylo rozebráno pět konkrétních výrobků a jednotlivé části byly zváženy. Množství energie [MJ] pro jednotlivé materiály bylo určeno na základě publikace z University of Bath [4]. Pro jistotu, při zařazení do správné kategorie, byly dále vzorky materiálů podrobeny pyknometrické zkoušce (jednoduchá zkouška, která vychází z Archimédova zákona) a byly tak určeny hustoty materiálů. Ukázka průběhu rozebírání solárních kolektorů je vidět na obr. 1.

Analýza byla provedena pro pět kolektorů od čtyř různých výrobců: tři ploché a dva vakuové trubicové. První dva ploché kolektory mají velice podobnou konstrukci: hliníkový absorbér, rám i zadní kryt kolektoru. Třetí plochý kolektor je netypický použitými materiály: rám ze sklolaminátu, měděný absorbér a pozinkovaný plech jako zadní kryt. Vakuové trubicové kolektory mají měděný absorbér a větší množství plastových prvků.

Křivky účinnosti těchto výrobků jsou vidět na obr. 2. a byly sestaveny na základě rovnice:

kde:

• h₀ je účinnost [–]
• a₁ – lineární součinitel tepelné ztráty kolektoru [W·m^–2·K^–1]
• a₂ – kvadratický součinitel tepelné ztráty kolektoru [W·m^–2·K^–2]
• G – ozáření solárního kolektoru 1000 [W·m^–2]

Dosazované hodnoty vycházejí z dostupných podkladů výrobců [5], [6], [7], [8] a jsou shrnuty v tab. 1. V analýze není zahrnuta doprava a skutečná spotřeba ve výrobně kolektorů, po zahrnutí i těchto vlivů by se skutečná doba návratnosti ještě zvýšila.

3. Zabudovaná energie v částech kolektoru

Na následujících obrázcích je vidět porovnání mezi hmotností jednotlivých prvků a zabudovanou energií v mate­riálech použitých pro výrobu kolektoru. Na obr. 3 je ukázáno rozdělení kolektorů podle hmotnosti. Trubicový kolektor 01 je po přepočtu na plochu absorbéru nejtěžší. Nejvýznamnějším materiálem je v těchto případech sklo. Celková hmotnost kolektoru má také význam pro energii, která je nutná pro dopravu kolektoru.

Pokud se podíváme na zabudovanou energii na obr. 4, jsou první dva ploché kolektory srovnatelné s prvním vakuovým kolektorem. Zbylé dva kolektory mají o třetinu menší množství vložené energie. Hlavním důvodem náročnosti prvních dvou kolektorů je velké množství použitého hliníku.

Na obr. 5 je pak podrobný přehled v zastoupení materiálů na zabudované energii u jednotlivých kolektorů.

4. Porovnání zabudované energie v celé soustavě

Pokud chceme vědět jaký význam má vyšší množství zabudované energie v kolektoru, je nutné se zabývat také účinností a celkovým vyhodnocením solární soustavy. Je vůbec konkrétní typ v celkovém hodnocení soustavy významný? Pro odpověď na tuto otázku byla provedena analýza celé solární soustavy, která by mohla být instalována např. na bytovém domě s 60 obyvateli. Vstupní údaje k této analýze jsou vidět v tab. 1. Schéma soustavy je pro ilustraci uvedeno na obr. 6.

Aby bylo jasné, jaký vliv má konkrétní typ kolektoru, je nutné porovnávat srovnatelné soustavy. V prvním případě byly vyhodnoceny soustavy tak, aby měly přibližně stejnou plochu apertury solárních kolektorů, jak je vidět na obr. 7. V tomto případě vychází, že první dva kolektory mají více než dvojnásobné množství zabudované energie než oba trubicové kolektory. Z obrázku je také patrné, že jednoznačně největší vliv na celkové množství zabudované energie mají samotné kolektory. Akumulační nádrž a ostatní prvky soustavy jsou mnohem méně významné.

Obr. 7 • Porovnání solárních systémů s plochou apertury 60 m²

Druhý případ na obr. 8 porovnává soustavy podle solárního pokrytí, tak aby navržené soustavy pokryly přibližně 40 % celkové spotřeby v budově pomocí solárního systému. Tento příklad více odpovídá návrhovému postupu v praxi. Na obr. 8 je vidět, že nejvýhodněji vychází trubicový kolektor 02, avšak příliš se neliší od třetího plochého kolektoru.

5. Porovnání energetické návratnosti celého systému

Pro lepší názornost vlivu použitého kolektoru byla vypočítána celková energetická návratnost celého systému pro všech pět typů kolektorů. Energetická doba návratnosti je doba, po kterou je nutné provozovat solární soustavu, aby se v budově využilo stejné množství energie, jaké bylo vloženo do výroby všech komponentů soustavy.

Celková doba návratnosti zabudované energie se spočítá takto:

kde:

• E_em je zabudovaná energie soustavy (embodied energy) [kWh]
• E_c – skutečně využitá energie ze solárních kolektorů za rok [kWh·a^–1]
• E_op – množství energie potřebné na provoz soustavy za rok (provoz oběhových čerpadel) [kWh·a^–1]

Výsledek tohoto výpočtu, který byl proveden kalkulačním nástrojem s hodinovým krokem výpočtu, znázorňuje obr. 9. Je vidět, že doba energetické návratnosti soustav s vakuovými kolektory je výrazně nižší než u soustav s plochými kolektory. Energie získaná při provozu soustavy se vrátí nejdříve za 1,7 let v případě vakuového trubicového kolektoru 02 a nejpozději za 4,27 let u plochého kolektoru 01.

6. Závěr

Článek se zabýval vyhodnocením zabudované energie v solárních termických kolektorech a následným porovnáním kolektorů podle doby energetické návratnosti celé soustavy. Výsledky analýzy ukazují, že zabudovaná energie v solárních kolektorech je klíčová v celkovém přínosu soustavy. Celková doba návratnosti posuzovaných systémů se pohybuje od 1,7 let do 4,27 a jednoznačně lépe dopadají soustavy s vakuovými trubicovými kolektory. Vzhledem k tomu, že v energeticky nulových domech klesá spotřeba provozní energie na minimum, narůstá zde důležitost posouzení i celkové energetické výhodnosti celého systému a jakým bude skutečně přínosem.

Poděkování

Tato práce byla podpořena grantem Studentské grantové soutěže ČVUT č. SGS12/010/OHK1/1T/11.

Literatura

1. MATUŠKA, T. Solární tepelné soustavy. ­Sešit projektanta 1. STP Praha, 2009. 194 s. ISBN 978-80-02-02186-5.
2. EICKER, U. Solar Technologies for Buildings. Wiley, Chichester, 2003.
3. CIHELKA, J. Solární tepelná technika. Nakladatelství T. Malina, Praha, 1994.
4. HAMMOND G., JONES C., Inventory of carbon and energy (ICE) [online]. http://www.bath.ac.uk/mech-eng/research/sert/
5. Podklady výrobce [online]. http://www.junkers.cz
6. Podklady výrobce [online]. http:// www.geminox.cz
7. Podklady výrobce [online]. http:// www.regulus.cz
8. Podklady výrobce [online]. http:// www.daikin.cz
9. NEZDAROVÁ, P., FROLÍK, S.: Energy Payback Time as an Optimization Parameter for Swimming Pool Solar Systems. ISES Solar World Congress 2011 Proceedings [CD-ROM]. s. 16–22.
   ISBN 978-3-9814659-0-7.

---

Energy embodied in solar thermal collectors

Production of solar collector itself requires energy. The authors discuss determining the amount of energy required to produce the materials for collectors. Compared are different types of collectors.

Keywords: embodied energy, solar thermal collectors, renewable energy