Tepelné nebo fotovoltaické solární soustavy?

obnovitelné zdroje energie

Rozvoj fotovoltaické (FV) výroby elektřiny, respektive zdokonalování FV panelů, ale i pokles jejich cen, doprovázené technickým pokrokem na straně ostatních součástí FV elektráren, umožňuje zvažovat a v praxi aplikovat netradiční způsoby výroby tepla.

Výrobu tepla nezávislou na síti představila v časopise SHT 5/2014 firma EBITSCH­energietechnik GmbH.

Základem realizovaného zařízení je střešní FV elektrárna. Vyrobenou elektřinu využívá tepelné čerpadlo (TČ) voda-voda. Teplo z venkovního vzduchu získává ve výměníku vzduch-voda, jehož činnost podporuje ventilátor a ukládá je do velkokapacitního sezonního zásobníku 2Max, který je členěn na dvě komory s různou teplotní úrovní a s vestavbou pro vrstvené nabíjení.

Obr. 1 •: Fototermie pro vytápění. Základní součásti jsou FV elektrárna, TČ voda-voda, venkovní jednotka s výměníkem vzduch-voda, velkoobjemový dvoukomorový zásobník s vrstveným ukládáním, velkoplošné vytápění – chlazení. Vzhledem k přepínatelnosti nabíjení komor zásobníku a velkým teplosměnným plochám lze chladnější komoru výhodně využít v létě k chlazení prostředí v domě. Přepínání na základě vyhodnocení efektivity zajistí vícecestný ventil.

TČ může být, vzhledem k napojenému zásobníku, provozováno v energeticky nejvýhodnější době. Při získávání tepla z venkovního vzduchu tehdy, kdy je během dne, ale i delšího období, vyšší teplota venkovního vzduchu. Typicky odpadá noční provoz, kdy je teplota vzduchu vždy nižší. V noci FV elektrárna navíc elektřinu nevyrábí, takže nejde o nevýhodu.

Rozdělení zásobníku na dvě komory umožňuje jeho provoz v rozdílných teplotních poměrech. Komora s vyšší teplotou je primárně určena pro vytápění, s nižší teplotou pro ukládání tepla z venkovního vzduchu. V případě odběru tepla a poklesu teploty v teplejší části zásobníku pod požadovanou hodnotu, TČ do ní doplní teplo ze studenější části zásobníku. Protože provoz TČ při získávání tepla ze vzduchu na straně vody nepožaduje teplotu na úrovni pro vytápění, ale nižší, a přečerpávání tepla mezi komorami zásobníku je rovněž teplotně příznivější, pracuje TČ s topným faktorem trvale přes 5.

TČ je integrováno ve Photothermie-Converteru, který současně řídí činnost celého systému. TČ spotřebovává jen FV vyrobenou elektřinu. Pro splnění má proto TČ plynule modulovaný výkon. Zařízení tak může být provozováno bez napojení na elektrickou síť.

Obr. 2 • Zásobník 2Max

Zásobník 2Max je zhotoven ze skelného laminátu, příčné rozměry jsou 2,55 × 2,55 metru a délka 3,05 (objem 10 m³) až 13,05 metru (objem 52,3 m³). Z výroby již je opatřen tepelnou izolací vodotěsně uzavřenou do dvojité stěny. Izolace je provedena bez tepelných mostů z PU pěny tloušťky 200 mm a koeficient přestupu tepla U je pod hranicí 0,12 W·m^–2·K^–1. Do nástavce na boku se instalují připojovací potrubí, armatury, deskové výměníky aj. dle účelu použití a navrženého schématu. Zásobník může být instalován jak v objektu, tak v zemi.

Pozn.: Za článkem, z něhož jsem do předchozího textu vybral technické údaje, a vypustil tvrzení o výhodnosti tohoto systému ve srovnání se solární soustavou pracující s tepelnými kolektory, aniž by daná tvrzení byla číselně dokládána, následoval komentář Dr. Rolfa Meißna ze společnosti Ritter XL Solar GmbH, který reagoval zejména na údajné nedostatky a nevýhodnost tepelné solární soustavy.

Fotovoltaické zařízení vyrobí, ať již v létě, nebo v zimě jen čtvrtinu až třetinu toho, co velmi dobré tepelné solární zařízení. Mnohá tepelná solární zařízení na nízké úrovni nevyrobí v zimě nic, ale tuto skutečnost nelze zevšeobecňovat.

Pokud v létě není poptávka po teple, pak termická zařízení procházejí stagnačním stavem. Podobně i fotovoltaické zařízení k výrobě tepla bez napojení na elektrickou síť by musela přejít do stagnace.

Co se týká zásobníku, tak fotovoltaické zařízení s TČ, vzhledem k zřejmé nižší teplotě uloženého tepla, potřebuje asi 4krát větší vodní zásobník než zařízení termické. Pláštěm plně nabitého zásobníku s objemem 10 m³ bude unikat cca 600 až 700 wattů tepla. Tedy asi tolik, kolik vyrobí 5 m² FV kolektorů při intenzitě slunečního záření 1000 W·m^–2, respektive 12 m² při střední intenzitě 400 W·m^–2, a tato plocha by sloužila jen k pokrytí tepelných ztrát plně nabitého zásobníku. Protože tepelné ztráty nevznikají jen za slunečního svitu, ale i v noci, FV plocha ke kompenzaci tepelných ztrát by musela být větší, 30 až 40 m².

V průběhu roku může zásobník ztratit až 6 MWh, a to odpovídá zisku z 60 m² FV plochy. Takový zásobník lze označit za ničitele energie, a to platí nejen pro FV, ale i tepelná zařízení.

Pro tepelná solární zařízení, a zvláště pro jejich kombinaci s jinými zdroji tepla, by byl takový zásobník povozně velmi negativní. Podobně i s FV zařízením bude plně nabit jen po kratší dobu v létě a pro zbytek roku bude nadbytečně velký.

Nevýhoda stagnačních stavů tepelných solárních soustav existuje, ze­jména u zastaralých konstrukcí. Jsou však například i soustavy pracující jen s vodou, nikoliv se směsí glykol-voda, a pro ně je stagnace a vznik páry běžným provozním stavem a nepředstavuje žádný problém.

FV výroba elektřiny dosud těží z politické podpory a náklady na její přenos, vyrovnání výkonu, akumulaci, nesou všichni odběratelé bez rozdílu. Solární výroba tepla takovou podporu nemá a tepelná solární zařízení musela být vždy dodávána jako komplet, do kterého samozřejmě patří i zásobník.

Stejné množství tepelné energie lze s tepelným solárním zařízením získat s výrazně levnější investicí.

Pozn.: Sledování diskuze s odstupem má výhodu, že se čtenář může soustředit na podstatné a nevěnovat až tak velkou pozornost úsekům textu, které jsou spíše podbarveny předchozí zkušeností diskutujících, jejich technickým zaměřením, politickým názorem. Soustřeďme se dále především na čísla, reálné výsledky, jak ve své reakci na názory Dr. Meißmera navázal Horst Ebitsch za společnost EBITSCHenergietechnik GmbH.

V posledních 25 letech jsme instalovali více než 2500 solárních zařízení a všechna stále bezvadně pracují. V žádném z nich jsme nepoužili špatné kolektory, nýbrž kvalitní výrobky výhradně renomovaných německých výrobců. Nejsme teoretiky, nýbrž nabízíme měření na reálných zařízeních v reálných podmínkách.

V zimním období 2011/2012 jsme porovnávali více FV a tepelných solárních zařízení. Na nejrůznějších střešních zařízeních a v různých oblastech jsme instalovali měřicí techniku. Potvrdilo se to, co říká Dr. Meißner, a co jsme též předpokládali, že metr čtverečný tepelného kolektoru získá více energie než fotovoltaického.

Z tohoto důvodu jsme vyvinuli ­Photothermie-Converter. Jedná se v principu o modulované tepelné čerpadlo voda-voda, které je přes náš vícecestný ventil spojeno s dvěma komorami zásobníku tepla. Tím jsme dosáhli stavu, kdy tepelné čerpadlo pro transformaci tepla na vyšší teplotu potřebuje méně než 20 % výsledné energie.

Photothermie-Converter je propojen s měničem napětí z fotovoltaické části a reguluje svůj výkon podle dostupného množství elektřiny. Zařízení běží, pokud je dostupný výkon zhruba od 600 W. Tohoto výkonu dosahujeme s 30 m² FV panelů při intenzitě záření okolo 100 W·m^–2, při absolutně difuzním záření a například i při –20 °C.

Obr. 3 • Přepínání toku vícecestným ventilem je jedním ze základních předpokladů efektivního provozu

Vícecestný ventil a vestavba podporující teplotní vrstvení v zásobníku snižují potřebu zvýšení teploty až na pouhých 5 kelvinů. Za těchto provozních podmínek pracuje ­Photothermie-Converter s tepelným faktorem 6 až 8. Přitom, i při topném faktoru 2,8, by bylo toto řešení lepší, než nabízí tepelné kolektory. FV panely, vzhledem k jejich sklonu 30 %, jsou přitom v zimě znevýhodněny, ale nesrovnáme jen kolektory, ale celé zařízení.

Tab. 1 • Výsledky měření na konkrétním zařízení

Výsledky uvedené v tabulce se výhradně týkají zimní poloviny roku, kdy je zapotřebí nejvíce tepla, solární zisky jsou nejpotřebnější, ale také nejméně snadno zajistitelné. Neboť převládá difuzní sluneční záření a přímé chybí. Tepelné kolektory, i ty nejlepší, mají v tomto období velmi malé zisky, které s klesající venkovní teplotou dále klesají. FV panely s klesající teplotou na­opak svou účinnost zvyšují.

Dále Horst Ebitsch slovně uvedl nevýhodu tepelných kolektorů, tedy ztrátu výkonu pod vrstvou sněhu nebo pod námrazou. Tato část diskuze byla zpracována samostatně. Pokračujme však dále.

Srovnávat solární zařízení s tepelnými kolektory a zařízení s Photothermie-Converter není korektní, protože toto zařízení obsahuje i výměník vzduch-voda. Pracuje tedy nejen se sluneční energií, ale i teplem venkovního vzduchu, pokud je jeho teplota vyšší, než je aktuálně nejnižší teplota v zásobníku.

Rovněž není korektní uplatnit na toto zařízení, respektive provoz ­zásobníku, Dr. Meißnerem použitý výpočet tepelných ztrát. Zásobník se nevytápí na 95 °C. V domě se používá nízkoteplotní velkoplošné vytápění, provozní teploty v zásobníku a tepelné ztráty jsou výrazně nižší i vlivem velmi kvalitní tepelné izolace.

Co se týká subvencí, tak tento sy­stém nemá žádné. Vyrobená elektřina se kompletně spotřebuje v domě, FV zařízení není napojené na elektrickou síť.

Svůj první 100% solárně vytápěný dům postavila firma EBITSCHenergietechnik GmbH v roce 2009 s 30000litrovým zásobníkem. Se svým technickým řešením je od 9/2013 zařazena do projektu „Effi­zienzhaus Plus“ spolkového ministerstva stavebnictví, v jehož rámci je provoz zařízení sledován a bude vědecky vyhodnocen výzkumným institutem. Aktuálně předala do provozu dům pro dvě rodiny se zásobníkem 48 000 litrů.

upraveno podle SHT 5/2014, 7/2014, 8/2014