Most mezi teplárenstvím a elektro-energetikou

Účastníci se zde například dozví, že na urychleném odklonu od vytápění zemním plynem a dalšími fosilními palivy dnes v teplárenství staví Německo. Díky GEG (novela Zákona o energetice budov) musí od ledna 2024 v podstatě každá nová výstavba zajistit minimální podíl obnovitelné energie ve výši 65 %. Za splněný je však tento cíl považován mimo jiné i ve chvíli, kdy se objekt připojí na soustavu zásobování teplem, a to bez ohledu na její stávající emisní zatížení.

V nedávné minulosti nebyl o pokročilou technologii velkých tepelných čerpadel významný zájem, a to hned z několika důvodů. Prvním a nejdůležitějším aspektem byla nízká cena zemního plynu způsobená jeho dostupností a širokým pokrytím. Ceny elektřiny se nejen v ČR dlouhodobě řídí podle cen plynu a ve chvíli, kdy je levný plyn má vyrobené odpadní teplo relativně nízkou hodnotu. I proto byl zájem o tepelná čerpadla minimální. Dalším důvodem bránící širokému rozšíření této technologie je relativně nízké emisní zatížení zemního plynu, který byl (a je) považován za přechodové palivo a složitost náhrady velkého množství energie z uhelných tepláren.

V ČR jsou znalosti o velkých tepelných čerpadlech zatím velmi omezené, neboť se jedná o novou a sofistikovanou technologii, kde efektivní integrace do stávající teplárenské soustavy může představovat relativně složitou inženýrskou úlohu. Určitě je jedním z důvodů i vyšší investiční náročnost a nejistota dlouhodobé stability nákladů na provoz z důvodu neexistující provozní podpory, což do určité míry mohlo determinovat (ne)atraktivitu takové investice.

Současná technologie tepelných čerpadel může dosahovat až 50MW v jedné jednotce a mezi velmi slibné zdroje odpadního tepla jsou řazeny například čistírny odpadních vod či vodní toky. Ty obsahují takové množství energie, že jimi lze racionálně nahradit až 25-40 % dnešní poptávky po teple (až 60 PJ).

V posledních dvou letech se navíc situace poměrně změnila. Konflikt na Ukrajině a z něj vyplývající energetická krize překreslila mapu energetiky nevídanou rychlostí. Současně akceleroval tlak EU na zvýšení soběstačnosti a energetické efektivity, což mimo povinnosti přináší velké množství příležitostí k dekarbonizaci energetiky. Česká republika má tak díky vysoké penetraci CZT unikátní možnost rychlé a efektivní dekarbonizace výroby tepla, neboť 50 % spotřeby primární energie je tvořeno poptávkou po teple.

Zásadní synergie „elektrifikace centralizovaného tepla“ však vzniká jinde. S přibývající výrobou elektřiny z OZE se bude zvyšovat tlak na její efektivní využití, zejména ve chvíli, kdy je elektřiny přebytek. Dá se tedy přepokládat zvýšená poptávka nejen po rychlých zdrojích elektřiny, ale i po její efektivní spotřebě. Tepelná čerpadla v kombinaci s akumulací se tak stanou ideálním spotřebičem, který umožní nahradit dnešní výrobu tepla z fosilního paliva (která často probíhá ve stejnou chvíli, kdy vznikají přebytky elektřiny). Výsledkem je pak výroba tepla s velmi nízkým emisním faktorem hluboko pod magických 100 mg CO₂/MWh. Elektrizační soustava se navíc bude nevyhnutelně dále dekarbonizovat, což bude emisní zatížení dále snižovat.

Energetická efektivita neboli „Energy efficiency first“ princip je definován v Country Reportu IEA z roku 2022 jako základní nástroj k dekarbonizaci výroby tepla v ČR. Tepelná čerpadla tomuto principu velmi dobře vyhovují, neboť jde o technologii prokazatelně snižující závislost na spalování fosilních paliv jejich náhradou za obnovitelné zdroje energie jako jsou ČOV, řeky, geotermální energie či vzduch. Přestože je dnešní emisní faktor elektrizační soustavy ČR na relativně vysoké úrovni (cca 380 mg tCO₂/MWh) v porovnání s ostatními zeměmi EU, stále je nepřímá produkce emisí z tepelného čerpadla s účinnosti 3 přibližně o 40% nižší, než v případě zemního plynu.

Jakkoli bychom si rádi představili ideální scénář výroby veškerého tepla bezemisním způsobem, ve skutečnosti jsme bohužel od takového stavu velmi daleko. V letních měsících bude výroba z tepelného čerpadla levná, avšak poptávka po teple je v tomto období nízká. Naopak v zimě, kdy je spotřeba tepla násobně vyšší bude cena elektřiny pravděpodobně vyšší, neboť bude chybět výroba z FVE. To velká tepelná čerpadla předurčuje k provozu zejména v letním a přechodovém období s doplňkovým využitím v zimních měsících jako prvku záporné regulace v rámci poskytování služeb výkonové rovnováhy (SVR). Tomuto je třeba přizpůsobit dimenzaci tepelného čerpadla, u kterého je třeba daleko více dbát na správný návrh velikosti, než je tomu u plynového kotle, zejména z důvodu násobně vyšších investičních nákladů. Lze tedy očekávat budoucí energetický mix složený z různých technologií, které mohou pracovat „proti sobě“ – typicky kogenerační jednotka v kombinaci s efektivním tepelným čerpadlem a rychlým (a levným) elektrokotlem. Všechny uvedené technologie mají jednoho společného jmenovatele – akumulace. Bez akumulačních zásobníků u každého energocentra je představa o skutečné flexibilitě jen zbožným přáním. Dnešní akumulace u kogenerační jednotky se dimenzuje na překlenutí letního provozu po dobu cca 2 hodiny denně, nicméně funkční efektivní teplárny budou v budoucnu tuto kapacitu zásadně navyšovat. Diverzifikaci zdrojové základny lze také vnímat jako jedinou spolehlivou pojistku pro spotřebitele proti ne zcela predikovatelnému vývoji na trhu.

Jako inspiraci v oblasti teplárenství si můžeme vzít za příklad Dánsko, kde je elektrifikace tepla již v plném proudu. Ano, je vhodné zmínit, že portfolio výrobních kapacit elektřiny je zde z velké části zastoupeno výrobou z offshore větru, přesto se zde dá velmi dobře inspirovat. Například energocentrum v obci Sdr. Felding zásobuje teplem přibližně 800 odběratelů a maximální odběr soustavy je do 5 MW. Zdrojová základna má však instalovaný výkonu 20 MW a je kombinací vzduchového tepelného čerpadla, velkého elektrokotle a dvou biomasových kotlů sloužících primárně jako záloha. Součástí projektu je masivní akumulátor tepla o kapacitě 3.300 m3 (cca 200 MWh). To umožňuje provozovateli běžet v určitých částech roku jen několik hodin denně a v letním období lze zajistit spotřebu tepla z akumulátoru po dobu cca jednoho týdne, aniž by se spustil jakýkoliv z dostupných zdrojů. Přes vysoké investiční náklady tak uživatelé (typicky jsou teplárenské projekty v Dánsku komunitního typu, tedy ve vlastnictví spotřebitelů) mohou v dlouhodobém horizontu benefitovat z minimálních nákladů na výrobu tepla. Tepelné čerpadlo je navíc certifikováno na poskytování služby aFRR-, kdy je možné zařízení uvést na plný výkon do pěti minut od povelu. U vzduchového čerpadla o výkonu 3,3 MW jde o funkcionalitu nevídanou. Někde tady vysázet fotku Sonder Felding

Dalším zajímavým strategickým projektem je odchod od uhlí ve městě Esbjerg. Zde společnost DIN Forsyning realizuje komplexní přestavbu tepelného hospodářství s cílem dosažení klimatické neutrality v roce 2030. Mezi hlavní stavební kameny této přestavby patří elektrokotel o výkonu 50MW a dvě tepelná čerpadla s turbokompresory o výkonu 2x25 MW využívající jako zdroj odpadního tepla mořskou vodu a která budou zásobovat přes 25 tisíc obyvatel. Tyto stroje pracující v nadkritickém oběhu s přírodním chladivem CO₂ umí změnu výkonu až 7MW/30s, což je kvalifikuje k poskytování služeb regulace frekvence v síti (FCR). Z obou zmíněných projektů je zjevné, že výroba tepla je v moderních teplárnách vnímána jako sekundární efekt a veškeré plány výroby tepla jsou podřízeny situaci na trhu s elektřinou. Tady vysázet fotku z Esbjergu.

Posledním příkladem je projekt ve Vídni, kde Wien Energie realizuje ve dvou etapách 110 MW tepelná čerpadla na místní ČOV. Ty budou zásobovány elektřinou přímo z přilehlé vodní elektrárny na Dunaji, čímž bude zajištěna 100 % bezemisní výroba tepla pokrývající až 14 % spotřeby Vídně.

Výrobci velkých tepelných čerpadel budou tlačeni do standardizace ve výkonové řadě 1-10MW a současně se zvýší tlak na jejich flexibilitu v rámci rychlého startu a odstavení.

I Česká republika má v oblasti velkých tepelných čerpadel své „želízko v ohni“. Jde o ambiciózní projekt na ČOV na Císařském ostrově v Praze, kde Pražská Plynárenská plánuje postavit soustavu tepelných čerpadel o výkonu až 180 MW pro pokrytí spotřeby přilehlých městských částí Bubeneč a Veleslavín. V plánu je i dodávka chladu až 60 MW pro novou výstavbu v Holešovicích. Po realizaci bude možné pokrýt až 20 % spotřeby města pomocí odpadní energie z odpadních vod.  Objevují se ale i jiné zajímavé projekty vysokých výkonů a je jen otázkou času, kdy se tato technologie zabydlí v našem teplárenství natrvalo.

Před Českou republikou stojí nelehký úkol odchodu od uhlí a zemního plynu. Tepelná čerpadla mají natolik zásadní potenciál pro dekarbonizaci výroby tepla v odhadované výši 5-10 GW, že je nelze v tomto kontextu přehlížet. Proto se musí stát nedílnou součástí Národního klimaticko-energetického plánu (NKEP) a samozřejmě i Státní energetické koncepce. Pro nastartování trhu s velkými tepelnými čerpadly je třeba odstranit některé legislativní bariéry, typicky platba za energetické využití vody či výpočet emisního faktoru primární energie.

Zdroj: Tomáš Caha, organizátor konference. Zpracováno redakcí.