Solární teplárna – budoucnost centrálního zásobování teplem?

Dánsko je celosvětově známé svojí náklonností k obnovitelným zdrojům. Není proto vůbec zvláštní, že moderní projekt kombinující výhody centrálního zásobování teplem (CZT) a solárního ohřevu pochází právě odtud. Hybridní zařízení vyrábějící teplo pro celé město, elektřinu a využívající skladování energie tak dnes patří k tomu nejlepšímu na světě.

V ČR je výroba energie ze slunce vnímána velmi negativně, především kvůli nekoordinovanému boomu fotovoltaických elektráren na přelomu desetiletí. Solární energie ovšem není jen o málo účinných fotovoltaických panelech. Slunce můžeme využít i k efektivnímu ohřevu teplé vody. Právě tím se inspiroval dánský projekt SUNSTORE4, který je dnes největší solární teplárnou na světě. Jde o hybridní systém kombinující výrobu elektřiny, tepla a skladování tepelné energie ve velkém podzemním zásobníku vody. Cílem projektu bylo kromě jiného i ukázat, že pro dálkové vytápění může být 100 % energie vyráběno z obnovitelných zdrojů.

Představení projektu SUNSTORE

Dánsko již od dob ropných krizí v 70. letech masivně investuje především do OZE. Dnes proto nezanedbatelná část elektřiny i tepla pochází z větru, biomasy a dalších obnovitelných zdrojů. Je také běžné, že na projekty související s obnovitelnými zdroji a úsporami energií Dánsko vynakládá nemalé peníze.

Vše začalo ohřevem bazénu

Podobným způsobem vznikl v roce 1994 i projekt solárního ohřevu pro koupaliště u města Marstal na ostrově ÆrØ. Na solární panely o ploše 75 m² dostala tamní společnost (Marstal District Heating Ltd) grant ve výši 10 000 dánských korun a dalších 20 000 korun na výstavbu a propojení podobného a většího systému s dálkovým vytápěním části města. Již v létě 1994 se projekt ukázal být velmi úspěšným a bylo dobudováno 8000 m² plochy solárních kolektorů a vystavěna akumulační nádrž na teplou vodu.

Rozšíření projektu

V roce 1999 byla dále plocha solárních kolektorů rozšířena o 1 000 m². Celkem tak bylo v provozu 720 solárních kolektorů s plochou 9 043 m² na pozemku o rozloze 20 000 m². Vedle teplárny byla vystavěna i technická budova, v níž je veškeré technické zařízení jako výměník tepla, ovládací prvky, nouzový generátor a také návštěvní prostory pro exkurze. Celý systém uzavírá akumulační nádrž s objemem 2 100 m³, která pojme okolo 100 MWh tepla (360 GJ).

Princip solárních tepláren

Obecně známým problémem obnovitelných zdrojů je jejich nepravidelná výroba, nízká účinnost a složitá akumulace energie. Solární teplárna se tyto nešvary snaží řešit komplexním propojením solárních kolektorů, akumulací energie v tepelném zásobníku a následným čerpáním nízkopotenciální energie pomocí tepelného čerpadla, které ke svému provozu využívá energii ze spalování biomasy.

Celý systém funguje v průběhu roku různě. Vždy záleží na ročním období. Od jara do podzimu solární kolektory ohřívají vodu pro zásobování teplem a také akumulují energii v zásobníku. Akumulátorem je obvykle dobře izolovaný podzemní zásobník vody s teplotou vody kolem 70-75 °C. Při zvlášť slunečném období se může voda ohřát téměř až k bodu varu (95 °C). Během tohoto období je tedy město vytápěno přímo slunečním ohřevem a dohřívá se i akumulační nádrž.

Od začátku podzimu se ke slunečnímu ohřevu přidává doplňkově dle potřeby kotel na dřevní štěpku a v období s nízkou cenou elektřiny i tepelné čerpadlo, které využívá akumulovanou energii ze zásobníku teplé vody.

V zimě, kdy je poptávka po teple logicky nejvyšší, je kotel na biomasu a tepelné čerpadlo v provozu téměř neustále. Takto systém funguje až do začátku jara, kdy opět solární kolektory převezmou větší část zásobování teplem. Kotel na štěpku přitom stále dohřívá tepelnou nádrž a funguje obvykle až do začátku dubna. Celý cyklus se pak každoročně opakuje.

Rozšíření SUNSTORE2 a SUNSTORE4

V roce 2001 se na principu solární teplárny rozběhl právě projekt SUNSTORE2, který navazoval na původní úspěchy se solárním vytápěním a ohřevem vody pro část města. Došlo k rozšíření plochy solárních kolektorů na 18 365 m² a byl vyhlouben prostor pro další nádrž na skladování tepla o objemu 10 000 m³. Kompletně byl projekt spuštěn v roce 2003 a pokryl 30 % roční spotřeby tepla v městské síti zásobování teplem.

Dále pak v letech 2011 a 2012 proběhla realizace dalšího rozšíření, tentokrát s označením SUNSTORE4. Projekt měl nejen rozšířit stávající systém, ale také dokázat, že je možné i v relativně velkých sítích centrálního zásobování využívat kompletně obnovitelné zdroje a to za dostupné ceny a s maximální spolehlivostí.

Roční produkce tepla je v městě Marstal 28 000 MWh (100 800 GJ) a dnes se plně spoléhá na obnovitelné zdroje, především pak na solární energii a biomasu (kotel o výkonu 4 MW). Celý systém doplňuje podzemní vodní akumulátor tepla (75 000 m³), tepelné čerpadlo s výkonem 1,5 MW a kogenerační jednotka fungující na principu organického Rankinova cyklu (ORC) s elektrickým výkonem 750 kW. Doplněna byla v rámci projektu SUNSTORE4 i olejová akumulační nádrž pro ohřev z OCR.

Celkově tak může celý systém SUNSTORE4 a SUNSTORE2 dodat 32 000 MWh energie ročně. Produkce elektřiny z tohoto celku tvoří 3 250 MWh a na ztráty v systému připadá 3 200 MWh. Projekt je zajímavý svým otevřeným přístupem a neustálým cílením na zlepšení.

Provozní účinnost je průběžně vyhodnocována a systém se neustále rozvíjí. Za první rok provozu SUNSTORE4 bylo například dosaženo navýšení účinnosti nových solárních kolektorů oproti původním o 10 %, které byly zároveň o 11 % levnější než ty z projektu SUNSTORE2. Faktor COP u tepelného čerpadla dosáhl hodnoty 3,1 a výsledná účinnost pro jednotku s OCR cyklem dosáhla 19,5 %. Cena nového tepelného zásobníku, jehož budování je na níže přiložené fotografii, pak vyšla v přepočtu na 39 euro na jeden m³ vody (se započtením ceny za potrubí a dalších položek souvisejících s výstavbou).

Uživatelé i jako vlastníci

Systém SUNSTORE není zajímavý pouze svým technickým řešením, ale nabízí i v česku naprosto neobvyklé řešení z pohledu vlastnického. Teplárna je totiž vlastněna samotnými zákazníky. Centrální zásobování ve městě Marstal (Marstal District Heating) zásobuje kolem 1550 odběratelů, kteří tvoří většinu obyvatel města.

SUNSTORE4 zapadá do projektu města Marstal, které si dalo za cíl pokrýt své energetické potřeby kompletně z obnovitelných zdrojů. Projekt zároveň ukazuje, že s cenou mezi 50 až 55 eury za MWh energie je konkurenceschopný vůči alternativám dostupným na severu Evropy.

Česká republika je podobně jako Dánsko velmi závislá na centrálním zásobování teplem (CZT), které má oproti decentralizované výrobě řadu předností. České teplárny by proto mohly využít zkušeností z Dánska a možnost realizace podobného systému do budoucna zvážit.

Úvodní fotografie: Erik Christensen