Reforma teplárenstva bude jednou zo zaťažkávacích skúšok, ktoré rozhodnú o tom, či Slovensko splní alebo nesplní svoje medzinárodné klimatické a energetické záväzky. Ale nielen to. Systémy centralizovaného zásobovania teplom (SCZT) v súčasnosti zabezpečujú vykurovanie viac ako polovice domácností na Slovensku, najmä v mestách. Model budúceho rozvoja SCZT preto predurčí nielen mieru dekarbonizácie regiónov, ale aj úroveň ich energetickej sebestačnosti, ekonomickej stability a ovplyvní aj budúci vývoj životných nákladov veľkej časti populácie.
Teplárenské sústavy stoja pred dilemou voľby medzi dvoma scenármi ďalšieho rozvoja.
Prvý scenár: predlžovanie životnosti súčasnej generácie SCZT
Verejný záujem
Druhý scenár: zmena súčasného teplárenstva na štvrtú generáciu SCZT
Vývoj diaľkového vykurovania
Porovnanie 3. a 4. generácie SCZT na hornej Nitre
Skúsenosti z Dánska
Návrh moderného dekarbonizovaného energetického systému pre plánovanú novú obytnú štvrť Mayer Malacky
Prvý scenár: predlžovanie životnosti súčasnej generácie SCZT
Na Slovensku ide o všeobecne preferovanú cestu, účinne podporovanú legislatívou. V obmedzenej miere sa ňou dá zvyšovať aj energetická efektívnosť SCZT, najmä modernizáciou ich neefektívnych a poškodených komponentov, automatizáciou merania a regulácie a postupnou náhradou uhlia v ich palivovej základni za zdanlivo menej uhlíkovo intenzívny fosílny plyn v kombinácii so spaľovaním odpadov a dreva alebo v obmedzenej miere rôznymi obnoviteľnými zdrojmi energie (OZE). Limitovaný potenciál dosiahnuteľných energetických a emisných prínosov – podstata a hlavný defekt prvého scenára – je daný tým, že ide iba o modernizáciu už dávno morálne zastaraného riešenia dimenzovaného na vysokú energetickú náročnosť pripojených budov. Obnova budov – kľúč k zásadnej zmene – nie je jeho súčasťou.
Voľbu tejto politicky relatívne jednoduchej a časovo a organizačne menej náročnej ceste k udržaniu prevádzky SCZT podporuje platná legislatíva. Vyvíjala sa v kontexte štvorročných volebných cyklov, privatizovanej správy väčšiny SCZT, chronického nedostatku investičných prostriedkov a absencie odborných kapacít a energetického plánovania. Legislatíva prisudzuje dodávateľom tepla a prevádzkovateľom SCZT veľmi silné postavenie pri rozhodovaní o ďalšom rozvoji teplárenskej infraštruktúry, a to na úkor všetkých pripojených odberateľov tepla. Prevádzkovatelia SCZT môžu v rámci povoľovacieho procesu účinne zablokovať snahu svojich odberateľov znižovať vlastné straty tepla (napríklad obnovou a zateplením pripojených budov) aj výstavby vlastných zdrojov tepla v pripojených objektoch alebo na vymedzenom území dodávateľa tepla (resp. odpájania sa od SCZT).
Legislatíva urobila z odberateľov tepla na dlhé obdobie nevoľníkov prevádzkovateľov SCZT, aj keď sa dodávatelia tepla tomuto prirovnaniu bránia zubami-nechtami. Namiesto motivovania k úsporám legislatíva chránila ich primárny ekonomický záujem: čím vyššia je spotreba tepla v budovách pripojených na SCZT, tým väčší je zisk dodávateľov tepla. Do značnej miery to platí aj po poslednej novelizácii zákona o tepelnej energetike, ktorý čiastočne uvoľnil podmienky pre odberateľov tepla na odpojenie sa od SCZT.
Táto situácia prirodzene vytvára v spoločnosti napätie, ale najmä odvádza pozornosť od kardinálneho problému – vnímania teplárenstva ako klasického biznisu, redukujúc diskusiu o ňom najmä na ekonomické aspekty.
Vlastníci a užívatelia budov pripojených na SCZT aj investori nových budov, ktoré podľa zákona musia byť do siete pripojené v zónach s centralizovaným zásobovaním teplom vyvíjajú tlak na liberalizáciu pre nich nevýhodnej legislatívy. Ich motívom je snaha o získanie možnosti individuálne ovplyvňovať vlastné prevádzkové náklady určované najmä cenou spotrebovaného tepla a dostupnosť výhodnejších alternatív vykurovania oproti SCZT – presne to im zapojenie do SCZT často neumožňuje, a to napriek neraz obrovskému a reálnemu potenciálu úspor tepla.
Na opačnej strane barikády stoja dodávatelia tepla. Ich prirodzeným záujmom je udržať ekonomiku teplárenského systému na úrovni, ktorá im garantuje očakávaný zisk a udržanie prevádzky, údržby a rozvoja SCZT. Odpájanie zmluvných odberateľov a znižovanie celkovej spotreby tepla, ktorá je základom ich podnikania, je v rozpore s ich ekonomickým záujmom. Preto intenzívne lobujú za udržanie legislatívneho statusu quo.
Medzi týmito dvoma mlynskými kameňmi je štát. Jeho úlohou je chrániť verejný záujem. Jedine správna definícia verejného záujmu v tomto konflikte otvára dvere k správnemu riešeniu. Platí to aj naopak: skreslenie verejného záujmu nevyhnutne vedie k chybným riešeniam.
Súčasné nastavenie pravidiel upravujúcich vzťahy v rámci SCZT na Slovensku to rukolapne potvrdzuje. Príslušná legislatíva je vecným popretím všeobecne uznávanej hierarchie energetických priorít. Namiesto toho, aby prvoradou prioritou bola optimalizácia (minimalizácia) energetickej potreby ako nutný predpoklad stabilizácie globálnej klímy na jednej strane a energetickej, ekonomickej a sociálnej stabilizácie regiónov na strane druhej, čelo tejto hierarchie dlhodobo okupuje potreba zabezpečiť dostatok energetických zdrojov. Na čo sa tieto energetické zdroje majú použiť, je pre súčasný systém až druhoradé.
V praxi to znamená, že hlavným cieľom politických a legislatívnych opatrení a ekonomických a finančných stimulov sa stalo pokrytie všeobecne vysokej energetickej potreby (často zbytočného plytvania) nízkoemisnými, resp. obnoviteľnými zdrojmi. Chaos v prioritách vysvetľuje časté pokusy legitimizovať fosílny plyn ako údajnú nízkoemisnú alternatívu za uhlie spaľované v SCZT a zvyšovanie tlaku na rozvoj plynovej infraštruktúry, výstavby spaľovní komunálneho odpadu a udržiavanie predimenzovaného spaľovania dreva. Dominový efekt uzatvárajú kolaterálne ekonomické, environmentálne a sociálne škody a negatívne dôsledky na rôznych úrovniach (strata príležitostí investovať do perspektívnych technológií, oslabovanie účinnosti opatrení na recykláciu odpadov, degradácia prostredia poškodeného ťažbou dreva, rast energetickej chudoby atď.).
Verejný záujem
Verejným záujmom v oblasti zabezpečovania energetickej potreby budov, konkrétne na vykurovanie a prípravu teplej vody v zónach s centralizovaným zásobovaním teplom v kontexte destabilizácie klimatického systému je plošne a čo najrýchlejšie znižovať uhlíkovú intenzitu existujúcich SCZT.
Rozmenené „na drobné“ to znamená:
- Cieľové parametre SCZT (výkon a kapacitu) treba dimenzovať na optimalizovanú celkovú energetickú potrebu pripojených budov a ďalších prevádzok: za cieľovú úroveň pre existujúce pripojené budovy treba považovať potrebu tepla na vykurovanie a prípravu teplej vody obnovenej na úroveň odporúčaných vlastností pre budovy s takmer nulovou potrebou energie od 1.1. 2021 (ak taká obnova nie je pre existujúce budovy možná, za cieľovú úroveň sa môže považovať obnova na úroveň minimálnych požiadaviek pre nové budovy od 1.1.2016, ktoré sú od roku 2021 požadované). Takáto optimalizácia energetickej potreby budov umožní znížiť teplotu primárneho vykurovacieho média a tým zvýšiť celkovú energetickú účinnosť SCZT. Nižšia teplota vykurovacieho média umožní úplne vyradiť fosílne zdroje z palivovej základne SCZT (vrátane zemného plynu) a nahradiť ich výlučne OZE.
- Optimalizáciu (minimalizáciu) energetickej potreby budov pripojených na SCZT treba integrovať do procesu transformácie SCZT: komplexná obnova existujúcich a výstavbu nových budov sa musí považovať za neoddeliteľnú súčasť transformácie SCZT. Izolované plánovanie dekarbonizácie konkrétnych SCZT (resp. dimenzovanie na plytvanie) nemôže byť nikdy efektívne a treba ho považovať iba za výnimočné a prechodné riešenie.
- Je treba vytvoriť efektívny a transparentný energetický manažment budov pripojených na SCZT: rozvoj SCZT by mala automaticky zahŕňať inštaláciu inteligentného merania a riadenia a integrovať internet vecí. Mestá a obce, na území ktorých sa nachádza SCZT, by mali zabezpečiť aktualizáciu koncepcie rozvoja vlastného tepelného hospodárstva v intenciách takto vymedzeného verejného záujmu a v súčinnosti s budúcimi odbornými kapacitami pre plánovanie a koordináciu rozvoja energetiky príslušného regiónu (tzv. regionálnymi centrami udržateľnej energetiky).
- Plánovanie mixu OZE v SCZT musí rešpektovať potrebu zvyšovania regionálnej energetickej sebestačnosti a kritéria trvalej udržateľnosti pre ich využívanie, pričom musí brať do úvahy celý životný cyklus a celkovú emisnú a materiálovú intenzitu uvažovaných technológií: aj keď optimalizácia energetickej potreby budov pripojených na SCZT umožní oproti súčasnému stavu výrazne znížiť výkon primárnych zdrojov tepla a decentralizované využitie OZE, je nevyhnutné zabezpečiť, aby OZE boli nielen využívané s rešpektom k limitom prírodného prostredia, ale aby sa do procesu maximálne zapájali miestne subjekty. Pri hodnotení využiteľnosti technológií je dôležité brať do úvahy ich celkovú emisnú, ekologickú a materiálovú stopu v celom ich životnom cykle. Z tohto hľadiska treba porovnať aj celkový efekt centralizovaných a decentralizovaných riešení.
- Keďže takto chápaná transformácia SCZT je časovo, organizačne aj investične veľmi náročná, je vo verejnom záujme vnímať ju ako strednodobý proces presahujúci niekoľko volebných období a vyžadujúci súčinnosť zainteresovaných aktérov na miestnej, regionálnej a centrálnej úrovni. Politickí lídri a predstavitelia verejnej správy nemôžu počítať s tým, že budú schopní dosiahnuť očakávaný konečný efekt účelovým okliešťovaním a skracovaním tohto procesu. Ako pri každej významnejšej systémovej inovácii, je treba predpokladať, že transformáciu budú sprevádzať väčšie a menšie, vopred očakávané aj nepredpokladané prekážky a komplikácie.
- Proces transformácie nesmie viesť k prerušeniu kontinuity a funkčnosti vykurovania z existujúcich SCZT. Prechodné (transformačné) obdobie je treba rozčleniť do fáz (z hľadiska času, územia, funkčnosti) tak, aby nebola ohrozená dlhodobá stabilita a prevádzkyschopnosť teplárenských sústav. Zároveň je potrebné postupne uvádzať do praxe motivačné opatrenia stimulujúce k aktívnej účasti odberateľov tepla nielen na komplexnej obnove budov, ale aj k produkcii energie z OZE.
Druhý scenár: zmena súčasného teplárenstva na štvrtú generáciu SCZT
Takto konkretizovaný verejný záujem vo vzťahu k SCZT predurčuje druhý scenár rozvoja SCZT. Na rozdiel od prvého scenára by jeho uplatnenie viedlo k výrazne a trvalo lepším energetickým, emisným aj spoločenským efektom.
Druhý scenár predstavuje zásadnú (generačnú) zmenu teplárenstva, a to zo súčasnej druhej a tretej generácie SCZT na štvrtú (perspektívne aj piatu) generáciu.
Štvrtú generáciu SCZT (4G SCZT) charakterizuje:
- optimalizovaná (minimalizovaná) koncová spotreba tepla (nie je dosiahnuteľná bez optimalizácie energetickej potreby budov ich komplexnou obnovou),
- znížená teplota vykurovacieho média v rozvodoch 4G SCZT,
- dôsledná dekarbonizácia (všetky fosílne zdroje na výrobu tepla sú nahradené OZE vrátane zapojenia decentralizovaných OZE),
- integrácia nových technologických prvkov (najmä sezónneho úložiska na ukladanie prebytočného tepla vyrobeného v letnom období),
- inštalácia inteligentného merania a riadenia 4G SCZT,
- úprava vykurovacích sústav a prípravy teplej vody v budovách.
Generačná zmena SCZT by sa v podstate stala súčasťou trvalého riešenia teplárenstva na Slovensku. Ukončila by napätie medzi odberateľmi a dodávateľmi tepla. Viedla by k dlhodobej stabilizácii cien tepla a tým aj budúcich životných a prevádzkových nákladov pripojených domácností, samospráv, firiem a organizácií.
Spotrebiteľom by postupne umožňovala dodávať do spoločného systému vlastnú produkciu obnoviteľnej energie a tým si znižovať výdavky za spotrebované teplo.
Ekonomika prevádzkovateľa 4G SCZT by sa síce zmenila, ale nedegradovala by. Predaj tepla by nahradil predaj služieb (po optimalizácii energetickej potreby budov by spotreba tepla oproti súčasnosti citeľne klesla, avšak po diverzifikácii primárnych OZE by však porovnateľne citeľne vzrástol význam inteligentnej regulácie SCZT).
Generačná zmena SCZT by v regiónoch automaticky prispela k rastu ich energetickej sebestačnosti aj bezpečnosti, štátu by priniesla značný pokrok pri napĺňaní ambiciózneho medzinárodného záväzku.
V porovnaní s individuálnym zásobovaním tepla môžu byť 4G SCZT výrazne energeticky a emisne výhodnejšou alternatívou, a to aj v menších sídlach a štvrtiach, kde v súčasnosti neexistujú. Preto je treba zabezpečiť, aby sa súčasťou regionálneho energetického plánovania stalo dôsledné posudzovanie vhodnosti ich širokého uplatnenia.
Vývoj diaľkového vykurovania
Porovnanie 3. a 4. generácie SCZT na hornej Nitre
Skúsenosti z Dánska
Predstavujeme inšpiratívnu správu o plánovaní teplárenstva v Dánsku vypracovanú v novembri 2019 pre Dánsku energetickú agentúru. Správa poskytuje výborný prehľad skúseností z krajiny, ktorá predstavuje svetovú špičku v rozvoji systémov diaľkového vykurovania. Prináša stručnú informáciu o vývoji diaľkového vykurovania v Dánsku a ponúka skúsenosti s počiatkom plánovania teplárenstva, predstavuje úlohu diaľkového vykurovania v dekarbonizovanom energetickom systéme, kde nie je dostupné prebytočné teplo z veľkých elektrární na fosílne palivá a približuje, ako sa v Dánsku získavajú údaje pre plánovanie teplárenstva. Správa v závere poskytuje rady týkajúce sa obsahu, ktorý treba zahrnúť do stratégií rozvoja teplárenstva a naznačuje miesto, aké má plánovanie teplárenstva v širšom kontexte strategického energetického plánovania samospráv.
Návrh moderného dekarbonizovaného energetického systému pre plánovanú novú obytnú štvrť Mayer Malacky
Súčasťou návrhu komplexného dekarbonizovaného a decentralizovaného systému zásobovania teplom a elektrinou pre budúcu štvrť Mayer Malacky, ktorý v roku 2023 iniciovali Priatelia Zeme-CEPA s finančnou podporou Nemeckej spolkovej nadácie pre životné prostredie (DBU), boli 3 tepelné a 3 elektroenergetické varianty. Výstavba štvrte na zelenej lúke – na rozdiel od transformácie existujúcich energetických systémov – umožňuje nastaviť energetický systém hneď od začiatku tak, aby aplikoval inovácie a najlepšie dostupné technológie a skúsenosti z miest dobrej energetickej praxe v Európe a zároveň vytvoriť aj podmienky pre aktívnu účasť spotrebiteľov energie na navrhnutom ekonomickom modeli energetického systému.
Systém zásobovania teplom a chladom bol rozpracovaný nasledovne:
- Variant 1T - individuálne inštalácie tepelných čerpadiel vzduch/voda priamo v objektoch (chladenie zabezpečené reverzným chodom).
- Variant 2T - centrálna dodávka vysokopotenciálneho tepla zaistená fototermickými panelmi, sezónnou akumuláciou vo forme horninového zásobníka tepla BTES (Borehole Thermal Energy Storage) a centrálnym tepelným čerpadlom vzduch/voda. Chladenie bolo zabezpečené individuálnymi klimatizačnými jednotkami.
- Variant 3T - centrálna dodávka nízkopotenciálneho tepla akumulovaného vo zvodnenej vrstve - zásobník typu ATES (Aquifer Thermal Energy Storage) s využitím odpadného tepla objektov a prebytkov tepla z fototermických panelov. Tepelný komfort je zaistený individuálnou inštaláciou tepelných čerpadiel voda/voda v odberných miestach objektov, ktoré pri reverznom chode zabezpečujú aj chladenie (odpadné teplo objektov je navyše akumulované v zásobníku tepla).
Podrobnejšie informácie o návrhu nájdete v rubrike Malacky. V tejto časti prinášame grafické znázornenie technických inovácií použitých vo variantoch 2T (BTES) a 3T (ATES).
Schéma tepelného riešenia pre variant 2T
Kvôli dosiahnutiu vyšších tepelných ziskov zo striech objektov sa v tomto prípade uvažovalo so sezónnou akumuláciou tepla s teplotou nad 40 °C - v podzemnom horninovom zásobníku typu BTES, kde sa teplo v čase prebytkov ukladá a rozptyľuje do hornín prostredníctvom energetických vrtov s priemerom 15 cm a hĺbkou 35 m, v ktorých je umiestnený kolektor vo forme U-trubíc (v jednoduchom alebo dvojitom prevedení s 10 cm vzdialenosťami medzi vstupujúcou a vystupujúcou trubicou). Vo vnútri U-trubíc cirkuluje teplonosná kvapalina. Ide o uzatvorený systém. Na povrchu je zásobník izolovaný od vonkajšieho prostredia, okraje a spodná časť izolované nie sú. Zásobník typu BTES sa počas leta nabíja od centrálnej časti k okrajom, vybíjanie sa uskutočňuje od okrajových vrtov do centrálnej časti, pretože na hraniciach zásobníka dochádza k poklesu teploty z dôvodu tepelných strát do okolitého prostredia. Pre efektívne uloženie tepla bola uvažovaná pôdorysná plocha na jeden energetický vrt 7,76 m2 a vzdialenosť približne 3 m medzi jednotlivými vrtmi.
Letná prevádzka BTES Zimná prevádzka BTES
Schéma horninového zásobníka typu BTES s energetickými vrtmi a rez energetickým vrtom (zdroj: IEA-Solar Heating & Cooling Technology Collaboration Programme)
Schéma tepelného riešenia pre variant 3T
Sezónna akumulácia v tomto prípade pozostáva z dvoch klastrov (súborov) vrtov - studeného a teplého. Studený klaster vrtov slúži na akumuláciu chladu v zime a teplý klaster vrtov slúži na akumuláciu tepla v lete. Tieto klastre sú navzájom prepojené a musia byť od seba vzdialené niekoľko desiatok až stoviek metrov, aby nedochádzalo k ich vzájomnému ovplyvňovaniu. Bilancia čerpania medzi teplým a studeným klastrom by mala byť vyrovnaná, aby nedochádzalo k vyčerpávaniu ATES, napr. z oblasti studeného klastra.
V letnom režime sa odpadné teplo chladenia objektov a teplo z fototermických panelov inštalovaných na strechách budov ukladá v teplom vrte s teplotou 20 °C. Pri akumulácii tepla dôjde k určitému ochladeniu podzemnej vody vo vodonosnej vrstve a je čerpaná v rozmedzí 15 – 18 °C so strednou teplotou počas zimného obdobia približne 16,5 °C. V zimnom vykurovacom režime odovzdáva voda z teplého vrtu teplo cez výmenník do tepelnej siete a je ochladzovaná na teplotu približne 9 °C. Ochladená voda sa následne vtláča do studeného vrtu, aby sa využil chlad v letnom období. Prirodzená teplota podzemnej vody v lokalite má teplotu približne 12 °C a preto ochladenie na nižšie teploty zefektívni chladenie v letnom období. Teplota čerpanej chladnej vody zo studeného vrtu zvyšuje možnosť prirodzeného chladenia a len čiastočne je potrebné aktívne chladenie cez TČ voda/voda.
Vo variante 3T sa uvažovalo s hĺbkou vrtov 70 metrov a hĺbkou vodonosnej vrstvy 15 metrov. Navrhnuté riešenie si vyžaduje prevažne 4 teplé a 4 studené vrty pre jednotlivé komunity (bloky štvrte Mayer Malacky), pričom vzdialenosť medzi klastrom studených a teplých vrtov sa pohybuje od 80 do 100 m. Priemer jedného vrtu je približne 0,5 m. Najväčšie tepelné straty spôsobuje tok spodnej vody, ktorý odnáša tepelnú energiu mimo oblasť využitia a preto sú odporúčané vodonosné vrstvy bez alebo s minimálnym tokom spodnej vody. Hĺbka vodonosnej vrstvy by mala dosahovať aspoň 15 metrov.
Princíp fungovania zásobníka typu ATES systému
Na stiahnutie: Moderný energetický systém pre štvrť Mayer Malacky - štúdia uskutočniteľnosti. Priatelia Zeme-CEPA, 2023.