Budeme si doma vyrábět elektřinu z teplé vody?

Když jsem v roce 2002 obhajoval svou diplomovou práci s názvem Analýza využitelnosti Stirlingova motoru pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla, tak to vypadalo, že v mikrokogeneraci je blízká budoucnost. Dnes je začátek roku 2017 a o mikrokogeneraci se mluví možná ještě méně než na začátku milénia. Co se za tu dobu vlastně stalo?

Samotná myšlenka mikrogonerace neboli kogenerace v domácnostech vypadá docela životaschopně: Vyrábět pomocí tepelného motoru elektřinu a teplo pro domácnost, která oba druhy energie spotřebovává. Co může být ideálnějšího než výroba i spotřeba v jednom místě? Nápadu se ujalo velké množství společností, ale jejich pokusy skončily více méně nezdarem. Zkoušeny byly malé spalovací motory, parní motory, Stirlingovy motory a dokonce i palivové články. Nic z toho se na trhu neujalo. Navíc palivem pro tyto technologie byl zemní plyn nebo v nejlepší případě dřevěné peletky, což není zrovna široký výběr levného paliva. Problém byl i velký elektrický výkon a tomu ekvivaletní tepelný výkon a pořízení takové jednotky znamenalo pořízení větší akumulační nádrže na teplou vodu. Jednotka se zapínala pouze v době, kdy nádrž byla vybitá, takže v létě musel být její provoz velice řídký, takže se splácely z výroby elektřiny velmi pomalu (roční úspora nákladů na elektřinu činila cca 3000 Kč).

Domnívám se, že tento neúspěch má na svědomí fakt, že tyto jednotky neměly promyšlený ekosystém prodkutu. Jednotky, které se na trh dostaly měly drahý servis a špatnou integrovatelnost do energetického toku domácností. V podstatě se jednalo o produkty od technických nadšenců pro technické nadšence. Není se tedy čemu divit, že obyčejný člověk, který chce jen ušetřit na základě počáteční investice, o takové jednotky nemá zájem.

Když se kriticky zamyslíme nad tím, co zde bylo řečeno, můžeme definovat vlastnosti ideální mikrokogenerační jednotky. Uživatel o ní nesmí vůbec vědět, vyrábí elektřinu a teplo, žádná práce navíc, ale chápe, že na začátku musí investovat. Důležité je, aby se v cílové domácnosti nemusely dělat drahé a rozsáhlé úpravy stávajícího systému výroby tepla. Musí se tedy počítat s tím, že domácnost si už nějakým způsobem teplo vyrábí, což je spojené s nějakým konkrétními starostmi (čištění komínu a kotle, shánění paliva). Při pořízení mikrokogenerační jednotky uživatel určitě nebude chtít práci navíc například další čištění, protože úspora 3000 Kč ročně za to většině nestojí. Někteří budou očekávat, že po splacení počáteční investice budou vydělávat výrobou elektřiny. Tato úvaha je nereálná ekonomicky i technicky, ale myslím, že se lze spokojit s úsporou výdajů za elektřinu. Toto je potřeba zdůrazňovat, protože větší očekávání splnit není možné. Samozřejmě taková jednotka by měla mít využití i mimo topnou sezónu.

Uvedené požadavky by mohla splňovat jednotka na teplou vodu o teplotě 110 °C. Jedná se o maximální teplotu, kterou dovoluje legislativa pro "jednoduché" kotle, protože 110 °C je relativně bezpečná hranice v případě různých havárií. U takové jednotky by bylo jedno, jaký je způsob ohřevu vody, takže lze použít jakékoliv palivo. Navíc jednotku na teplou vodu zapojí i proškolená osoba přímo do rozvodu teplé vody v domácnosti.

Dovedu si představit, že teplo pro tuto jednotku se bude vyrábět v kotli. Je jedno jaký typ jestli na biomasu nebo na zemní plyn atd. Technicky nejsou tyto kotle o nic složitější než kotle na 90 °C vodu, takže by se mohly objevit na trhu velmi rychle. Další výhoda jednotky na teplou vodu je, že by bylo možné jednoduše jednotku přepínat na jednotlivé zdroje teplé vody. Například v létě by se teplo mohlo vyrábět v solárních kolektorech a kotel na dřevo nechat odstavený.

Účinnost výroby elektřiny takové jednotky samozřejmě bude nízká (očekávám reálně kolem 5 %), hodně bude záležet na chladícím okruhu. V případě zimy se nabízí použití vytápěcího okruhu jako chladícího okruhu. Čím nižší teplota vody pro vytápění bude nutná tím lepší pro elektrickou účinnost. Nejnižší lze očekávat u klasického systému teplovodních radiátorů s teplotou kolem 60 až 70 °C. Naopak vyšší bude u podlahového nebo vzduchového vytápění, kde stačí teploty vody kolem 40 °C. Zajímavé využití nabízí letní provoz jednotky při spojení se solárními kolektory, kdy odpadá vytápění, a naopak je přebytek tepelného výkonu. V takových případech bude možné teplo za jednotkou i mařit, tak aby bylo dosaženo co největší výroby elektřiny.

Vhodnými kandidáty na nízkopotenciální tepelné motory* jsou atmosférický pístový parní motor a Stirlingův motor. Problém je, že v provedením o kterém píšu je nikdo nenabízí. Na internetu jsou sice videa různých takových motorů – alespoň podle autorů. Ale velké kovové pomaluběžné konstrukce se nehodí pro svou cenu, velikost a navíc se nejedná o konstrukce vhodné pro sériovou výrobu a jednoduchý servis. Domnívám se, že tepelný motor pro domácnosti by měl mít jmenovitý výkon pouze kolem 300 W. Díly, které podléhají opotřebení musí být z plastu (další výhoda hranice 110 °C), takže v případě poruchy opravu, respektive výměnu díl za díl svede i školená osoba. Mám na mysli především píst a válec, který by mohl být kombinací vlnovce a pístu. Cena takové jednotky by měla odpovídat výkonu cca od 10 do 15 tis. Kč.

Nejvíce se mi líbí myšlenka atmosférického pístový parní motoru, kdy práci vykoná okolní tlak vzduchu poté co se do válce nasávající sytou páru z uvolňovače páry o teplotě 100 °C vstříkne chladnější voda. Takový motor je bezpečný a k realizaci celého oběhu bude postačovat cirkulační čerpadlo topného systému domu. Také by šel zkonstruovat otevřený systém pro případy, kdy by dům nemusel být vytápěn a k dispozici by bylo teplo ze solárních kolektorů, potom by bylo možné vstřikovat do válce vodu o teplotě okolí pro vytvoření co největšího podtlaku a kondenzát odvést do odpadu. Aby se neplítvalo vodou musí se jednat o vodu ze zachycených dešťových srážek, která je navíc bez minerálů apod.

Oproti očekávání lidí, kteří mají představu o elektrárně v každém domě, která bude i vydělávat, se zdá být výkon navrhovaných jednotek malý. Jenže dělat z domovů elektrárny, respektive vyrábět nadbytek tepla jen kvůli tomu abychom prodali elektřinu nedává smysl, a defakto má jen negativa (zatížení prostředí, el. sítě i sítě distribuce paliv + problémy s velkou jednotkou jako je zajištění prostoru, servisu apod.) Výhoda malých výkonů je i v tom, že majitel nemusí měnit stávající topnou soustavu domu, protože kotel bude stále týž. Výkon kotle nemusí měnit a potrubí v domě a hlavně cena za kotle se nemusí splácet z vyrobené elektřiny, protože by si jej stejně pořídil.

Navrhovaný systém asi není to co by si mnozí představovali, ale zavedení těchto jednotek by mohlo nastartovat zájem o mikrokogeneraci a vývoj takových jednotek, a za pár desítek let by se mohli objevit zcela nové nápady na hospodaření s energiemi v domácnostech. Například pračky s přípojkou na studenou i teplou vodu, tak aby se snížila spotřeba elektřiny pračky. Možná by šlo 110 °C teplou vodu chytře využít k vaření apod. Toto vše může v budoucnosti přispět k úspoře paliv i čistšímu prostředí.