STUDIE VYUŽITELNOSTI DEŠŤOVÝCH VOD JAKO ZDROJE ENERGIE V BUDOVÁCH

STUDIE VYUŽITELNOSTI DEŠŤOVÝCH VOD JAKO ZDROJE ENERGIE V BUDOVÁCH STUDY OF APPLICABILITY OF RAIN WATER AS A SOURCE OF ENERGY IN BUILDINGS Ladislav Chmela, Marek Mihola Moravská vysoká škola Olomouc, Ústav managementu a marketingu [email protected], [email protected] Abstrakt: Příspěvek se zabývá možností využití potencionální energie dešťové vody u budov pro výrobu elektrické energie. Kromě rozboru technického řešení se příspěvek zaměřuje především na ekonomickou stránku řešení. Jsou analyzovány případy nasazení zvoleného systému na příkladu školní budovy v České republice a v deštné oblasti Kolumbie v okolí města Quibdo. V analýze jsou zahrnuty jak podmínky využitelnosti dešťových vod jako zdroje elektrické energie z hlediska srážkových úhrnů, tak i rozdílnosti budov v daných lokalitách. Abstract: Possibilities of using potential energy of rain water from buildings for electric energy generation are considered in the paper. Analysis includes technical and economical part of the solution for a typical school building in the Czech Republic and in the rain forest of Columbia near Quibdo city. Conditions for effective rain water usage and different parameters of buildings in selected locations are also considered. Klíčová slova: dešťová voda, vodní elektrárna, decentralizovaná výroba elektřiny, efektivnost investice. Key words: rain water, hydropower plant, decentralized electricity generation, effectiveness of investment. JEL: Q49, Q42, Q01, Q25, I39 1

Úvod Na střechy budov spadne ročně nemalé množství dešťové vody. Tato voda je většinou vedena svody do kanalizace nebo do prostoru mimo budovu tak, aby neznehodnotila zastřešenou stavbu nebo jiný majetek. Její potenciální energie pak nebývá využívána. Vzali jsme si za cíl zhodnotit možnosti využití potencionální (polohové) energie dešťové vody u budov pro výrobu elektrické energie, neboť tato možnost bývá obecně odmítána.1 Kromě rozboru technického řešení jsme se zaměřili především na ekonomickou stránku možného využití dešťové vody a také na srovnání použití dané technologie pro naši zeměpisnou polohu a pro místo s nadprůměrnými úhrny srážek a zároveň izolované od civilizace. 2

Metody a materiály Rozhodující pro využití potencionální (polohové) energie dešťové vody u budov pro výrobu elektrické energie je zvolit vhodnou technologii pro přeměnu energie vody na elektřinu a dále určit 1

Srov. QUASCHNING, Volker, Obnovitelné zdroje energií, s. 190.

35

podmínky, při kterých budeme využití energie vody počítat. Jde především o velikost budovy (zejm. výška a plocha střechy) a také o meteorologické podmínky dané lokality (četnost a vydatnost srážek). Jako vhodná technologie může být zvolena odvalovací bezlopatková turbína. Obrázek 1: Uspořádání turbíny SETUR (odvalovacího tekutinového stroje)

Zdroj: databáze obrázků Ing. Miroslava Sedláčka, CSc. Obrázek 2: Animace možného uspořádání turbíny SETUR s generátorem elektrické energie

Zdroj: databáze obrázků Ing. Miroslava Sedláčka, CSc.

36

2.1

Převod potencionální energie vody na elektrický výkon Chceme-li potencionální energii vody převést na energii elektrickou, musíme vodu z horní úrovně (s vyšší potencionální energií) nechat vlivem gravitace stéci do úrovně nižší a to přes turbínu, která pohání generátor elektrické energie. Řešení turbíny se liší v závislosti na daném spádu a průtoku vody. Řešení generátoru se pak liší v závislosti na požadovaném druhu generovaného elektrického proudu. Volba turbíny, které bude vyhovovat jak malý spád, tak i malý průtok může být obtížná. Z klasických lopatkových turbín zmiňme, že Kaplanova turbína pracuje efektivně sice již od spádu 2 m, ale až od průtoku 400 l/s, Peltonova turbína pracuje efektivně již od průtoku 10 l/s, ale až od spádu 15 m, Ossbergerova (Bankiho) turbína pracuje efektivně již od spádu 2 m, ale až od průtoku 20 l/s. Nabízí se tedy možnost využít nekonvenční bezlopatkové turbíny SETUR (Sedláčkovy turbíny), která pracuje efektivně již od spádu 0,5 m a průtoku již od 2 l/s. U vodních mikroelektráren dosahuje SETUR až 75% účinnosti při přeměně na mechanickou energii.2 Konstrukční uspořádání a princip turbíny SETUR je na obrázcích 1 a 2. Podle požadovaného druhu generovaného elektrického proudu zvolíme buď generátor střídavého proudu (např. v případě plánovaného napojení na existující distribuční třífázovou síť) nebo generátor stejnosměrného proudu (např. v případě napájení stejnosměrných akumulátorů). 2.2

Zajištění provozních nároků bezlopatkové turbíny Pro zajištění předpokladu, že bezlopatkové turbíny budou poháněny dešťovou vodou o minimálním potřebném spádu, využijeme přímo odtékající vodu ze střech. V grafu 1 jsou pak rozloženy průměrné průtoky Q v litrech za sekundu při odtoku ze střešní plochy vzhledem k měsíčním úhrnům srážek Iměs (počítáno od 0,1 do 1 000 mm) a velikosti lapající plochy střechy S (počítáno od 20 do 300 m2) dle následujících definic.

Černě (1–3 l/s) jsou zobrazeny nepoužitelné, červeně (3–9 l/s) pak podmínečně použitelné kombinace parametrů. Odstíny zelené (9 a více l/s) jsou zobrazeny vhodné kombinace parametrů. Použitelnost a efektivnost řešení bude nejvíce záležet na stabilním zásobování turbíny vodou. Pokud bychom vyloučili zásobník dešťové vody, který je velmi nákladnou záležitosti a v mnoha podmínkách se již nedá do současných budov navrhnout (z hlediska jejich konstrukce a únosnosti), musíme se soustředit na oblasti, které mají na Zemi co nejrovnoměrnější rozložení srážek během roku. Jedna z takových je oblast v Kolumbii v okolí města Quibdo, kde průměrné roční úhrny srážek dosahují přes 8 000 mm, přičemž většina dnů v roce je deštivých. Srovnání průměrných měsíčních úhrnů srážek a procent deštivých dnů v měsíci v lokalitě Quibdo (Kolumbie) s českým městem Ostravou je přehledně uvedeno v grafu 2. Vzhledem k výkonům, které je možno díky dešťové vodě z budov dosáhnout (řádově stovky Wattů) se tato technologie v našich podmínkách nabízí zejména jako záložní zdroj pro nabíjení akumulátorů čidel a nouzového osvětlení. Zajímavější je možnost získat zdroj energie v místech s intenzivnějšími a pravidelnějšími srážkami, které jsou od civilizace vzdálené a z nějakých důvodů nejsou spojeny technickou 2

Srov. Setur [online], . Srov. Abeceda malých vodních pohonů [online], Turbína Setur, . Srov. SEDLÁČEK, M., HOSTIN, S. Rolling fluid machine [patent]. EP 1015760 B1. Srov. SEDLÁČEK, M., BERAN, V., NOVÁK, J. Fluid turbine [patent]. EP 2171260 B1. Srov. SEDLÁČEK, M. Externality a jejich řešení na mikroekonomické úrovni, s.15–22.

37

infrastrukturou, zejména elektrickou sítí. Nabízí se například využití ve školách pro komunity místních obyvatel, kde by mohlo být zajištěno osvětlení, případně i provoz nenáročného elektrozařízení (např. počítače). V případě deště zároveň dochází ke snížení intenzity slunečního záření na zemský povrch a tím pádem i nedostatečné intenzitě světla v místnostech, což by mohlo být vyřešeno osvětlením z tohoto zdroje. Opět se zde nabízí lokalita v okolí města Quibdo, která není civilizací příliš dotčena. Graf 1: Potřebný průtok dešťové vody v závislosti na měsíčním úhrnu srážek a ploše střechy

Zdroj dat: vlastní tvorba Graf 2: Měsíční úhrny srážek a procento deštivých dnů v měsíci ve vybraných lokalitách

Zdroj dat: http://www.worldweather.org/ (vlastní úprava)

38

2.3

Hodnocení investice Jak uvádí E. Kislingerová,3 pro vyhodnocení investice se obecně používají metody čisté současné hodnoty (NPV), vnitřního výnosového procenta (IRR), doby návratnosti (PP), index ziskovosti (PI) a další. Z hlediska potřeby našeho hodnocení jsou důležité zejména doba návratnosti investice a čistá současná hodnota pro uvažovanou investici, protože investora bude zajímat, o kolik více peněz dostane, než původně investovat a také, kdy v čase nastane ona změna a začne na investici vydělávat. Výpočet čisté současné hodnoty NPV je:4 n CFi NPV  C0   i i 1 1  k  kde C0 jsou počáteční kapitálové výdaje, CFi je cash flow plynoucí z realizace investice v letech i, k je diskontní sazba, n je doba životnosti investice. Doba návratnosti je5 definována jako období, za které tok výnosů (cash flow) přinese hodnotu rovnající se počátečním kapitálovým výdajům na investici. Abychom respektovali časovou hodnotu peněz, musíme cash flow diskontovat. 3

Výsledky a diskuse Při hodnocení investice do zařízení byl brán v potaz charakter výstavby v dané oblasti. Zatímco v České republice je většina objektů zděná, skeletová (beton, ocel) nebo panelová a objekty mnohdy dosahují značných půdorysných rozměrů, v případě budovy (školy) v deštném pralese Kolumbie půjde o stavby dřevěné, o půdorysné ploše několika desítek čtverečných metrů. Proto byl výpočet 6 průtoku pro turbínu řešen v několika variantách (viz tabulka 1). V prvém příkladu je počítáno se středně velkým objektem s plochou střechou o ploše 440 m2 v podmínkách ČR. V reálné situaci je toto řešení možné použít pro část roku, kdy jsou srážkové úhrny vyšší, aby byl zajištěn dostatečný průtok po dobu deště, nicméně technické komplikace a náklady na rekonstrukci současného objektu tak, aby byl spád střechy upraven při dané ploše do jednoho odvodu dešťové vody, by byly značné. Ploché střechy o takovýchto plochách mívají totiž více svodů a sklon střechy je podle nich naprojektován. Druhý případ ilustruje školní objekt v Kolumbii s půdorysnou plochou střechy 45 m2, průtok je po většinu roku dostačující, během dne ovšem není konstantní (lze řešit např. pomocí baterie). Třetí případ je uveden pro porovnání varianty ČR a Kolumbie. Ve všech případech by bylo potřeba řešit přepad dešťové vody při zahlcení turbíny náhlým přívalem (vyšším než maximálním projektovaným), zejména pak pro ploché střechy, aby bylo zabráněno možnému zatékání vlivem nedostatečně kvalitního napojení hydroizolaci.

Srov. KISLINGEROVÁ, Eva, Manažerské finance, s. 268. Srov. tamtéž, s. 270-272. 5 Srov. tamtéž, s. 283-287. 6 Srov. MIŠÁK, Stanislav, Vybrané typy zdrojů elektrické energie, s. 99–155. 3 4

39

Tabulka 1: Navržené varianty 1) Ostrava, 2) Quibdo, 3) Ostrava‘ = varianta 2 lokalizovaná do ČR

1) Ostrava měsíční úhrn srážek plocha lapače průměrný průtok 2) Quibdo měsíční úhrn srážek plocha lapače průměrný průtok 3) Ostrava‘ měsíční úhrn srážek plocha lapače průměrný průtok

–2

–1

Iměs (mm) (l·m ·měs ) S (m2) Q (l·s–1) Iměs (mm) (l·m–2·měs–1) S (m2) Q (l·s–1) Iměs (mm) (l·m–2·měs–1) S (m2) Q (l·s–1)

od 26,7 440 4,5 od 517 45 9,0 od 26,7 45 0,5

do 104,4 440 17,7 do 840 45 14,6 do 104,4 45 1,8

průměr 65,6 440 11,1 průměr 678,5 45 11,8 průměr 65,6 45 1,1

Zdroj: vlastní tvorba + http://www.worldweather.org/ (vlastní úprava)

V tabulce 2 je řešen příklad pro školu v lokalitě Quibdo v Kolumbii, pro výše vypočítané průtoky a spád vody podle konstrukční výšky objektu v daných podmínkách. Výpočet výkonu zařízení (W) a roční elektrické práce (kWh) byl prováděn podle následujících definic.

Na základě roční elektrické práce jsme spočítali roční úsporu při zvolené ceně 5 Kč/kWh (tedy imaginární výdaj na koupi ekvivalentního množství elektrické energie vyrobené zařízením za jeden rok), pomocí které jsme vypočítali návratnost investice. Investice 53 000 Kč se skládá z následujících položek: turbína SETUR s generátorem (33 000 Kč), projekt (1 000Kč), mezikontinentální poštovné (5 000 Kč), tamější doprava (1 000 Kč), doplňky ke svodu dešťové vody ze střechy k turbíně a instalace (4 000 Kč) a údržba po dobu životnosti (8 000 Kč). Tabulka 2: Kalkulace využití dešťové vody ze střechy kolumbijské školy v Quibdo pro výrobu elektřiny

veličina spád průměrný průtok hustota gravitační zrychlení účinnost energie pro turbínu účinnost turbíny energie pro generátor účinnost generátoru elektrický výkon hodinová práce roční práce

zn. (jedn.) h (m) Q (l·s–1) ρ (kg·m–3) g (m·s–2) k (–) ET (W) ηT (–) EG (W) ηG (–) P (W) Whod (kWh) Wrok (kWh)

Zdroj: vlastní tvorba

40

hodnota 2,75 11,78 998 9,8 0,91 288 0,65 187 0,7 131 0,131 1 149

Pro určení ceny energie v Kolumbii jsme vycházeli z údajů, které jsou k dispozici např. od kolumbijské Komise pro regulaci energie a plynu7 nebo zpracovány nezávisle.8 Prodejní ceny elektřiny byly v letech 2005 a 2006 na úrovni mezi 0,40 a 0,70 USD za kWh (viz obr. 3) a v následujících letech dosahovaly až trojnásobných hodnot. Průměrné tarify elektrické energie v domácnostech udávaly cenu 0,0979 USD za kWh (v roce 2005) a 0,092 USD za kWh (v roce 2006). V případě, že by ceny rostly jen o cenu na trzích s elektřinou, byla by cena při přepočtu kurzů (průměrný kurz dle České národní banky) cca 3 Kč za kWh, v případě, že by ceny rostly stejným násobkem jako na trzích, pak cca 6 Kč za kWh. Vzhledem k nedostatku aktuálních informací je dále uváděn výpočet pro varianty. Průměrné úrokové míry jsou v Kolumbii přibližně o třetinu vyšší než v České republice, bereme-li v úvahu spotřebitelské úvěry, pak v ČR činila v roce 2011 průměrná sazba cca 14,5 %, 9 zatímco v Kolumbii to bylo 22,3 %.10 Náklady na cizí kapitál byly odvozeny od českých úrokových sazeb pro podobnou investici a stanoveny jako 9 %. Je počítáno s nižší účinností turbíny i generátoru, jelikož jej zřejmě nebude možné udržovat po dobu životnosti v ideálním technickém stavu. Náklady na údržbu jsou rozloženy nerovnoměrně, ve druhém, čtvrtém, pátém, osmém až desátém roce je to 1 000 Kč ročně, v šestém roce je plánována nadstandardní údržba 2 000 Kč. Obrázek 3: průměrné spotové ceny za nákup elektrické energie v amerických centech za kWh

období dešťů

období sucha Zdroj: Peter Cramton 11

V grafu 3 je zobrazena čistá současná hodnota projektu v jednotlivých letech ve variantách ceny elektrické energie 3 Kč/kWh a 6 Kč/kWh, vždy v podobě stabilní ceny nebo s možnosti růstu ceny o 5 % ročně. Jen v optimistickém scénáři lze potvrdit, že čistá současná hodnota projektu bude kladná (6 680 Kč) a doba návratnosti 8,5 roku. V ostatních případech nedojde do konce životnosti zařízení k návratu investice. Vzhledem k užití zařízení v těžko přístupných místech ve značných vzdálenostech (i stovky kilometrů) od civilizace, je však nejvyšší uvedená cena energie reálná. Vzhledem k absenci elektrifikace, bude v případě jejího zavádění cena za energii zatížena vysokými investičními náklady, které se promítnou do tarifu zákazníkovi.

Srov. HARBORD, David. CREG's Proposals for Mitigating Market Power in Colombia’s Wholesale Electricity Market. s. 5. Srov. CRAMTON, Peter. Colombia’s Forward Energy Market. s. 27. Srov. Wikipedia. Electricity sector in Colombia [online]. . Srov. NIGRIS, Michele. Smart Grids perspectives in Latin America and the Caribbean. s. 13. 9 Srov. Navigátor bezpečného úvěru [online]. . 10 Srov. Ministerstvo zahraničních věcí. Kolumbie, Ekonomická charakteristika země [online]. . 11 CRAMTON, Peter. Colombia’s Forward Energy Market. s. 27. 7 8

41

Graf 3: Čistá současná hodnota projektu v jednotlivých letech pro různé varianty ceny elektrické energie

Zdroj: vlastní tvorba

Způsob využití dešťové vody pro výrobu elektrické energie není investičně nejvýhodnějším užitím turbíny, jeho výhodou je jednoduchost na údržbu. Tím může být zajímavý pro místní obyvatele vzdálených oblastí, kteří nejsou napojeni na infrastrukturu. Pro Českou republiku pak nebylo vyhodnocení provedeno, neboť i v případě ceny 6 Kč/kWh a každoročním nárůstu cen energií, budou investiční náklady na úpravu existující potřebné plochy střechy řádově vyšší a investice se během životnosti zařízení nemůže vrátit. V případě rekonstrukce i novostavby bychom dále potřebovali nádrž na dešťovou vodu, která prakticky i v minimálním objemu překoná hodnotu investice do samotného zařízení. Zmíněné využití turbíny v našich podmínkách výše uvedeným způsobem není vhodné. 4

Závěr Ze zhodnocení možnosti využití potencionální (polohové) energie dešťové vody u budov pro výrobu elektrické energie vyplývá, že rozhodujícími parametry pro realizovatelnost takového projektu jsou úhrn srážek (s přihlédnutím k četnosti srážek), plocha střechy jímající dešťovou vodu, výška budovy (resp. spád koncentrované dešťové vody do turbíny), minimální průtok nutný k efektivnímu fungování turbíny a také účinnost elektrického generátoru. Zjistili jsme, že minimální průměrný průtok by měl být alespoň 9 l/s pro efektivní výrobu elektřiny. Pro Českou republiku by to znamenalo svést dešťovou vodu z plochy střechy alespoň dvakrát větší, než počítaných 440 m2, a to především z důvodu využití i kratších dešťů v obdobích, kdy jsou srážkové úhrny nižší, aby bylo dosaženo požadovaného průtoku turbínou. Pro vybranou deštivou lokalitu Quibdo v Kolumbii je pak i menší školní budova se střechou 45 m2 dostačující pro téměř celoroční výrobu více jak 100 W elektrického výkonu, roční vyrobená energie je více jak 1 MWh. Tento malý zdroj energie může v tamější škole sloužit např. jen pro osvětlení během tmavého deštivého dne, případně může být i zdrojem energie pro nenáročný spotřebič, jakým je např. počítač – ještě lépe pro dobíjení baterie notebooku či přímo akumulátoru dodávajícího energii i při nedeštivých dnech. Počítáme-li s investicí 53 000 Kč, potom za 10 let vyrobí zařízení téměř 11 MWh elektrické energie. Cena 1 kWh vyrobené energie je pak necelých 5 Kč. Pokud by se tato pravděpodobně vysoká cena pro obyvatele oblasti okolo města Quibdo ještě snížila díky dotaci na pořízení zařízení od humanitárních nebo dobročinných organizací, které se zabývají vzděláváním v odlehlých a nedostupných částech světa, vznikl by levný a čistý obnovitelný zdroj elektrické energie 42

pro nejzákladnější potřeby malé školy v deštivých a odlehlých oblastech. Využití tohoto zdroje energie nemusí být omezováno na dešťovou vodu ze střech budov. Další možná řešení jsou však již nad rámec článku. Literatura [1] [2] [3] [4] [5]

[6] [7] [8] [9] [10]

[11] [12] [13] [14] [15] [16]

Abeceda malých vodních pohonů [online]. Praha: EkoWATT, 2011 [cit. 2011-11-01]. Turbína Setur. Dostupné z http://mve.energetika.cz/jineturbiny/setur.htm CRAMTON, P. Colombia’s Forward Energy Market [online]. Maryland: University of Maryland, 2011, [cit. 2011-12-28]. Dostupné z http://www.cramton.umd.edu/papers2005-2009/cramtoncolombia-forward-energy-market-slides.pdf HARBORD, D. CREG's Proposals for Mitigating Market Power in Colombia’s Wholesale Electricity Market [online]. Bogota: CREG, 2010 [cit. 2011-12-28]. Dostupné z: http://www.creg.gov.co/html/cache/gallery/GC-1/G-4/David_Harbord.pdf KISLINGEROVÁ, E. a kol. Manažerské finance. 2. přepracované a doplněné vydání. Praha: C. H. Beck, 2007. 745 s. ISBN 978-80-7179-903-0. Kolumbie, Ekonomická charakteristika země [online]. Praha: Ministerstvo zahraničních věcí, 2011, [cit. 2011-12-28]. Dostupné z: http://www.mzv.cz/jnp/cz/encyklopedie_statu/jizni_amerika/kolumbie/ekonomi ka/ekonomicka_charakteristika_zeme.html MIŠÁK, S. Vybrané typy zdrojů elektrické energie. Ostrava: VŠB-TU Ostrava, 2010. 229 s. ISBN 978-80-248-2168-9. Navigátor bezpečného úvěru [online]. Praha: Univerzita Karlova v Praze, 2011 [cit. 2011-12-28]. Dostupné z: http://www.eeip.cz/download/111130-Navigator%20studie%20EEIP-aUK%20final.pdf NIGRIS, M. Smart Grids perspectives in Latin America and the Caribbean. In CEPAL Conference on Smart grids. Santiago: CEPAL, 2010. QUASCHNING, Volker. Obnovitelné zdroje energií. Praha: Grada, 2010. 296 s. ISBN: 978-80247-3250-3. SEDLÁČEK, M. Externality a jejich řešení na mikroekonomické úrovni. In: Management udržitelného rozvoje životního cyklu staveb, stavebních podniků a území: hypotézy k VZ05. Praha: České vysoké učení technické v Praze, Fakulta stavební, Katedra ekonomiky a řízení ve stavebnictví, 2005, s. 15-22. ISBN: 80-01-03380-5. SEDLÁČEK, M., HOSTIN, S. Rolling fluid machine [patent]. EU. Evropský patent, EP 1015760 B1. Uděleno 05.06.2002. Dostupné z: https://data.epo.org/publicationserver/document?PN=EP1015760%20EP%201015760&iDocId=5287556&iPosition=1&iFormat=0 SEDLÁČEK, M., BERAN, V., NOVÁK, J. Fluid turbine [patent]. EU. Evropský patent, EP 2171260 B1. Uděleno 04.05.2011. Dostupné z: https://data.epo.org/publicationserver/rest/v1.0/publication-dates/20110504/patents/EP2171260NWB1/document.pdf Setur [online]. Praha: Setur, 2003 [cit. 2011-11-14]. Dostupné z http://setur.cz Wikipedia. Electricity sector in Colombia [online]. [cit. 2011-12-28]. Dostupné z: http://en.wikipedia.org/wiki/Electricity_sector_in_Colombia World Weather Information Service [online]. Hong Kong: WMO, 2011 [cit. 2011-11-01]. Weather Information for Ostrava. Dostupné z: http://www.worldweather.org/172/c00920.htm World Weather Information Service [online]. Hong Kong: WMO, 2011 [cit. 2011-11-01]. Weather Information for Quibdo. Dostupné z: http://www.worldweather.org/057/c00883.htm

43