Legislativní stav mikro-kogenerace v Evropě a Asii

Kogeneraci je možné definovat jako současnou výrobu tepelné a elektrické energie v rámci jednoho procesu. Technologické implementace tohoto konceptu jsou známé jako systémy kombinované výroby elektřiny a tepla (CHP – z angl. combined heat and power). Kogeneraci lze použít v různých měřítcích, od aplikacích ve velkých centralizovaných zařízení až po jednotky určené pro jednotlivé budovy.

Úvod do mikro-kogenerace

Decentralizované kogenerační systémy určené pro rodinné domy nebo malé kancelářské budovy získávají stále větší pozornost. Jejich cílem je vyrábět elektřinu a teplo v blízkosti koncových uživatelů, uspokojovat poptávku po vytápění a ohřevu vody a současně dodávat elektřinu k nahrazení nebo doplnění dodávek ze sítě. Tento koncept se nazývá „mikro-kogenerace“ (micro-CHP).

Hlavní výhodou mikro-CHP je schopnost výroby tepla a elektřiny díky zpětnému získávání odpadního tepla z procesu, což umožňuje dosáhnout primárně vyšší energetické účinnosti ve srovnání se samostatnou centralizovanou výrobou. Snížení spotřeby primární energie v důsledku vyšší účinnosti vede ke snížení emisí skleníkových plynů, přesto CHP nejsou řešením s nulovými emisemi, protože naprostá většina je poháněna zemním plynem. Zvýšení energetické účinnosti má také za následek nižší provozní náklady uživatelů. Další výhodou je schopnost systémů energii vyrábět v místě jejího využití. Z hlediska globálního evropského energetického systému může mikro-CHP také poskytnout výhody distribuované výroby elektřiny a pomoci k stabilitě sítě tím, že v době nouze bude vyrábět elektřinu blízkou spotřebě a zlepšit zabezpečení dodávek elektřiny.

Rozlišujeme tři hlavní typy technologie micro-CHP:

1. spalovací motory
2. vnější spalovací cykly tedy motory s Organickými Rankinovymi cykly a Stirlingovy motory.
3. Třetí typ využívá technologii palivových článků běžně označované jako FC mCHP (z angl. fuel cell micro combined heat and power).

Samotná technologie palivových článků používaná v FC mCHP aplikacích se dělí dle principu na tzv. PEM FC (z angl. polymer electrolyte membrane fuel cell) a SOFC (z angl. solide oxide fuel cell), někdy označovaná jako vysokoteplotní palivový článek.

Převážná většina komerčně instalovaných mikro-kogeneračních jednotek je založena na prvních dvou typech technologie. Systémy FC micro-CHP jsou v rané fázi komercializace. V roce 2019 činil celosvětový prodej mikro-CHP kolem 320 000 jednotek, přičemž asi 85 % jednotek bylo instalováno v Japonsku, zatímco zbývající část převážně v západní Evropě a Jižní Koreji. V České republice je v současné době je provozována pouze jediné zařízení, a to na Vysoké škole báňské v Ostravě.

Mikro kogenerace na bázi palivových článků se těší silné podpory vlád zmíněných asijských států i mnoha států Evropy, neboť oproti spalovacím motorům užívaných v prvních dvou typech mCHP mají palivové články kromě takřka nulové hlučnosti i nulové emise NO_x, CO, SO_x, částic, nespálených uhlovodíků atd.

Velikou nevýhodou je ovšem vysoká pořizovací cena, která zatím dělá zařízení neprodejné bez jisté formy státní podpory. Kromě přímých dotací pro zákazníky snižující pořizovací cenu zařízení nebo systému zelených certifikátů, kdy je vlastník zařízení oceňován za produkci nízkoemisní energie, existují také mezinárodní programy, které slouží výrobcům a pomáhá jim snižovat výrobní ceny a překonávat přidružené technické komplikace jakým je např. zvyšování životnosti. Jedním takový je např. projekt PACE v EU.

FC mCHP si začala budovat své místo na slunci počátkem tohoto století, kdy první komerčně vyráběné jednotky s výkonem 1kWe dosahovaly ceny závratných € 92 000 [1]. Od té doby výrobci vynakládají nemalé úsilí na snižování pořizovací ceny zařízení a dnes se cenu jednotky stejné vývojové řady podařilo srazit přibližně na €14 300. Přestože se podařilo takto významně snížit cenu technologie od jejího uvedení na trh, v mnoha regionech se bez státní podpory jejich nákup stále ekonomicky nevyplácí.

K poklesu ceny FC micro-CHP nemalou měrou přispěly demonstrační projektky probíhající v Evropě a Japonsku. Finanční podpora v rámci těchto projektů umožnila instalaci většího množství zařízení. Velký úspěch zaznamenal japonský projekt ENE-FARM. Relativně uspěšné rozšíření technologie v Japonsku umožnilo lokálním výrobcům významě snižovat výrobní náklady a tím i pořizovací cenu zařízení. Obr. 1 demonstruje vývoj ceny v kontextu s počtem realizovaných aplikací.

Japonský ENE-FARM a evropské demonstrační projekty Callux, ene.field a PACE již prokázaly počáteční technologickou připravenost FC micro-CHP. Jedná se však stále o novou technologii a je potřeba zajistit jisté prodejní objemy, aby dodavatelé mohli překonat bod největšího rizika uplatňující se při komercializaci nových produktů a zároveň, aby se se technologie mohla přesunout do oblasti hromadného trhu fungujícího bez dotačních programů, je třeba dalšího úsilí, vedoucí ke snížení pořizovací ceny.

V Evropě byl v tomto směru spuštěn další program. Po úspěšně zakončeném projektu ene.field v r. 2017 podpora v Evropě pokračuje pod názvem projekt PACE, který je spolufinancován Fuel Cells Hydrogen Joint Undertaking částkou téměř 34 milionů EUR, to je asi 38 % celkového rozpočtu projektu. Projekt začal v červnu 2016 a ukončení se plánuje v srpnu 2021. Očekává se, že v rámci projektu PACE se nainstaluje více než 2 500 FC mikro-CHP systémů mezi lety 2016 a 2021. Závěry z PACE pak umožní výrobcům standardizovat a industrializovat výrobu, zvětšovat rozsah a snižovat výrobní náklady a rozvíjet nové trhy, aby se po roce 2020 usnadnil přechod k vyšším objemům prodeje, řádově 10 000 jednotek za rok.

V Německu byl v roce 2016 také zahájen program financování KfW433 pod záštitou NOW GmbH (Německou národní organizací pro vodíkovou technologii a palivových článků). Tento strategický koncept dalšího zavádění FC micro-CHP technologie na trh přináší nové nástroje umožňující rychlejší zavedení FC mikro-CHP na trh. Koncept spravuje německá banka KfW (Credit Institute for Reconstruction), tato státem vlastněná instituce je třetí největší Německá banka. Očekává se, že program KfW433 poskytne významnou podporu pro další zavádění FC mikro-CHP na trh v Německu, protože úroveň podpory oslovuje širší zákaznickou základnu než dřívější projekty [2]. Zatímco projekt PACE se soustředí na výrobce ve smyslu rozvoje technologie a PR s nadnárodní působností (v 11 klíčových zemí EU), součástí programu financování KfW433 jsou přímé dotace pro zákazníky spolu s levnými úvěry platné pouze v Německu.

Přehled politiky a pro FC micro-CHP

Trhy s FC micro-CHP technologii je možné rozdělit dle regionů do tří oblastí: Evropská Unie, Japonsko a Jižní Korea. Všechny tři trhy jsou již min. od roku 2008 stimulovány různou formou státní podpory, přičemž první očekávání objemů instalací dalece překročily dnes zaznamenané reálné prodeje ve všech třech zmíněných regionech.

V roce 2013 byly reportován cíle a očekávané objemy instalací v jednotlivých regionech do roku 2020 [3]. V Evropské Unii se očekávalo uvést do provozu 50 000 jednotek, Jihokorejská vláda si stanovila cíl 1 milion a japonská vláda dokonce 1,4 milionů aplikací do roku 2020, viz. Obr. 1. Skutečná čísla jsou o mnoho nižší, přesto ukazují na nadcházející rozmach této technologie. V roce 2019 bylo v Japonsku celkem instalováno 300 000 jednotek zatím co v Evropě a Jižní Koreji shodně asi po 10 000 instalací.

Přehled projektů podporující rozvoj FC mCHP technologie:

• Japonský program: ENE-FARM
• Evropské projekty:
  • KWF
    433 https://www.now-gmbh.de/en
  • PACE
    http://www.pace-energy.eu/
  • ene.field
    http://enefield.eu/
  • callux
    http://enefield.eu/relatedprojects/callux-project/

Německo

V Německu představovala elektřina vyrobená prostřednictvím CHP systémů téměř 12,6 % z celkové vyrobené elektřiny s instalovanou kapacitou 21 GW v roce 2005. Očekává se, že díky novým německým zákonům o CHP se zdvojnásobí takto produkovaná elektřina do roku 2020 [3].

Německý trh se doposud ukázal jako daleko největší pro FC mCHP systémy v Evropě s zhruba třetinou instalací v celé Evropě. Zde také odstartoval pilotní projekt pod názvem Callux již v r. 2008 s celkovým rozpočtem €75 mil. Další projekty jako ene.field a PACE, svojí působností zahrnují i další klíčové země Evropy.

Německé autority jsou si vědomy potřeby dále navyšovat objemy prodejů, aby umožnily výrobcům tolik potřebnému snižování cen produktů. Současný politický rámec ve smyslu podpory zavádění technologie v Německu by měl nejen pokračovat, ale rozvijet se a ještě více se zdokonalovat, tak aby bylo dosaženo vyšší stability, soudržnosti a předvídavosti na trhu s FC mikrokogenerací. Podpora FC mikrokogeneračních technologii v rámci právě probíhající podpory KFW433 je ve formě jednorázových dotací pro zákazníka snižující tak pořizovací cenu zařízení a nachází se v v rozmezí € 5 700 - € 28 000 v závislosti na velikosti elektrickho příkonu jednotky, viz Obr. 5. Součástí podpory KFW433 jsou také nízkoúrokové pujčky umožňující kompletní realizaci.

Financování poskytuje také Spolkový úřad pro ekonomiku a kontrolu vývozu (BAFA) K tomu je přidáno financování od Federálního ministerstva dopravy a digitální infrastruktury (BMVI), které je určeno pro společnosti s většími zařízeními.

Případnou další možnost finanční podpory může poskytnout také regionální správa. Např. v rámci „Energiewende“ připravily úřady spolkové země Hesenska podpůrný program pro rozšíření technologie FC micro-CHP. Ten proběhl v letech 2014 a 2015. Hodnota dotací pro koncové uživatele v tomto případě dosahovala až € 17 500 na jednotku, což umožnilo instalaci 44 systémů. Jednalo se převážně o aplikace s vysokými nároky na spotřebu tepla, tedy např. rodinné domy s vyhřívaným bazénem [5]. Jednotlivé formy financování nelze ve všech případech kombinovat.

Jako nepřímou dotaci můžeme považovat také daňové úlevy. V Německu se vrací se spotřební daň za použitý zemního plynu v FC mCHP jednotkách. Dotace činí 0,55 centů za spotřebovanou kilowatthodinu plynu.

Německé úřady také rozhodly o zvýhodněném výkupu injektované elektřiny do distribuční soustavy částkou 8 centů za kWh, to platí pro zařízení s palivovými články do 5 kW elektrického výkonu. Dotace je časově omezená na 60 000 hodin provozu zařízení, což odpovída době zhruba 7 až 12 let.

Další evropské země

Evropských projektů jako ene.field nebo PACE se zúčasnily také jiné klíčové země EU. A ačkoliv zmíněné projekty slouží především pro podporu výrobcí zařízení ve snaze dostat na trh zařízení s příznivější pořizovací cenou, bez podpůrných opatření jednotlivých vlád se místní trhy neobejdou. Napřáklad v Belgii, Francii a Velké Británii je podpora mikrokogenerace nastavena prostřednictvím výhodných výkupních tarifů (tzv. feed-in tariff) a prémiemi za výkupní ceny zelených a bílých certifikátů [5, 6], tedy obchodovatelných komodit představujících ekologickou hodnotu vyrobené obnovitelné energie a prokazujících, že jistá elektřina je generována s využitím obnovitelných nebo nízkoemisních zdrojů energie v případě Zelených certifikátů. Bílé certifikáty představují potvrzení, že bylo dosaženo určitého snížení spotřeby energie.

Význam projektu PACE a ene.field lze dobře demonstrovat na trhu s FC mCHP ve Velké Británii, kde byly např. ceny systému Viessmann Vitovalor za dobu působení projetů sníženy z 18 000 GBP na 9 990 GBP. Společnost Viessmann rovněž získala prestižní certifikaci MCS (z angl. Microgeneration Certification Scheme), která umožňuje provozovatelům mikrokogenerační jednotky Viessmann Vitovalor dosáhnou na vládní dotační program, díky kterému mohou žádat během 10 let o přibližně 6 000 GBP.

Ve Velké Británii, kde se doposud podařilo umístit přes 500 jednotek, však podpora formou zvýhodněných výkupních tarifů skončila v březnu 2019. Tento krok může mít fatální dopad na další prodeje FC mikro-kogenerace ve Velké Británii [6].

V Dánsku aktivně pracuje na vývoji a demonstraci technologie FC mCHP devět společností. První fáze vývoje byla zahájena v roce 2006 a první domácí instalace FC mCHP byla zahájena na konci roku 2008. V roce 2014 končily demonstrační aktivity s 30 nainstalovanými jednotkami.

V roce 2015 používaly dánské rodinné domy přibližně 400 000 topných jednotek z technologie založené na topných olejích, instalace takovýchto jednotek jsou dnes v Dánsku zastaveny. V dokumentu ‘Energy Strategy 2050’ dánská vláda oznámila, že instalace jiných, než nízkoemisních kotlů v domácnostech bude zastavena od roku 2017. V tomto dokumentu je také uveden předpoklad, že v do roku 2017 bude vývoj FC CHP ve fázi, kdy budou schopny dodávat elektřinu za konkurenceschopné ceny [3].

Nizozemská dotace pro mCHP skončila v roce 2012 což vedlo k tomu, že se trh mCHP v zemi téměř zhroutil [3]. Nizozemská politika se obrací směrem ke kompletní elektrifikaci své ekonomiky a nově postavené obytné domy nemají ani možnost se připojit ke stávající rozvodné síti zemního plynu. Nizozemská vláda dokonce zastavila těžbu svých podmořských ložisek fosilních paliv v Severním moří a jedná o možnosti přestavby těžebních plošin k výrobě vodíků z OZE. K jeho dopravě na pevninu se uvažuje využít stávajících plynovodů.

Japonsko

Japonsko zůstává světovým lídrem ve vývoji a zavádění mikro-generačních systémů na bázi palivových článků do domácností a místní trh má přibližně 6-8 let náskok před evropským a jihokorejským trhem. Samotný produkt FC mCHP i dotační program je na japonském trhu známý pod názvem ENE-FARM. Celkový počet instalací dosáhl v roce 2019 více než 300 000 jednotek s meziroční nárůstem 50 000 kusů. Značné úsilí se vynakládá směrem opět ke snižování nákladů a optimalizaci systému. Instalace jednotek v rámci ENE-FARM provádějí regionální plynárenské společnosti, jako je Tokyo Gas, a stále je podporována dotacemi od ústřední vlády a v některých případech regionálních správou. Ačkoli podpora ze strany regionální správy je spíše symbolická, podařilo se například v Jokohamě jenom v březnu 2018 uvést do provozu kolem 13 000 jednotek při velikosti podpory Jokohamské správy ¥ 30 000 (€ 250). Cena zařízení zůstává stále vysoká ¥ 1,14 mil. (€ 9 400), proto bylo japonskou vládou pro další podporu vyčleněno ¥ 7,7 mld. (€ 63,5 mil.) v roce 2018. Podpora je platná pro instalace do obytných, komerčních a průmyslových objektů [7].

Mikro kogenerační jednotky dostupné dnes na japonském trhu dodávají dva hlavní výrobci Panasonic a Aisin Seiki v jedné výkonnostní skupině 0,7 kWe.

Dotační programy odstartovaly v Japonku v roce 2009 a do roku 2012 bylo uvedeno do provozu více než 40 000 jednotek. V říjnu 2012 byl schválen nový dotační rozpočet ve výši ¥ 25 000 milionů na instalace mezi prosincem 2012 a březnem 2014. Očekávalo se, že tato dotace navýší velikost trhu o dalších 50 000 jednotek ročně. Tento záměr se podařilo naplnit jen částečně, viz Obr. 7.

V prosinci 2013 bylo vyhlášeno další kolo dotace pro ENE-FARM, kdy bylo k dispozici 20 miliard JPY (140 milionů EUR). Toto financování poskytne dotaci 0,37 mil. JPY pro každou jednotku PEM FC (2 600 EUR) a 0,43 mil. JPY pro každou jednotku SOFC (3 100 EUR).

Státní dotace v rámci ENE-FARM měly skončit v roce 2015 s předpokladem, že cena za systém domácích palivových článků se do roku 2016 sníží přibližně na 700 000-800 000 JPY. Dle vládního scénáře měla cílová prodejní cena do roku 2020–2030 být 500 000-600 000 JPY. První model s cenou nižší než 2 miliony JPY (přibližně 14 000 EUR) však uvedla na trh společnost Panasonic až v dubnu 2013 [9]. Cena však dodnes neklesla na předpokládané hodnoty.

Cíle japonské vlády pro rok 2020 je snížit návratnost jednotek FC micro-CHP pro koncové zákazníky na 8 let a do roku 2030 na 5let.

• PEM FC micro-CHP
  cílová cena ¥ 800 000 (€ 6 630)
• PEM FC micro-CHP
  současná cena ¥ 960 000 (€ 7 960)
• SOFC FC micro-CHP
  cílová cena ¥ 1 230 00 (€ 10 200)
• SOFC FC micro-CHP
  současná cena ¥ 1 340 000(€ 11 110)

Uvedené ceny z roku 2018 jsou včetně konstrukčních nákladů spojených s instalací do objektů. Vyšší ceny za mikro-kogenerační jednotky s palivovými články typu SOFC jsou dány historicky nižšími objemy prodejů. Do roku 2015 představovaly články tohoto typu pouhých 8 % realizovaných aplikací [10].

Jižní Korea

I vláda Jižní Koreje přiřadila technologii palivových článků prioritní důležitost. Spuštěný dotační program je součástí rozsáhlejšího vládního plánu na zajištění energetické bezpečnosti pro Jižní Koreu a vybudováním vodíkové ekonomiky doplněné o alternativní energetické technologie jako je větrná energie [11].

V Jižní Koreji je mCHP technologie známá pod názvem Residential Power Generators (RPGs). Podpora pro FC micro-CHP je součástí tzv. ‘Green Home Program’, jehož cílem je postavit jeden milion ekologických domů do roku 2020. Na vývoj technologie micro-CHP byl v období 2003-2012 vyčleněn vládou Jižní Koreje rozpočet ve výši 11,8 miliard USD.

V roce 2004 byly dokončeny první mCHP jednotky s kapacitou 1 kWe včetně počáteční fáze praktických zkoušek v terénu. Po úspěšném polním testu RPG v roce 2004 začaly 4 jihokorejské společnosti (GS Fuel Cell, FuelCell Power, HyoSung a LS) s propagací technologie na místním trhu a v letech 2006 až 2009 se podařilo nainstalovat 210 jednotek se státní podporou v celkové hodnotě 18 milionů USD ve formě přímých dotací [3]. Záměrem Jihokorejské vlády bylo snížit technologický náskok ostatních států na poli palivových článků, zároveň očekávala, že do roku 2015 se technologie RPGs dostane do komerčního prodeje.

K dosažení soběstačného trhu s RPGs se i zde vláda rozhodla podpořit trh formou dotací, aby tak navýšila objemy prodeje a umožnila výrobcům snížit cenu micro-CHP jednotek. V r. 2009 odstartoval dotační program financování jihokorejskou vládou s podporou o velikosti 80 % z kupní ceny RPGs. Další podporu 10 % poskytovaly regionální samosprávy. S tím, jak klesala pořizovací cena technologie, byly snižovány také dotace. Prví snížení dotací přišlo roku 2013, kdy klesly na 50 % a konečně na 30 % v r. 2017. Dotace běžely do roku 2020 [9].

Závěr

Vytápění a chlazení v budovách je odpovědné za 36 % emisí uhlíku v Evropě. Požadované opatření ke snížení naší uhlíkové stopy v sektoru budov lze dosáhnout pomocí moderních, účinných, decentralizovaných energetických řešení, kterým stacionární palivový článek v mikrokogeneraci bezesporu je.

Případ Japonska ukazuje, že fúze systémů mikro-CHP a stacionárních palivových článcích je proveditelná a dále skutečnost, že optimální velikost pro obytné budovy leží v rozmezí 0,7-1 kW elektrického výkonu. V Evropě tlačí na vstup těchto systémů různé iniciativy a finance plynou z EU i přes německé specializované dotace. Přesto, celkový počet instalovaných jednotek v Evropě stále zaostává za asijskými čísly.

Výsledky demonstračních projektů však dodaly důvěryhodnost celému odvětví palivových článků, což svědčí o vysoké výkonnosti tohoto konceptu a zdůraznilo kritické body, na které by se měli výrobci zaměřit (snížení nákladů a prodloužení životnosti). Klíčem k rozšíření této technoligie je stále státní podpora, která se musí soustředit nejen na výrobce technologie prostřednicvím zmíněných projektů ve snaze zefektivnit výrobu, ale i na koncové zákazníky, aby se zlepšila krátkodobá ekonomika mikro-kogeneračních jednotek. To může být zásadní, pokud se má technologie dostat na masový trh, a tudíž využít očekávané přínosy pro životní prostředí. S tím souvisí i příležitosti pro vytváření nových pracovních míst.

Aleš Kejla
R&D of hydrogen technologies,
Energy technology Department
Research Centre Rez Ltd.
Hlavní 130, 250 68, Husinec-Řež
Division of Research
and Development in Energy
http://www.cvrez.cz/en/
Tel: +420 266 172 064

Článek byl podpořen Ministerstvem průmyslu a obchodu z projektu FV40239 Optimalizace mikrokogenerace pomocí palivových článků a její environmentální a ekonomické přínosy.

Literatura
1. Staffell, I. and R. Green, The cost of domestic fuel cell micro-CHP systems. International Journal of Hydrogen Energy, 2013. 38(2): p. 1088-1102.
2. Costanzo, D.F.R.A.T.-L.B.d., Fuel Cell micro-CHP in the Context of EU’s Energy Transition. 2017.
3. Ellamla, H.R., et al., Current status of fuel cell based combined heat and power systems for residential sector. Journal of Power Sources, 2015. 293: p. 312-328.
4. Kloth, P. energieheld.de. Available from:
https://www.energieheld.de/heizung/brennstoffzelle.
5. Gütling, K., Regions paving the way for the future of the energy transition. 2017.
6. Authority, G.a.E.M. Feed-in Tariffs: Quarterly statistics. Available from:
https://www.ofgem.gov.uk/environmental-programmes/fit/contacts-guidanceand-resources/public-reports-and-datafit/feed-tariffs-quarterly-statistics.
7. Prof David Hart, F.L., Dr. Stuart Jones, Jonathan Lewis, Matthew Klippenstein, Robert Rose, The Fuel Cell Industry Review 2018. E4TECH, 2018.
8. Aki MARUTA, P.D., Japan’s ENE-FARM programme. 2016, Technova Inc.
9. Evans, D.L., Advanced Fuel Cells ANNUAL REPORT 2013. 2014, International Energy Agency (IEA).
10. The fuel market and stationary fuel cells, S.E. Center, Editor. 2017.
11. Chan, Y. South Korea unveils 80 per cent subsidy for domestic fuel cells. 2009; Available from:
https://www.businessgreen.com/bg/news/1803593/south-korea-unveils-80-cent-subsidy-domesticfuel-cells.