Hybridní úložiště tepla zvyšuje výkonnost PVT tepelných čerpadel o 72 %

Co jsou PVT panely a proč představují budoucnost

Hybridní solární panely, známé jako PVT (photovoltaic-thermal), představují jednu z nejslibnějších technologií v oblasti obnovitelných zdrojů energie. Na rozdíl od běžných fotovoltaických panelů, které využívají pouze sluneční světlo k výrobě elektřiny, PVT systémy zachycují také odpadní teplo. Tento proces zvyšuje celkovou energetickou účinnost panelu až na 60–80 %, zatímco klasická fotovoltaika dosahuje průměrně 18–22 %.

Teplo z PVT panelů lze využít k ohřevu vody, vytápění nebo jako zdroj pro tepelná čerpadla. Problém však nastává v okamžiku, kdy je slunečního záření více, než kolik domácnost aktuálně potřebuje. Přebytečná energie se buď ztrácí, nebo musí být efektivně uložena pro pozdější použití. Právě zde přichází na řadu úložiště tepelné energie.

Tradiční úložiště mají své limity

Klasická citlivá tepelná úložiště (STES), jako jsou například akumulační nádrže, fungují na principu zvyšování teploty vody. Čím více tepla chceme uložit, tím větší objem nádrže potřebujeme. To vede k prostorovým nárokům a ztrátám tepla do okolí. Alternativou jsou latentní úložiště (LHTES), která využívají fázovou změnu materiálů (například z tuhého na kapalné skupenství). Při této změně dokáží pojmout nebo uvolnit velké množství tepla při téměř konstantní teplotě, a to v mnohem menším objemu.

Každý z těchto přístupů má své výhody i nevýhody. Citlivá úložiště reagují rychle a jsou technologicky jednoduchá, ale zabírají mnoho místa. Latentní úložiště nabízejí vysokou energetickou hustotu, ale jejich řízení je komplikovanější a přenos tepla může být pomalejší. Italský výzkum přišel s řešením, které spojuje to nejlepší z obou světů.

Italský průlom: dva typy úložišť v jednom systému

Vědci z Polytechnic University of Bari a University of Padua navrhli systém, který kombinuje packed-bed latentní úložiště (PB-LHTES) s klasickým citlivým akumulačním zásobníkem (STES). Klíčovým prvkem je inteligentní řízení teploty, které rozhoduje, kudy povede tok tepla v závislosti na aktuální situaci.

Jak systém funguje v praxi? PVT panely vyrábějí současně elektřinu a teplo. Elektřina pokrývá provoz domácnosti a zbytková energie napájí tepelné čerpadlo. Teplo se nejprve snaží uspokojit přímou spotřebu – například ohřev vody v průběhu dne. Pokud je energie nadbytečná, systém ji ukládá. Zde přichází na řadu hybridní úložiště: rychlý latentní zásobník pojme teplotní špičky, zatímco citlivý zásobník poskytuje dlouhodobou stabilitu a vyrovnává sezónní rozdíly.

Vedoucí výzkumník Aminhossein Jahanbin v rozhovoru pro pv magazine vysvětlil: „Cílem je zachytit přebytečné teplo z PVT panelů a přesunout ho do období špičkové poptávky, přičemž se minimalizuje použití pomocné elektřiny. Studie kvantifikuje, jak teplotně řízené směrování mezi úložištěm a tepelným čerpadlem ovlivňuje kvalitu použitelného tepla, provoz čerpadla a sezónní výkonnost.“

Simulace pro reálný bytový dům

Výzkumníci otestovali svůj systém na modelu pětipodlažního bytového domu v italském Bari, tedy v oblasti s vysokou sluneční intenzitou a mírnými teplotními nároky. Simulace probíhaly s minutovým rozlišením po celý rok, s využitím reálných meteorologických dat a detailními modely všech komponent včetně PVT panelů, vrstvených zásobníků, rozvodů a proměnlivých tepelných čerpadel.

Analyzovali čtyři různé konfigurace:

• Referenční případ: Základní systém PVT s tepelným čerpadlem bez hybridního úložiště.
• Case 1: Přidání PB-LHTES za PVT pole pro ukládání přebytečného tepla a podporu ohřevu vody.
• Case 2 a 3: Nahrazení vzduch-voda tepelného čerpadla typem voda-voda s integrací PB-LHTES na straně zátěže.

Výsledky byly přesvědčivé. Topný faktor (COP) tepelného čerpadla vzrostl v referenčním případě z hodnoty přibližně 2,5 v nejlepší konfiguraci (Case 3) na 4,3. To představuje zlepšení o téměř 72 % a znamená, že na každou spotřebovanou kilowatthodinu elektřiny dodá čerpadlo přes 4,3 kilowatthodiny tepla. Pro srovnání – běžná tepelná čerpadla dosahují COP 2,5 až 3,5.

Ještě výraznější byl nárůst podílu obnovitelné energie. V referenčním systému činil pouze 14–37 %. Po implementaci hybridního úložiště dosáhl v letních měsících až 75–80 % a celoročně se stabilizoval na 40–60 %. To dokládá, že systém dokáže výrazně zvýšit vlastní spotřebu solární energie a snížit závislost na elektrické síti.

Význam pro Česko a Evropu

Pro české domácnosti a evropskou energetiku mají tato zjištění zásadní význam. Evropská unie si stanovila cíl dosáhnout do roku 2030 podílu obnovitelných zdrojů na konečné spotřebě energie alespoň 42,5 % a vytápění budov patří mezi největší výzvy. Tepelná čerpadla se přitom stávají klíčovou technologií – podle odhadů by jejich počet v EU měl do konce desetiletí několikanásobně vzrůst.

Hybridní PVT systém s dvojitým úložištěm by mohl pomoci vyřešit několik problémů najednou. Především vyrovnává nesoulad mezi výrobou a spotřebou – v létě se ukládá teplo pro chladnější měsíce a zároveň se snižuje potřeba provozovat tepelné čerpadlo při nevhodných venkovních teplotách. To vede k delší životnosti zařízení a nižším provozním nákladům.

Podle Jahanbina nejsou hlavní zisky dosaženy pouze integrací úložiště samotného, ale synergickým spojením hybridního latentního a citlivého úložiště s teplotně řízenými strategiemi směrování. Tato kombinace zachovává kvalitu získaného tepla, zvyšuje stabilitu dodávek teplé vody a během celého roku konzistentně snižuje závislost na síťovém tepelném čerpadle.

Závěr

Italský výzkum ukazuje, že budoucnost domácí energetiky neleží pouze ve větších panelech nebo výkonnějších čerpadlech, ale ve smarter integraci – propojení výroby, úložišť a řízení do jednoho efektivního celku. Pro české čtenáře, kteří uvažují o tepelném čerpadle nebo solárních panelech, je tento vývoj povzbudivou zprávou: technologie, které nám pomohou výrazně snížit účty za energii a uhlíkovou stopu, jsou na dosah.

Více o studii si můžete přečíst v článku na pv-magazine.com nebo v původní vědecké publikaci v časopise Applied Thermal Engineering.