Príprava tepla v rodinnom dome vodíkom alebo zmesou plynov

Detail na linku vo vidieckej kuchyni
Zdroj: Shutterstock

V súčasnosti už existujú prvé pilotné projekty vykurovania rodinných domov vodíkom alebo zmesou obnoviteľných plynov. Na ich distribúciu je pritom možné využívať súčasnú distribučnú sieť zemného plynu.

Zmena klímy je pre ľudstvo a životné prostredie jednou z najdôležitejších výziev súčasnosti. Pomôcť v riešení by mala Parížska dohoda, ktorej hlavným cieľom je udržať zvyšovanie priemernej celosvetovej teploty výrazne pod 2 °C v porovnaní s predindustriálnymi úrovňami a snažiť sa o obmedzenie tohto zvyšovania do 1,5 °C. Tento cieľ sa má dosiahnuť dekarbonizáciou ekonomiky. Tieto záväzky sú vyjadrené rôznymi stratégiami, ako je napr. tzv. Hydrogen strategy, a premietajú sa do európskej legislatívy. Na tieto skutočnosti reaguje aj sektor plynárstva, a to snahou o integráciu dekarbonizovaných a obnoviteľných plynov. Medzi takéto partia biometán a vodík.

Biometán

Pravidlá pre primiešavanie biometánu do zemného plynu (ďalej len „ZP“) sú jasné. Biometán je upravený bioplyn, ktorý má technické parametre porovnateľné s technickými parametrami ZP, je teda zameniteľný so ZP bez ďalších úprav na strane odberateľa, a teda ho možno distribuovať odberateľom plynárenskými sieťami.

Biometán je upravený bioplyn, ktorý má parametre porovnateľné so zemným plynom.

Významný potenciál na zvyšovanie produkcie biometánu v SR existuje vo využívaní BRKO (biologicky rozložiteľného komunálneho odpadu), podľa Integrovaného národného energetického a klimatického plánu je to až 65 mil. m3 + ďalších 42 mil. m3 z kuchynského a reštauračného odpadu + ďalších 205 mil. m3 z exkrementov hospodárskych zvierat. Na Slovensku je však potrebné legislatívne a aj fakticky zaviesť modernú cirkulárnu ekonomiku. Tým by sa znížila aj potreba skládkovania!

Vodík

Jedným z ďalších projektov dekarbonizácie ekonomiky je výroba a primiešavanie vodíka (ďalej len „H2“) do ZP, prechodné štádium, a neskôr distribúcia čistého H2. Tento projekt je známy pod názvom H2Pilot. Primiešavanie H2 sa v rámci plynárenského sektora vníma ako evolučný krok, ktorý bude musieť plynárenský sektor (v našom prípade na úrovni distribúcie) vykonať v najbližších rokoch. V súčasnosti sa dá pozorovať nárast výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov (OZE).Najmä jej výroba zo slnka alebo vetra je neregulovateľná, resp. s obmedzenou reguláciou. K problému prebytočnej energie z OZE sa možno postaviť viacerými spôsobmi. Prebytočná elektrická energia (z OZE) má nízku cenu, v niektorých prípadoch až zápornú. Je preto výhodné ju uskladniť a spotrebovať.

Výroba H2 ako „batérie“ elektrolýzou má svoj praktický význam a navyše má elektrolýza vysokú účinnosť (75 % výroba elektrickej energie, 20 % teplo, ktoré sa dá využiť priamo na mieste). Do 1 kg H2 možno uskladniť 39,4 kWh energie, do 1 kg batérií približne 0,300 kWh. Kapacity, uskladnenie a distribúciu H2 z miesta výroby po miesto spotreby už existujú. Batériové úložiská je však ešte potrebné vybudovať. Zároveň treba zohľadniť nárast ceny lítia, ktorý je za ostatný rok vyšší ako 500 %! Súčasné ceny vodíka sú uvedené v tabuľke. Cena zeleného vodíka by mala klesnúť do roku 2030 až o 80 % (podľa Bloomberg). Cieľová cena H2 by mala byť v roku 2050 0,8 €/kg, resp. 0,0203 €/kWh. S distribúciou H2 v plynárenských sieťach ráta aj pripravovaný Návrh nariadenia Európskeho parlamentu a Európskej komisie o podmienkach prístupu do prepravných sietí pre ZP (Regulation of the European Parliament and of the Council on Conditions for access to the natural gas transmission networks), z ktorého vyplýva povinnosť akceptovať pri cezhraničnej preprave ZP obsah H2 do úrovne 5 % obj. od roku 2025 (článok 20). Keďže sú systémy prepravy, distribúcie a skladovania vzájomne prepojené, táto legislatívna povinnosť ovplyvní aj podmienky prevádzky distribučnej siete.

Súčasné ceny vodíka

Sivý vodík 0,5 až 1,8 €/kg
0,0127 až 0,0457 €/kWh

Modrý vodík 2,5 až 3,5 €/kg
0,0635 až 0,0888 €/kWh

Zelený vodík 4,0 až 8,0 €/kg
0,1015 až 0,2030 €/kWh

Projekt H2Pilot

H2Pilot reprezentuje konkrétny príspevok SPPD v snahe transformovať plynárenskú infraštruktúru v budúcom období na Slovensku. Ide o historicky prvú hmatateľnú iniciatívu v spojitosti s aplikáciou H2 v prevádzkových podmienkach.


Cena zeleného vodíka by mala klesnúť do roku 2030 až o 80 %.

Prvoradým zámerom SPPD pri projekte H2Pilot je zabezpečiť jeho realizáciu pri maximálnej úrovni bezpečnosti, preto je prípravná, ako aj realizačná časť projektu riadená za účasti autority v oblasti posudzovania bezpečnosti pri prevádzke vyhradených technických zariadení (VTZ) so znalosťami a skúsenosťami z obdobných iniciatív, ktoré prebiehali/prebiehajú v širšom európskom priestore. Z tohto dôvodu sa SPPD spojila so spoločnosťou TUV SUD, ktorej úlohou je dohliadať na stránku bezpečnosti pri posudzovaní pripravenosti vybranej časti distribučnej siete na realizáciu projektu. Zmes ZP a H2 je dodávaná spotrebičom, či už sú to plynové sporáky, prietokové ohrievače vody, plynové kotly, alebo lokálne zdroje tepla (gamatky). Staršie spotrebiče boli konštruované na spaľovanie ZP, v ktorom prevažuje metán. Nové spotrebiče sú testované skúšobným plynom G222 (23 % obsah H2 v ZP) podľa STN EN 437:2021-08 (06 1001): Skúšobné plyny. Skúšobné tlaky. Kategórie spotrebičov. Táto povinnosť vyplýva z legislatívy od roky 2004 (prijatie EN noriem). V západných krajinách sú plynom G222 testované plynové spotrebiča už od začiatku 90. rokov. Podľa vyjadrenia výrobcov sú už nové spotrebiče pripravené na zmes ZP a 20 % H2.

H2 má na rozdiel od ZP výrazne iné vlastnosti – má nižšiu hodnotu spaľovacieho tepla (horná výhrevnosť) ako ZP (H2 – 3,54 kWh/m3, ZP – 10,69 kWh/m3). Teplota vodíkového plameňa je vysoká, približne 2 800 °C, teplota plameňa ZP je približne 1 700 °C. Hmotnosť 1 m3 H2 je iba 89,9 g,
pričom 1 m3 ZP má hmotnosť 667 g. Zmes ZP a H2 na rozdiel od čistého ZP má nižšiu hodnotu spaľovacieho tepla a tá sa znižuje vyšším obsahom H2. Napr. 5 % obsah H2 znižuje hodnotu spaľovacieho tepla z 10,69 kWh/m3 na 10,31 kWh/m3, 10 % na 9,96 kWh/m3 a pri 20 % už dochádza k poklesu spaľovacieho tepla na hodnotu 9,24 kWh/m3. Nevyhnutnou podmienkou použitia zmesi ZP a H2 v domácich spotrebičoch je bezpečné spaľovanie zmesi bez významného vplyvu na samotné spotrebiče, resp. bez akýchkoľvek dodatočných úprav spotrebičov. V odborných publikáciách renomovaných spoločností platí všeobecná zhoda – obsah vodíka do 10 % v zmesi nepredstavuje žiadne, resp. len minimálne technické riziko pre domáce spotrebiče [1] [2] [3] [4].

Pri rastúcom obsahu H2 v zmesi so ZP sa znižuje hodnota spaľovacieho tepla (znižuje sa množstvo energie v tom istom objeme plynu) – pri tom istom tlaku plynu vstupujúceho do spotrebiča – horákom. Pri 10 % obsahu H2 poklesne výkon kotla približne o 2,7 %. [3]. Pri bežných plynových kotloch, ktoré sú inštalované v starších rodinných domoch, klesne výkon P100%ZP = 24 kW kotla na P90%ZP,
10%H2 = 23,35 kW. Pokles výkonu plynového kotla je zanedbateľný (väčšinou je výkon kotla vyšší, ako je tepelná strata rodinného domu). Pri kuchynských sporákoch dochádza takisto k poklesu
výkonu – horák s výkonom P100%ZP = 3 kW (veľký horák) – vplyvom zmesi stratí výkon a konečný výkon bude P90%ZP, 10%H2 = 2,9 kW. Aj v tomto prípade dôjde k poklesu o zanedbateľnú hodnotu, ktorá nemá reálny vplyv na jeho prevádzkovanie. Zmes ZP a H2 má byť použitá aj na kotly a sporáky staršej konštrukcie, pri ktorých sa nepočítalo s iným palivom ako ZP (poprípade propán), preto bolo potrebné analyzovať stabilitu plameňa. Nestabilné horenie sa prejavuje buď odtrhnutím plameňa od ústia horáka, alebo prešľahnutím plameňa do telesa horáka. Z analýzy [3] vyplýva, že je potrebné vykonať analýzu horenia až pri zmesiach s obsahom H2 väčším ako 20 %. Pri uvažovanej zmesi s 10 % H2 by mal byť plameň stabilný.

Vykurovanie rodinných domov zmesou plynu a čistým vodíkom

Výhrevnosť H2 je trikrát nižšia ako výhrevnosť ZP, a teda sa bude musieť distribuovať trikrát väčšie množstvo H2 ako ZP, aby sa odberateľovi dodalo požadované množstvo energie. Súčasná distribučná sieť po „kapacitnej“ stránke vyhovuje. Na základe modelovania programom Simone (európsky softvérový systém na simuláciu a optimalizáciu prepravy a distribúcie plynu) bolo určené, že pri zachovaní kapacity plynovodu (dimenzia, tlak) je potrebné zväčšiť priemer plynovodu o 15 %. Nazdávame sa, že v prípade celkového znižovania spotreby energií je kapacita distribučnej siete postačujúca aj na distribúciu čistého H2.

Systém prípravy tepla a elektrickej energie v palivových článkoch
Systém prípravy tepla a elektrickej energie v palivových článkoch. | Zdroj: SPP

Plynový kondenzačný kotol

Pri zmesi plynov, ako je napr. zmes ZP a biometánu, sa nič nemení. Plynový kondenzačný kotol, tak ako ho poznáme, dokáže túto zmes spaľovať bez akýchkoľvek obmedzení. V prípade zmesi plynov s pridaním H2 do 10 % sa javí vykurovanie a príprava teplej vody rovnako bez obmedzení. Výrobcovia plynových kotlov deklarujú, že nové kotly (vyrobené po roku 2020) sú H2 ready do 20 % obsahu vodíka a od roku 2024 sú v príprave kotly, ktoré budú schopné spaľovať čistý vodík. Moderné plynové kotly budú schopné pripravovať teplo a teplú vodu tak ako doteraz!

Palivový článok – „semi“ ostrovná prevádzka

V súčasnosti sú už k dispozícii palivové články (ďalej len „PČ“), ktoré v reforméri rozložia ZP na H2 a CO2. Ak sa bude do PČ dodávať čistý H2, resp. zmes bohatá na čistý H2, bude účinnosť výroby elektrickej energie vyššia, približne na úrovni 60 % a 30 % tepla. Moderný systém s PČ (obr. 1) je schopný na základe riadiaceho systému, ktorý bude podľa potreby tepla, teplej vody a elektrickej energie pre domáce spotrebiče, smerovať energiu podľa požiadaviek. Teplo vyrobené v palivovom článku bude slúžiť na prípravu teplej vody a vykurovanie. V prípade potreby vyššieho tepelného výkonu sa časť vyrobenej elektrickej energie využije na výrobu tepla. Zvyšná elektrická energia sa uskladní v tzv. battery boxe a pripraví na okamžitý odber. Riadiace systémy tohto druhu sa „učia“ (machine learning) predvídať potrebu elektrickej energie jednotlivými spotrebičmi, riadia prioritne regulovateľné domáce spotrebiče elektrickej energie. V prípade nedostatku elektrickej energie alebo výkonu systém „nakúpi“ elektrickú energiu z verejnej siete.

Palivový článok – „semi“ ostrovná prevádzka

V súčasnosti sú už k dispozícii palivové články (ďalej len „PČ“), ktoré v reforméri rozložia ZP na H2 a CO2. Ak sa bude do PČ dodávať čistý H2, resp. zmes bohatá na čistý H2, bude účinnosť výroby elektrickej energie vyššia, približne na úrovni 60 % a 30 % tepla. Moderný systém s PČ (obr. 1) je schopný na základe riadiaceho systému, ktorý bude podľa potreby tepla, teplej vody a elektrickej energie pre domáce spotrebiče, smerovať energiu podľa požiadaviek. Teplo vyrobené v palivovom článku bude slúžiť na prípravu teplej vody a vykurovanie. V prípade potreby vyššieho tepelného výkonu sa časť vyrobenej elektrickej energie využije na výrobu tepla. Zvyšná elektrická energia sa uskladní v tzv. battery boxe a pripraví na okamžitý odber. Riadiace systémy tohto druhu sa „učia“ (machine learning) predvídať potrebu elektrickej energie jednotlivými spotrebičmi, riadia prioritne regulovateľné domáce spotrebiče elektrickej energie. V prípade nedostatku elektrickej energie alebo výkonu systém „nakúpi“ elektrickú energiu z verejnej siete.

Poznámka
1. Klimatizácia, rekuperácia, ohrev vody (impulzná šírková modulácia regulácie), nabíjanie elektrobicykla…

Literatúra
1. Schweitzer, J. – Bruun, J. – Sadegh, N. – Jørgensen, L. – deWit, J.: Gas Quality Requirements WP2, Future Gas Nov. 2019. 2. Altfeld, K. – Pinchbeck, D.: Admissible Hydrogen Concentrations in Natural Gas Systems, Gas for Energy, GERG 3/2013. 3. Ing. Josef Fík, Dr. Ing. Libor Čapla, RWE Gas Storage CZ, s. r. o., Ing. Jiří Žahourek, CSc., LABGAS: Spalování směsí zemního plynu s vodíkem v domácích plynových spotřebičích. 4. Prime movers’ group on Gas Quality and H2 handling: Knowledge sharing session on ‘Mitigation measures for gas quality and H2 handling’, #6 meeting, 24th February 2021.

Text: Ing. Radovan Illith, PhD., SPP – distribúcia, a. s.
Foto: isifa/Shutterstock, obrázky: SPP – distribúcia, a. s.
Zdroj: Časopis Urob si sám špeciál

Komentáre

Pridaj komentár

Emailová adresa nebude zverejnená, poskytnutá iným osobám ani na ňu nebudeme nič posielať. Je však nutná na prevádzku diskusií. Pozrite si naše podmienky spracovania osobných údajov. Ak sa vám nechce zakaždým zadávať prezývku a email, využite možnosť bezplatnej registrácie.

Ak už registráciu máte, prihláste sa.