Aká je budúcnosť plynových kotlov?
Zdá sa, že dnešná situácia zemnému plynu nepraje. Napriek všetkému je však na vykurovanie a prípravu teplej vody v rodinných domoch plynový kotol stále výhodnou voľbou – ako z pohľadu ekonomického, tak aj ekologického. Na tento účel sa navyše dajú využiť aj iné plyny. Aké a za akých podmienok?
Tlak na obmedzenie spotreby zemného plynu sa neustále zvyšuje. Je totiž fosílnym palivom a práve spaľovanie fosílnych palív je jednou z hlavných príčin klimatickej zmeny. Zemný plyn sa však vlastnosťami vymyká začleneniu medzi klasické „špinavé“ fosílne zdroje – pri jeho spaľovaní vzniká takmer o polovicu menej oxidu uhličitého v porovnaní so spaľovaním uhlia, ďalším pozitívnym atribútom, ktorý ho odlišuje od ostatných fosílnych palív, je, že pri spaľovaní prakticky neprodukuje tuhé znečisťujúce látky.
Keďže na Slovensku je výroba elektrickej energie už dnes pomerne nízkoemisná, z pohľadu ekológie by bola ideálnou cestou výmena všetkých kotlov na tuhé palivo za tepelné čerpadlá. Nežijeme však v ideálnom svete. A keďže tepelné čerpadlo je nielen „najzelenšou“, ale aj najdrahšou možnosťou, výmena za moderné plynové kondenzačné kotly je omnoho reálnejšia. Dôležitou podmienkou ďalšieho využívania plynu je však dlhodobá vízia postupne nahradiť fosílny zemný plyn bezemisnými alebo nízkoemisnými plynmi – biometánom a vodíkom.
Zmena klímy je asi najdôležitejšou výzvou súčasnosti. Ako udržať na uzde zvyšovanie priemernej teploty? Jednou z možností je tzv. dekarbonizácia ekonomiky, pri ktorej nám môže pomôcť využívanie dekarbonizovaných a obnoviteľných plynov. Medzi takéto partia biometán a vodík.
Biometán
Pravidlá pre primiešavanie biometánu do zemného plynu (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 (napr. v konštrukcii kotlov) a možno ho distribuovať plynárenskými sieťami. Významný potenciál na zvyšovanie produkcie biometánu je na Slovensku vo využívaní biologicky rozložiteľného komunálneho odpadu. Podľa Integrovaného národného energetického a klimatického plánu to je až 65 mil. m3 + ďalších 42 mil. m3 z kuchynského a reštauračného odpadu + ďalších 205 mil. m3 z exkrementov hospodárskych zvierat. Znížila by sa tak zároveň aj potreba skládkovania! Je však potrebné legislatívne aj fakticky zaviesť u nás modernú cirkulárnu ekonomiku.
Vodík
Možnosti na dekarbonizáciu ekonomiky ponúka aj výroba vodíka (H2) a jeho primiešavanie do zemného plynu, čo je prechodné štádium, a neskôr distribúcia čistého H2. Primiešavanie H2 je vnímané ako prirodzený evolučný krok, ktorý bude musieť plynárenský sektor v najbližších rokoch urobiť a na ktorom sa už aj začalo pracovať v rámci projektu s názvom H2Pilot. Výrobu H2 možno navyše prakticky využiť aj na „uskladnenie“ elektrickej energie. V súčasnosti totiž rastie jej produkcia z obnoviteľných zdrojov (OZE), pri ktorých sú obmedzené možnosti regulácie (najmä v prípade slnka a vetra). Rizikom je preto prebytok elektrickej energie v určitých obdobiach.
Vodík sa z pohľadu emisií CO spaľuje 2 neutrálne, je teda šetrný k našej planéte. Zdroj: Viessmann
A keďže prebytočná elektrická energia má nízku, v niektorých prípadoch až zápornú cenu, je výhodné uskladniť ju a spotrebovať až v čase, keď bude po energii zvýšený dopyt (nebude svietiť slnko, fúkať vietor a pod.). Keďže H2 sa vyrába elektrolýzou, tento plyn má svoj praktický význam ako „batéria“ na uloženie, resp. využitie prebytkov elektrickej energie. Výhodou elektrolýzy je vysoká účinnosť výroby elektrickej energie – až 75 % a ďalších 20 % tvorí teplo, ktoré sa dá využiť priamo na mieste. Navyše do 1 kg H2 možno uskladniť až 39,4 kWh energie a kapacity na jeho uskladnenie a distribúciu z miesta výroby do miesta spotreby už existujú. Naproti tomu do 1 kg batérií sa dá uložiť cca 0,300 kWh a batériové úložiská je nutné vybudovať. A cena lítia stúpla za ostatný rok o viac ako 500 %!
O distribúcii vodíka v plynárenských sieťach sa uvažuje aj v rámci celoeurópskych systémov distribúcie a skladovania, ktoré sú vzájomne prepojené.
Projekt H2Pilot
H2Pilot je prvá reálna iniciatíva v spojitosti s využitím H2 v praxi – SPP-D prostredníctvom tohto projektu testuje možnosti a obmedzenia distribúcie zmesi zemného plynu s vodíkom. Prvoradým zámerom je pritom realizácia pri zaistení maximálnej bezpečnosti, preto sa SPP-D spojila so spoločnosťou TÜV SÜD, ktorej úlohou je dohliadať pri posudzovaní pripravenosti vybranej časti distribučnej siete na realizáciu projektu práve na bezpečnostnú stránku. V pláne je dodávať zmes ZP a H2 spotrebičom, či už sú to plynové sporáky, prietokové ohrievače vody, plynové kotly alebo lokálne zdroje tepla (gamatky). Kým staršie spotrebiče boli konštruované na spaľovanie ZP, v ktorom prevažuje metán, nové spotrebiče sú testované skúšobným plynom G222 (ZP s obsahom 23 % H2). V západných krajinách sa takto testujú plynové spotrebiče už od začiatku 90. rokov minulého storočia a podľa vyjadrenia výrobcov sú už dnes nové spotrebiče pripravené na zmes ZP a 20 % H2.
Obsah vodíka do 10 % v zmesi so zemným plynom nepredstavuje žiadne, resp. minimálne technické riziko pre domáce spotrebiče. Aj pokles výkonu plynového kotla je v tomto prípade zanedbateľný.
Zmes vodíka a zemného plynu
Vodík má výrazne iné vlastnosti než zemný plyn – má nižšiu hmotnosť
(1 m3 H2 váži iba 89,9 g, kým 1 m3 ZP má hmotnosť 667 g) aj nižšiu hodnotu spaľovacieho tepla (pri H2 je to 3,54 kWh/m3, pri ZP až 10,69 kWh/m3), teplota vodíkového plameňa je zas vysoká (približne 2 800 °C, kým teplota plameňa ZP je cca 1 700 °C). Aj zmes ZP a H2 má preto nižšiu hodnotu spaľovacieho tepla než čistý ZP a tá sa s vyšším obsahom H2 znižuje. Napríklad obsah H2 5 % znižuje hodnotu spaľovacieho tepla z 10,69 kWh/m3 na 10,31 kWh/m3, 10 % na 9,96 kWh/m3 a pri obsahu 20 % H2 v ZP už dochádza k poklesu spaľovacieho tepla na hodnotu 9,24 kWh/m3. Nutnou 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.
Plynový kondenzačný kotol Vaillant ecoTEC plus je vybavený novou technológiou riadenia spaľovania IoniDetect, vďaka ktorej sám rozpozná výkyvy zloženia plynu a dokáže sa im prispôsobiť tak, že v každej situácii pracuje najúčinnejšie. Túto vlastnosť najviac oceníte v budúcnosti pri používaní ekologickejších plynových zmesí. www.vaillant.sk Zdroj: Vaillant
V odborných kruhoch pritom platí všeobecná zhoda – obsah vodíka
do 10 % v zmesi nepredstavuje žiadne, resp. minimálne technické riziko pre domáce spotrebiče. Pri rastúcom obsahu H2 v zmesi so ZP sa však znižuje hodnota spaľovacieho tepla. Z tohto dôvodu poklesne výkon kotla pri obsahu 10 % H2 o cca 2,7 %. To znamená, že pri bežných plynových kotloch, ktoré sú inštalované v starších rodinných domoch, klesne výkon z P100%ZP = 24 kW na P90%ZP, 10%H2 = 23,35 kW. Pokles výkonu plynového kotla je teda zanedbateľný. K poklesu výkonu dochádza, samozrejme, aj pri kuchynských sporákoch. Aj v tomto prípade však ide o zanedbateľnú hodnotu, ktorá nemá reálny vplyv na prevádzku (pri zmesi sa výkon veľkého horáka zníži z P100%ZP = 3 kW na P90%ZP, 10%H2 = 2,9 kW).
Ďalšou podmienkou bezpečného spaľovania zmesi ZP a H2 v kotloch a sporákoch staršej konštrukcie, pri ktorých sa nepočítalo s iným palivom ako ZP (poprípade propán), je stabilita plameňa. Nestabilné horenie sa prejavuje buď odtrhnutím plameňa od ústia horáka, alebo prešľahnutím plameňa do telesa horáka. Z analýzy pritom vyplynulo, že pri uvažovanej zmesi s 10 % H2 by mal byť plameň stabilný. Prípadné úpravy by boli zrejme potrebné až pri viac ako 20-percentnom podiele H2 v zmesi.
Reálne možnosti
Aké sú dnešné možnosti a obmedzenia pri vykurovaní rodinného domu zmesou plynov a čistým vodíkom?
Distribúcia
So zmesou zemného plynu a H2 v objeme 10 % dokáže tu a teraz pracovať podstatná časť komponentov prepravnej, uskladňovacej a distribučnej infraštruktúry, ako aj odberných zariadení a spotrebičov. Pri čistom H2 je však situácia odlišná. Keďže jeho výhrevnosť je 3x nižšia ako výhrevnosť ZP, pri vykurovaní čistým vodíkom bude potrebné distribuovať 3x väčšie množstvo plynu, aby sa dodalo požadované množstvo energie. Tejto požiadavke súčasná distribučná sieť z „kapacitnej“ stránky vyhovuje. Na základe modelovania programom Simone (európsky softwarový systém na simuláciu a optimalizáciu prepravy a distribúcie plynu) sa určilo, že pri zachovaní kapacity plynovodu (dimenzia, tlak) je potrebné zväčšiť jeho priemer o 15 %. V prípade celkového znižovania spotreby energií by teda kapacita súčasnej plynovej distribučnej siete mala postačovať aj na distribúciu čistého H2.
Využitie vodíka – na vykurovanie v plynových kotloch alebo na prípravu tepla a elektrickej energie palivovými článkami – je jednou z možností dekarbonizácie ekonomiky. Zároveň môže pomáhať elektrickej distribučnej sieti v čase špičiek, prípadne slúžiť ako jej náhrada.
Plynový kondenzačný kotol
Pri biometáne alebo zmesi ZP s biometánom sa vlastne nič nemení. Plynový kondenzačný kotol, tak ako ho poznáme, vie túto zmes spaľovať bez akýchkoľvek obmedzení. V prípade zmesi plynov s pridaním do 10 % H2 sa vykurovanie a príprava teplej vody takisto javí bez obmedzenia. Výrobcovia plynových kotlov deklarujú, že nové kotly, skonštruované 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 teda budú schopné aj v nových podmienkach pripravovať teplo a teplú vodu tak ako doteraz!
Palivový článok – semiostrovná prevádzka
Už dnes sú k dispozícii palivové články (PČ), ktoré v reforméri rozložia zemný plyn na H2 a CO2. V prípade, že sa do PČ bude dodávať čistý H2, resp. zmes bohatá na H2, bude účinnosť výroby elektrickej energie
vyššia – približne na úrovni 60 %. Ďalších 30 % bude tvoriť využiteľné teplo.
Zdroj: SPP
Moderný systém s palivovým článkom a inteligentným riadením je schopný dodávať energiu podľa konkrétnej potreby tepla, teplej vody a elektrickej energie pre domáce spotrebiče. Na prípravu teplej vody a vykurovanie slúži primárne teplo vyrobené v palivovom článku. V prípade potreby väčšieho tepelného výkonu sa na výrobu tepla využije aj časť vyprodukovanej elektrickej energie. Zvyšná elektrická energia sa uskladní v tzv. battery boxe, kde je pripravená na okamžitý odber.
V prípade nedostatku elektrickej energie systém „nakúpi“ energiu z verejnej siete. Dôležité je pritom zvoliť optimálny výkon PČ aj veľkosť battery boxu a zásobníka tepla (teplá voda + vykurovanie). Letný režim prevádzky je limitovaný prípravou teplej vody, čím je určené aj množstvo vyrobenej elektrickej energie. Zimný režim umožňuje „nadvýrobu“ elektrickej energie, ktorá sa použije na prípravu tepla.
-
- Vodík sa z pohľadu emisií CO spaľuje 2 neutrálne, je teda šetrný k našej planéte.
-
- Plynový kondenzačný kotol Vaillant ecoTEC plus je vybavený novou technológiou riadenia spaľovania IoniDetect, vďaka ktorej sám rozpozná výkyvy zloženia plynu a dokáže sa im prispôsobiť tak, že v každej situácii pracuje najúčinnejšie. Túto vlastnosť najviac oceníte v budúcnosti pri používaní ekologickejších plynových zmesí. www.vaillant.sk
Text: Radovan Illith, redakčná úprava Erika Kuhnová
Foto: Vaillant, Viessmann, SPP, iStock
Zdroj: Časopis Môj dom špeciál
