Ako znížiť závislosť od dodávok plynu? Predstavuje vodík budúcnosť vykurovania?

Ambicióznym plánom EÚ je dosiahnuť do roku 2050 klimatickú neutralitu, inými slovami, v priebehu najbližších 28 rokov skresať emisie CO₂ na rovnú nulu. To sa však dá docieliť len za predpokladu, že sa používanie fosílnych palív zníži na minimum. Možností, ako a čím ich nahradiť, je viacero, a jednu z nich predstavuje aj vodík – zdroj energie, pri ktorého spaľovaní sa neprodukujú žiadne skleníkové plyny.

Je skvelý, ale…

Vodík (H₂) má ako palivo, resp. zdroj energie na vykurovanie, viacero výhod. Vyskytuje sa všade okolo nás v prakticky neobmedzenom množstve. Je pomerne výdatným energetickým zdrojom – v 1 kg vodíka sa skrýva rovnaké množstvo energie ako v 2,8 kg benzínu. Pri jeho spaľovaní vzniká voda, nie skleníkové plyny, a pri vykurovaní by sme ním mohli relatívne jednoducho nahradiť zemný plyn.

Vodík je aj s ohľadom na budúcnosť skvelý zdroj energie. Je k dispozícii vo veľkých množstvách, prípadne sa môže vyrábať trvalo udržateľným spôsobom a pri jeho spaľovaní nevznikajú žiadne skleníkové plyny.

Samozrejme, aj v prípade vodíka treba pokračovať minimálne jedným „ale“. Hoci je najčastejšie sa vyskytujúcim chemickým prvkom vo vesmíre, na Zemi sa takmer nenachádza v čistej forme – ako nezmiešaný plyn. Je súčasťou viacerých zlúčenín, z ktorých najbežnejšou je voda, no je aj zložkou prírodných plynov, napr. metánu, a nachádza sa tiež v rope. Ak teda chceme vodíkom kúriť, musíme ho najskôr efektívne a ekologicky získať.

Nie je vodík ako vodík

Samozrejme, vodík je plyn, ktorý je vždy rovnaký, rozdiel je však v spôsobe jeho získavania. Rozdielne metódy výroby vodíka majú pritom odlišný vplyv na životné prostredie. A práve podľa tohto vplyvu sa označujú odlišnými farbami štyri hlavné typy vodíka: zelený, tyrkysový, modrý a sivý.

V súčasnosti je najbežnejší a cenovo najdostupnejší sivý vodík, ktorý sa vyrába zo zemného plynu a je najmenej ekologický. Cestu k európskej klimatickej neutralite však predstavuje iba výroba na báze obnoviteľných energií a bez emisií CO₂. Z tohto pohľadu je najdôležitejší tzv. zelený vodík, ktorý vzniká pri elektrolýze vody – pri nej sa molekuly vody štiepia na dva prvky, kyslík a vodík. Na tento proces sa používa iba elektrina z obnoviteľných zdrojov energie, pričom nevznikajú žiadne emisie a získaný vodík je klimaticky neutrálny.

Tzv. zelený vodík sa vyrába z vody pomocou elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov. Voda, ktorá je ekologickým zdrojom vodíka, pokrýva asi dve tretiny povrchu našej planéty. Pri výrobe zeleného vodíka z vody je vedľajším produktom kyslík a pri spaľovaní vodíka vzniká opäť voda. Nahradenie zemného plynu vodíkom teda vyzerá z pohľadu ekológie ako skvelý plán. Zdroj: Viessmann

Zelený vodík je momentálne asi štvornásobne drahší než sivý, podľa medzinárodného inštitútu na prieskum trhu Bloomberg NEF by však mala jeho cena klesnúť do roku 2030 až o 80 % a do roku 2050 by mal byť zelený vodík schopný konkurovať v oblasti nákladov zemnému plynu. Uvidíme, ako ovplyvní vývoj cien súčasná palivová kríza, no logika hovorí, že aj táto situácia bude nakoniec hrať v prospech obnoviteľných zdrojov energie vrátane vodíka.

Vodíková „baterka“

Ďalším pozitívom zeleného vodíka je eliminovanie jednej z nevýhod tzv. zelenej energie. Výroba elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov, najmä zo slnka a z vetra, sa totiž nedá veľmi regulovať. Inak povedané – elektrická energia sa vyrába vtedy, keď to dovolí počasie, nie vtedy, keď ju potrebujeme. Prebytočná elektrina má pritom nízku, v niektorých prípadoch až zápornú cenu, preto je výhodné ju uskladniť a spotrebovať až v čase, keď po nej bude dopyt a jej cena bude výhodná.

Na 20 % prímes vodíka v zemnom plyne sú už v súčasnosti pripravené kondenzačné kotly viacerých výrobcov. Už dnes by sa tak primiešavaním vodíka do zemného plynu mohli výrazne znížiť emisie CO₂. Vo fáze vývoja sú plynové vykurovacie zariadenia, ktoré sa budú dať bez problémov prestavať z prevádzky na zemný plyn, resp. zmes plynov, na spaľovanie 100 % vodíka – s vysokou účinnosťou a úplne bez emisií CO₂ a CO. Zdroj: Vaillant

A práve ako úložisko tejto energie má význam vodík, ktorý sa vyrába elektrolýzou. Kapacity na uskladnenie a distribúciu H₂ už existujú (možno na to využiť rovnaké zariadenia ako pri zemnom plyne), naopak, batériové úložiská by bolo nutné vybudovať, a to s nezanedbateľnými nákladmi. Do 1 kg H₂ pritom možno uskladniť až 39,4 kWh energie, zatiaľ čo do 1 kg batérií cca 0,300 kWh.

Navyše, elektrolýza má vysokú účinnosť (75 % tvorí výroba elektrickej energie, 20 % teplo, ktoré sa dá využiť priamo na mieste). Výroba vodíka elektrolýzou má teda praktický význam aj z hľadiska využitia prebytočnej elektriny z obnoviteľných zdrojov a „uskladnenia“ energie.

Výzva pre výrobcov aj distribúciu

Aj keď má vodík ako zdroj energie mnoho výhod a odborníci sa zhodujú, že v budúcnosti by mal byť pri vykurovaní náhradou za zemný plyn (ZP), zmena nebude taká jednoduchá. Vlastnosti vodíka a zemného plynu sa totiž výrazne líšia.

Teplota vodíkového plameňa je napríklad veľmi vysoká – približne 2 800 °C, naproti tomu plameň ZP má asi 1 700 °C. Hmotnosť 1 m³ H₂ je zas len 89,9 g, kým 1 m³ ZP má až 667 g. Pre nižšiu hustotu plynného vodíka je aj jeho energetická hustota v pomere k objemu oproti zemnému plynu len približne tretinová (pri bežných podmienkach je energetická hustota H₂ cca 3,5 kWh/m³, ZP má energetickú hustotu cca 10,5 kWh/m³).

Inštalácia kotlov pripravených na prímes vodíka je jednoduchá. Majú totiž rovnakú veľkosť a využívajú rovnakú sieť zemného plynu ako doteraz predávané plynové kotly. Ich nová technológia spaľovania pritom zaručuje optimalizovanú prevádzku aj pri zmene zloženia plynu.
K H2 ready zariadeniam značky Vaillant patrí napríklad závesný kondenzačný kotol ecoTEC exclusive (20 a 25 kW, A), ktorý zabezpečí teplo v interiéri aj komfort s teplou vodou. Automaticky sa prispôsobuje rôznemu zloženiu plynu a je pripravený na použitie ekologických prímesí.
Zdroj: Vaillant

Tieto vlastnosti vodíka majú vplyv takmer na všetky parametre spaľovania, s čím si musia poradiť tak výrobcovia kotlov, ako aj distribučná sieť. S pridávaním vodíka do ZP napríklad klesá energetická hustota výsledného plynu – pri 10 % obsahu H₂ poklesne výkon kotla približne o 2,7 %. A pri kúrení čistým vodíkom, ktorého výhrevnosť je 3-krát nižšia v porovnaní so ZP, bude potrebné distribuovať 3-krát väčšie množstvo H₂ než ZP, aby sa odberateľom dodalo požadované množstvo energie.

Jeden plán, tri kroky

Na vykurovanie vodíkom sa budú spaľovacie zariadenia aj distribučná sieť prispôsobovať postupne.

1. Prímes vodíka

Prvá fáza sa už začala. V jej priebehu by sa mal podiel H₂ v zemnom plyne postupne zvyšovať až na 20 %. To umožní zníženie emisií CO₂ až o 7 %. Z pohľadu výrobcov sú teda prvým krokom kotly pripravené na prevádzku s prímesou do 20 % vodíka v zemnom plyne. Dobrou správou je, že v súčasnosti sú viaceré takéto produkty otestované aj certifikované, takže nová generácia kotlov od viacerých výrobcov je na prímes H₂ už pripravená.

2. Prechodné obdobie

Druhým krokom majú byť kotly pripravené na vodík. Pôjde o prechodnú generáciu plynových kotlov, fungujúcich najskôr s 20 % vodíkom, ktoré sa budú dať pomocou príslušenstva upraviť tak, aby mohli spaľovať aj 100 % H₂. V niektorých európskych krajinách bude táto možnosť konverzie povinná už od roku 2025.

3. Budúcnosť s vodíkom

Posledným krokom budú kotly fungujúce už len na 100 % vodík. Na tejto ceste však ešte stojí veľa výziev – bude potrebné vyvinúť normy, infraštruktúru aj výrobné kapacity. Cieľ je však jasný, v budúcnosti by mali nové kotly pracovať s čistým vodíkom, a to nielen s využitím súčasných distribučných sietí zemného plynu. Predpokladá sa dokonca vznik nových energeticky autonómnych štvrtí s lokálnou výrobou zeleného vodíka.

Plynári už začali s transformáciou

Pochopiteľne, aj plynárenskú infraštruktúru čaká budúcnosť spojená s vodíkom. I keď súčasná distribučná sieť na Slovensku už dnes vyhovuje po „kapacitnej“ stránke, ani v tomto prípade nie je možné prejsť na vodík šmahom ruky. Nejde totiž len o vyššie nároky na prepravené objemy plynu.

Na transformovanie slovenskej plynárenskej infraštruktúry prijal preto prevádzkovateľ distribučnej siete (SPP – distribúcia) už v roku 2020 vlastnú vodíkovú stratégiu – projekt H2Pilot. Aj tu pritom platí rovnaká postupnosť troch krokov – výroba a primiešavanie vodíka do ZP, prechodné štádium, a neskôr distribúcia čistého H_2.

Plynári už začali s testovaním distribučnej siete na prevádzku so zmesou zemného plynu a vodíka – tento rok v lete spustili distribúciu ZP s prímesou 10 % H2 koncovým odberateľom v Blatnej na Ostrove. Po úspešnom vyhodnotení praktického testu budú pripravení primiešavať vodík do celej plynovodnej siete. Zdroj: SPP – distribúcia

Prvá fáza, teda primiešavanie vodíka do zemného plynu, čím sa vytvorí zmes týchto plynov vo vopred stanovenom pomere, už aj v tomto prípade nastala. Najskôr bola potrebná séria laboratórnych testov, ktorých cieľom bolo preskúmať základné chemicko-fyzikálne vlastnosti zmesi zemného plynu a vodíka pri rôznych prevádzkových podmienkach, a v tomto roku už plynári začali aj s testovaním v praxi.

Text: Erika Kuhnová z podkladov spoločností SPP – distribúcia, Vaillant, Viessmann
Foto: SPP – distribúcia, istock.com, Vaillant, Viessmann
Zdroj: časopis Môj dom