Príprava tepla v rodinnom dome vodíkom alebo zmesou plynov

Primiešavanie dekarbonizovaných a obnoviteľných plynov, ako je biometán a vodík, do zemného plynu, respektíve vykurovanie čistým vodíkom, by sa malo stať realitou v najbližších rokoch.

Nevyhnutnou podmienkou použitia zmesi ZP a H2 v domácich spotrebičoch je bezpečné spaľovanie zmesi.

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, 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 patria 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 je ho možné distribuovať odberateľom plynárenskými sieťami.

Významný potenciál na zvyšovanie produkcie biometánu v SR existuje vo využívaní BRKO (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. Je však potrebné legislatívne a aj fakticky zaviesť v SR modernú cirkulárnu ekonomiku. Tým by sa zároveň znížila aj potreba skladovania odpadu!

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 je v rámci plynárenského sektora vnímané ako evolučný krok, ktorý bude musieť plynárenský sektor (v našom prípade na úrovni distribúcie) v najbližších rokoch vykonať.

V súčasnosti badať nárast výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov (OZE), ktorá (výroba) je najmä v prípade výroby elektrickej energie zo slnka alebo vetra neregulovateľná, respektíve je regulácia výroby obmedzená. K problému prebytočnej energie z OZE sa možno postaviť viacerými spôsobmi. Prebytočná elektrická energia (z OZE) má nízku cenu, v niektorých prípadoch až zápornú. Preto je výhodné ju uskladniť a spotrebovať, keď jej cena bude výhodná, bude po energii zvýšený dopyt a potreba (keď nebude svietiť slnko, nebude fúkať vietor a pod.).

Výroba H2 ako „batérie“ elektrolýzou má svoj praktický význam a navyše elektrolýza má vysokú účinnosť (75 % výroba elektrickej energie, 20 % teplo, ktoré sa dá využiť priamo na mieste). Do 1 kg H2 je možné uskladniť 39,4 kWh energie, do 1 kg batérií približne 0,300 kWh. Kapacity na uskladnenie a distribúciu H2 z miesta výroby po miesto spotreby už existujú. Batériové úložiská je potrebné vybudovať. Nárast ceny lítia za ostatný rok je viac ako 500 %!

Cena zeleného vodíka by mala klesnúť do roku 2030 až o 80 % (podľa Bloomberg). Cieľová cena H2 je v roku 2050 0,8 €/kg, resp. 0,0203 €/kWh.

O distribúcii H2 v plynárenských sieťach uvažuje 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.

Súčasný vývoj cien vodíka

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.

Prvoradým zámerom SPPD pri projekte H2Pilot je zabezpečiť jeho realizáciu pri maximálnej úrovni bezpečnosti, preto je prípravná 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 roku 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 – 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, respektíve bez akýchkoľvek dodatočných úprav spotrebičov. V odborných publikáciách renomovaných spoločností platí všeobecná zhoda – obsah vodíka do 10 % v zmesi nepredstavuje žiadne, respektíve 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 (pozri predchádzajúci text). 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 rovnako k poklesu výkonu – horák o výkone 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 dochádza k poklesu o zanedbateľnú hodnotu, ktorý nemá reálny vplyv na jeho prevádzku.

Zmes ZP a H2 sa má použiť aj na kotly a sporáky so staršou konštrukciou, pri ktorých sa nerátalo s iným palivom ako ZP (poprípade propán). Bolo preto 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 vyšším ako 20 %. Pri uvažovanej zmesi s 10 % H2 by mal byť plameň stabilný.

Vykurovania RD zmesou plynov a čistým vodíkom

Výhrevnosť H2 je 3× nižšia ako výhrevnosť ZP, a teda bude potrebné distribuovať 3× väčšie množstvo H2 ako ZP, aby sa odberateľovi dodalo požadované množstvo energie. Súčasná distribučná sieť po „kapacitnej“ stránke tomuto predpokladu vyhovuje. Na základe modelovania programom Simone (európsky softvérový systém na simuláciu a optimalizáciu prepravy a distribúcie plynu) sa určilo, že je potrebné pri zachovaní kapacity plynovodu (dimenzia, tlak) zväčšiť priemer plynovodu o 15 %.

Teplo vyrobené v palivovom článku bude slúžiť na prípravu teplej vody a vykurovanie.

Domnievame sa, že v prípade celkového znižovania spotreby energie je kapacita distribučnej siete na distribúciu čistého H2 postačujúca.

Plynový kondenzačný kotol

Pri zmesi plynov, ako je napr. zmes ZP a biometánu, sa nič nemení. Plynový kondenzačný kotol, ako ho poznáme, vie túto zmes spaľovať bez akýchkoľvek obmedzení. V prípade zmesi plynov s pridaním H2 do 10 % sa rovnako javí vykurovanie a príprava teplej vody bez obmedzenia. Výrobcovia plynových kotlov deklarujú, že nové kotly skonštruované po roku 2020 sú pripravené na zmes plynu s H2 do 20 % a od roku 2024 by mali byť dostupné 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

Už v súčasnosti sú k dispozícii palivové články (ďalej len „PČ“), ktoré v reforméri rozložia ZP na H2 a CO2. Ak sa do PČ bude dodávať čistý H2, respektíve zmes bohatá na čistý H2, bude účinnosť výroby elektrickej energie vyššia, a to približne na úrovni 60 % a pri teple o 30 %.

Moderný systém s PČ (obr. 1) je schopný na základe riadiaceho systému pracujúceho v závislosti od potreby tepla, teplej vody a elektrickej energie smerovať energiu pre domáce spotrebiče podľa požiadaviek. Teplo vyrobené v palivovom článku bude slúžiť na prípravu teplej vody a vykurovanie. V prípade potreby väčšieho tepelného výkonu sa časť vyrobenej elektrickej energie využije na výrobu tepla. Zvyšná elektrická energia sa uskladní v battery boxe a pripraví na okamžitý odber. Riadiace systémy tohto druhu sa „učia“ (machine learning) predvídať potrebu elektrickej energie jednotlivých spotrebičov, a teda riadiť prioritne regulovateľné (klimatizácia, rekuperácia, ohrev vody – impulzná šírková modulácia, regulácia –, nabíjanie elektrobicykla) domáce spotrebiče. V prípade nedostatku elektrickej energie alebo výkonu systém „nakúpi“ elektrickú energiu z verejnej siete.

Výkon PČ, veľkosť battery boxu a zásobníka tepla (teplá voda + vykurovanie) je potrebné bilancovať, modelovať a optimalizovať. Letný režim prevádzky je limitovaný prípravou teplej vody, a tým je určené aj množstvo vyrobenej elektrickej energie. Zimný režim, ako bolo uvedené, umožňuje „nadvýrobu“ elektrickej energie použiť na prípravu tepla.

Na záver

Podstatná časť komponentov prepravnej, uskladňovacej a distribučnej infraštruktúry či odberných zariadení a spotrebičov dokáže pracovať s 10 objemovými percentami H2. SPP-D prostredníctvom projektu H2Pilot testuje možnosti a obmedzenia distribúcie zmesi zemného plynu s vodíkom.
Vykurovanie vodíkom (plynové kotly) alebo príprava tepla a elektrickej energie palivovými článkami sú možnosti, ako dekarbonizovať ekonomiku, a zároveň budú účinným nástrojom na vykrývanie potreby elektriny v čase špičiek.

Literatúra
1. Schweitzer, J. – Bruun, J. – Sadegh, N. – Jørgensen, L. – de Wit J.: Gas Quality Requirements WP2, Future Gas November 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

Zdroj: PR článok SPP – distribúcia , a.s.