Už aj vodík a zmes plynov sú realitou pri príprave tepla

(Zdroj:  PR SPP – distribúcia, a. s.) Zmena klímy je jednou z najdôležitejších výziev súčasnosti pre ľudstvo a životné prostredie. 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 tie tieto skutočnosti reaguje aj sektor plynárstva a to snahou o integráciu dekarbonizovaných a obnoviteľných plynov. Medzi takéto partia biometán a vodík.

Plyny v distribučnej sieti

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. Znížila by sa tak zároveň 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  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 súčasnej dobe je badať nárast výroby elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov (OZE), ktorá (výroba) je najmä v prípade výroby elektrickej energie zo slnka, alebo vetra neregulovateľná, resp. je regulácia výroby obmedzená. K problému prebytočnej energie z OZE je možné sa postaviť viacerými spôsobmi. Prebytočná el. 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, potreba (keď nebude svietiť slnko, nebude fúkať vietor a podobne).

Výroba H2 ako „batérie“ elektrolýzou má svoj praktický význam a naviac 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 cca 0,300 kWh. Kapacity a uskladnenie a distribúciu H2 z miesta výroby po miesto spotreby už existujú. Batériové úložiská je nutné vybudovať. Nárast ceny lítia za ostatný rok je viac ako 500%!

V súčasnej dobe sa ceny vodíka pohybujú nasledovne:

Vodík                                         cena
Šedý 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

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

S distribúciou 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 r. 2025 (článok 20). Nakoľko sú systémy prepravy, distribúcie a skladovania vzájomne prepojenie, táto legislatívne povinnosť ovplyvní aj podmienky prevádzky distribučnej siete. 

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 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.

Vzhľadom na potrebu dostupnej vzdialenosti od Bratislavy z hľadiska obsluhy projektu sa ako vhodná ukázala obec Blatná na Ostrove. Jej výhodou pre účely projektu bolo aj zastúpenie rôznych používaných materiálov v sieti, konkrétne 80 % ocele a 20 % plastov. Obec je plynofikovaná v roku 1994, nejde tak o najnovšiu sieť. Okrem rodinných domov sú v nej aj bytovky a firmy. Odberných miest je 300, kotlov a sporákov sú v nej stovky. Začiatkom roka 2022 získala spoločnosť SPPD všetky potrebné doklady pre zariadenia SPPD, ktoré sa v obci nachádzajú - od bodu, v ktorom zmes H2 a ZP vstupuje do miestnej siete až po hlavné uzávery plynu v skrinkách odberateľov.

Od polovice júna 2022 je v miestnej sieti obce Blatná na Ostrove zabezpečená kontinuálna dodávka 10% zmesi H2 a ZP. Prijaté opatrenia spoločnosti SPPD majú zabezpečiť čo najvyššiu mieru bezpečnosti počas celého výkonu testu.

Zmes ZP a H2 je dodávaná spotrebičom, či už to sú plynové sporáky, prietokové ohrievače vody, plynové kotle 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, na rozdiel od ZP, má 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 cca 2 800 °C, teplota plameňa ZP – cca 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 20% 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. V odborných publikáciách renomovaných spoločností platí všeobecná zhoda – obsah vodíka do 10% v zmesi nepredstavuje žiadne, resp. 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 (viď text vyššie). Pri 10% obsahu H2 poklesne výkon kotla o cca 2,7%. [3]. Pri bežných plynových kotloch, ktoré sú inštalované v starších rodinných domoch klesne výkon P 100%ZP = 24 kW kotla na P90%ZP, 10%H2  =  23,35 kW. Pokles výkonu plynového kotla je zanedbateľný (spravidla je výkon kotla vyšší aká je tepelná strata rodinného domu). Pri kuchynských sporákoch dochádza tak isto k poklesu výkonu  – horák o výkone P 100%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, ktorý nemá reálny vplyv na jeho prevádzkovanie.

Zmes ZP a H2  má byť použitá aj na kotle a sporáky staršej konštrukcie, pri ktorých nebolo uvažované s iným palivom ako ZP (poprípade propán) bolo nutné 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 vyšších ako 20% obsahu H2. Pri uvažovanej zmesi s 10% H2 by mal byť plameň stabilný.

Vykurovania RD zmesou plynov a čistým vodíkom
Výhrevnosť H2 je 3x nižšia ako výhrevnosť ZP a teda bude potrebné distribuovať 3x väčšia množstvo H2 ako ZP aby odberateľovi bola dodané požadované množstvo energie. Súčasná distribučná sieť po stránke „kapacitnej“ vyhovuje. Na základe modelovania programom Simone (európsky softwarový systém pre simuláciu a optimalizáciu prepravy a distribúcie plynu) bolo určené, že je potrebné, pri zachovaní kapacity plynovodu (dimenzia, tlak) zväčšiť priemer plynovodu o 15%. Máme za to, že v prípade celkového znižovania spotreby energií je kapacita distribučnej siete postačujúca na distribúciu čistého H2.

Plynový kondenzačný kotol
Pri zmesi plynov ako je napr. zmes ZP, biometánu sa nič nemení. Plynový kondenzačný kotol, tak ako ho poznáme vie túto zmes spaľovať bez akýchkoľvek obmedzení. V prípade zmesi plynov s pridaním H2 do 10% tak isto sa javí vykurovanie a príprava teplej vody 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 kotle budú schopné pripravovať teplo a teplú vodu tak ako doteraz!

Palivový článok – „semi“ ostrovná prevádzka
Už v dnešnej dobe sú k dispozícii palivové články (ďalej len „PČ“), ktoré v reforméry rozložia ZP na H2  a CO2. V prípade, ak do PČ bude dodávaný čistý H2 resp. zmes bohatá na čistý H2 bude účinnosť výroby elektrickej energie vyššia, približne na úrovni 60% a 30% teplo. 

Moderný systém s PČ (obrázok č. 1) je schopný na základe riadiaceho systému, ktorý bude na základe 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 väčšieho tepelného výkonu časť vyrobenej elektrickej energie je využitá na výrobu tepla. Zvyšná elektrická energia bude uskladnená v battery boxe a pripravená na okamžitý odber. Riadiace systémy tohto druhu sa „učia“ (Machine learning) predvídať potrebu elektrickej energie jednotlivými spotrebičmi, riadi prioritne regulovateľné domáce spotrebiče elektrickej energie. V prípade nedostatku el. 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 je uvedené vyššie, umožňuje „nadvýrobu“ elektrickej energie použiť na prípravu tepla.

Záver

Podstatná časť komponentov prepravnej, uskladňovacej a distribučnej infraštruktúry, či odberných zariadení a spotrebičov dokáže pracovať s 10 vol.% H2 tu a teraz. SPP-D prostredníctvom projektu H2Pilot testuje možnosti a obmedzenia distribúcie zmesi zemného plynu s vodíkom.

Vykurovanie vodíkom (plynová kotle) alebo príprava tepla a elektrickej energie palivovými článkami je jedna z možností dekarbonizácie ekonomiky, ale aj bude napomáhať elektrickej distribučnej sieti v čase špičiek alebo ako jej náhrada.

1. Schweitzer J., Bruun J., Sadegh N., Jørgensen L., de Wit 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

Ing. Radovan ILLITH, PhD., SPP – distribúcia, a. s.