Topíme a svítíme palivovým článkem, část 1. – zemní plyn

Palivový článek (anglicky fuel cell, německy Brennstoffzelle) je kogenerační zařízení, které z paliva – nejčastěji zemního plynu nebo vodíku – vyrábí elektřinu a teplo. Ve srovnání s klasickými způsoby přeměny energie z paliva se moderní palivové články vyznačují výrazně vyšší účinností, tichým chodem a minimálními až (je-li palivem vodík) žádnými nežádoucími emisemi. Hlavní nevýhodou je ale pořád velmi vysoká cena.

Několik variant palivových článků pro domácí použití bylo k vidění na mezinárodním veletrhu ISH 2019 ve Frankfurtu nad Mohanem. V tomto prvním dílu se zaměříme na zařízení využívající zemní plyn/bioplyn. Ty mají tu výhodu, že se sériově vyrábějí a dají se již několik let koupit. Druhý díl se bude věnovat vodíkovým palivovým článkům umožňujícím 100% soběstačnost. Ty se však zatím v Evropě nachází ve fázi malosériové výroby nebo certifikace a běžně se koupit nedají.

• Topíme a svítíme palivovým článkem, část 2. – vodík a metanol

20 let na scéně a stále v plenkách

Domácí palivové články se objevují na scéně už od přelomu tisíciletí, kdy Toshiba a Panasonic v Japonsku poprvé představily své jednotky s vizí „vodíkové společnosti“, což je japonská obdoba německé Energiewende. První palivové články začaly být v japonských domácnostech instalované od roku 2005. V Evropě bylo možné v té době nalézt několik pilotních modelů u tradičních dodavatelů tepelné techniky, jak jsme psali na TZB-info už v roce 2003. Patřily sem výrobky jako Vaillant xellPOWER, Buderus Logapower/Junkers CeraPower (totéž zařízení) a Viessmann Vitovalor, který jediný přežil do dneška, je dále rozvíjen a dá se koupit. Vaillant pár let zpátky vývoj palivových článků pozastavil (k nelibosti Sunfire, německého výrobce palivových článků), firmu Junkers „pohltil“ koncern Bosch termotechnika a Buderus místo Logapoweru nabízí menší zařízení zvané BlueGEN, o němž bude řeč dále. V Japonsku již palivové články mají stovky tisíc instalací a v Evropě první tisíce (rok 2019), vždy jsou podpořeny nějakým dotačním programem a jejich ceny klesají pomalu.

Jak domácí palivový článek vypadá a jak funguje?

Podle konfigurace celý přístroj vypadá jako střední nebo větší lednice a jedná se o soubor několika zařízení. Patří sem:

• Reformer: při teplotě 500 – 700 °C získává z paliva (zemního plynu) vodík.
• Palivový článek: z vodíku a vzduchu (kyslíku) vyrobí teplo a stejnosměrný proud, současně vznikne voda a oxid uhličitý
• Měnič: ze stejnosměrného proudu udělá střídavý
• Tepelný výměník: teplo z reformeru a spalin z palivového článku předává na ohřev vody
• kondenzační kotel nebo tepelné čerpadlo (volitelně): přitopí, když je velká zima nebo větší odběr teplé vody
• ohřívač teplé vody (volitelně): připraví teplou vodu pro okamžité použití
• akumulační nádoba (volitelně): uloží přebytečné teplo na později
• elektrický akumulátor (volitelně): uloží přebytečnou elektřinu na později

Ze zemního plynu je ve vestavěném reformeru při vysoké teplotě získán vodík, který je následně v palivovém článku přeměněn na teplo a elektřinu. Odpadním produktem je čistá voda a oxid uhličitý. Zařízení se instaluje do budovy s elektrickou i plynovou přípojkou, není tedy určené pro ostrovní provoz. Palivovému článku vyhovuje plynulý chod, počítá se proto s permanentní výrobou 24/7 po celý rok. Dlouhodobý provoz při vysokých teplotách klade vysoké nároky na použité materiály, což se odráží na ceně zařízení i na jeho opotřebení. Životnost samotného palivového článku při permanentním provozu je v současnosti odhadována okolo pěti let (přesný údaj záleží na typu a způsobu provozu článku).

V ideálním případě jsou vyrobená elektřina i teplo využity v domě. Pokud není pro elektřinu odběr, pošle se do sítě a je vykoupena dodavatelem stejně, jako je vykupována přebytečná elektřina z domácí fotovoltaiky. Pokud je v domácnosti potřeba více elektřiny, než může palivový článek dodat, odebere se ze sítě. Je-li venku větší zima nebo stoupne-li náhle spotřeba teplé vody, a palivový článek nezvládne vyrobit všechno potřebné teplo, sepne kondenzační kotel nebo jiné související zařízení (třeba tepelné čerpadlo) a dodá dostatek tepla, aby byly spolehlivě pokryty všechny potřeby uživatele. Je-li naopak tepla nadbytek, vypustí se komínem ven.

Palivový článek jako zdroj tepla (a elektřiny) pro domácnost – Viessmann Vitovalor a Senertec Dachs 0,8

Viessmann Vitovalor na veletrhu ISH 2019

Zařízení pro domácnost v první řadě topí a ohřívá vodu a jako „bonus“ vyrábí elektřinu. Viesmann Vitovalor zvenku vypadá jako větší lednice, ve které najdeme:

• Reformer pro výrobu vodíku ze zemního plynu
• Palivový článek s výkonem tepelným 1,1 kWth a elektrickým 750 Wel,
• Měnič – ze stejnosměrného proudu vystupujícího z palivového článku udělá střídavý,
• Řídicí počítač a kontrolní panel,
• Kondenzační kotel o výkonu 25,2 kWt,
• Ohřívač teplé vody s kapacitou 46 l,
• Akumulační nádobu o objemu 200 l (Viessmann)/300 l (Senertec)

Vše lze samozřejmě ovládat a sledovat přes mobilní aplikaci.

Identické zařízení v lehce odlišném kabátě (dvě „krabice“ místo jedné) nabízí i německá společnost Senertec pod názvem Dachs 0,8. Senertec je tradiční německý výrobce mikrokogeneračních jednotkek se spalovacím motorem. Jeho nejmenší jednotka Dachs 0,8 je ovšem na bázi palivového článku. Výkonové parametry jsou stejné jako u Viessmannu, srdcem obou zařízení je totiž tentýž palivový článek Panasonic.

Účinnost palivového článku při výrobě elektřiny dosahuje u obou přístrojů 37 %, což není na palivový článek nijak oslnivá hodnota. Tepelná účinnost není nikde uváděna, lze však dopočítat údaj 54 %, celková účinnost zařízení je tak 91 %. Z poměru vyrobeného tepla a elektřiny je však patrné, že palivový článek je pro domácí využití optimalizován primárně k výrobě tepla (oproti palivovému článku pro komerční aplikace, viz níže).

Výhoda celého systému spočívá v energetické účinnosti vyplývající ze současné výroby elektřiny a tepla v místě spotřeby. Tento způsob využití zemního plynu produkuje o 40 % méně emisí CO₂, než kdyby se plyn spálil ve velké centrální elektrárně a elektřina byla se ztrátami vedením dopravována k zákazníkovi, který by zároveň topil jen kondenzačním kotlem. Používání Vitovaloru by současně mělo přinést 30% úsporu na účtech za elektřinu a za plyn. Bavíme se přitom o samotném zařízení. Soběstačnost, účinnost a tím i úspory energie lze dále zvýšit instalací domácí baterie a případně i fotovoltaiky. Přebytečnou elektřinu z palivového článku lze ukládat do baterie, ani pak ale soběstačnost nebude 100%, stále bude potřeba minimálně plynová přípojka. Úspory se v tomto případě týkají jen provozu, pořízení je vzhledem k vysoké ceně dotováno (viz níže).

Palivový článek jako zdroj elektřiny (a tepla) pro firmy – SOLIDPower/Buderus BlueGEN

Palivový článek BlueGEN vyrábí společnost SOLIDPower. Firma uzavřela dohodu o distribuci s firmou Buderus, její palivové články jsou proto od roku 2018 k dostání i pod značkou Buderus BlueGEN. Výrobky jednotlivých distribucí se liší jen vizuálně, verze, kterou prodává Buderus, byla původně určena pro venkovní instalaci.

Sourozenci Buderus a SOLIDPower BlueGEN – jiná skříň, stejný vnitřek, obojí na veletrhu ISH 2019

BlueGEN je opět kogenerační zařízení na zemní plyn nebo biometan (ideálně) s kontinuálním (24/7) provozem. Oproti Vitovaloru je zde ovšem obrácený poměr výroby elektřiny a tepla – BlueGEN dodává 1,5 kW elektřiny a jako „bonus“ vyrobí 540 W tepla. To je možné použít buď na ohřev 200 litrů vody denně, nebo se dá vypustit komínem ven. Účinnost přeměny na elektřinu je 60 %, přeměny na teplo 25 %, celkově 85 %. Při permanentním provozu BlueGEN ročně vyrobí 13 000 kWh elektřiny a 5256 kWh tepla. Zařízení tak cílí hlavně na firmy, protože stálý odběr 1,5 kWel není mezi domácnostmi příliš obvyklý. Je-li potřeba elektřiny více, lze těchto zařízení v jednom místě zapojit několik naráz a získat tak vyšší elektrický i tepelný výkon.

Jelikož je BlueGEN určen primárně na výrobu elektřiny, nenajdeme v něm žádné další integrované vytápěcí systémy, jen reformer pro získání vodíku ze zemního plynu, palivový článek a měnič na výrobu střídavého proudu. V případě potřeby je ale BlueGEN kompatibilní s libovolným systémem teplovodního vytápění. Zařízení lze samozřejmě sledovat i ovládat přes mobilní aplikaci.

Vyplatí se?

„Domácí“ palivové články jsou vysoce účinná technologie s nízkými emisemi – toto tvrzení ovšem platí už od jejich představení před 20 lety. Hlavní důvod, proč se dávno všude nepoužívají palivové články, je, že jsou stále hodně drahé a mají levnější i ekologičtější variantu v podobě fotovoltaiky a kondenzačního kotle. A hlavní důvod, proč se dnes naopak používají palivové články, jsou dotace v kombinaci s poměrem cen elektřiny a zemního plynu v některých zemích.

Kilowatthodina elektřiny v Německu současnosti vyjde domácnost přibližně na 30 centů a kilowatthodina zemního plynu na 6 centů (duben 2019). Při napájení palivových článků zemním plynem a účinnosti zmíněných zařízení můžeme spočítat, že palivové články budou dodávat domácnostem energie zhruba za tyto ceny:

*) zaokrouhleno na celé centy při ceně plynu 6 c/kWh

Kogenerační jednotka s palivovým článkem stojí mezi 20 000 – 30 000 eury (cca 500 – 770 tis. Kč), přesné ceny mají výrobci jen na vyžádání. Záleží na koncepci, zda se jedná o zařízení typu „vše v jednom“, jako Viessmann Vitovalor, nebo zda se kupuje jen palivový článek a k němu se ještě musí dokoupit plnohodnotný zdroj vytápění, typicky kondenzační kotel s akumulační nádobou, což je případ BlueGEN.

Kromě toho Německo poskytuje státní dotace na pořízení palivového článku odstupňované podle účinnosti při výrobě elektřiny – čím vyšší účinnost při výrobě elektřiny, tím vyšší dotace. Na Vitovalor je tak dotace až 11 000 eur, na BlueGEN 16050 eur. Dotace jsou schopné pokrýt i více než polovinu pořizovací ceny včetně instalace. Podnikatelé a firmy si navíc mohou při nákupu odečíst DPH.

Modulární elektrický akumulátor Viessmann Vitocharge na veletrhu ISH 2019

Další faktory, které ovlivňují návratnost investice, jsou míra využití vyrobené elektřiny a tepla na daném místě. Vzhledem k tomu, že zařízení nejvíc vyhovuje nepřetržitý provoz, je žádoucí co nejvíc energie na místě využít a nebo uskladnit. Zde je třeba dobře počítat, protože instalace akumulátoru zvýší míru využití lokálně získané energie, výrazně zvedne pořizovací náklady, ale lze na ní získat další dotaci. Není-li k dispozici akumulátor ani stálý odběr, je možnost prodávat přebytečnou elektřinu do sítě, podobně jako přebytky z fotovoltaiky. Návratnost zařízení pak ovlivňuje, kolik elektřiny je do sítě posláno a za jakou sazbu je vykoupena.

A nesmíme zapomínat na údržbu. Samotný palivový článek sice neobsahuje pohyblivé části, zato při využití zemního plynu dlouhodobě pracuje při vysoké teplotě a je součástí poměrně složitého zařízení. Kontrola a údržba tak vyjde na jednotky stovek eur ročně.

Štědré dotace nejsou věčné a postupně klesají, tato podpora ale dává firmám možnost dostat do sériové výroby a prodeje palivové články, nasbírat s nimi zkušenosti při provozu a údržbě a vyladit výrobu tak, aby se v budoucnu obešly bez dotací. Jedná se tedy o stejný model, jako u fotovoltaických nebo větrných elektráren, kde dotace kompenzovaly velmi vysoké ceny technologií při rozjezdu odvětví a dnes se již staví řada projektů bez dotací. Třeba se tento postup časem osvědčí i u palivových článků na zemní plyn.

V ČR dává větší smysl hybridní fotovoltaika s tepelným čerpadlem nebo kondenzačním kotlem

Navzdory vysoké účinnosti se „domácí“ palivové články se finančně vyplatí tam, kde je cena zemního plynu výrazně vyšší než cena elektřiny, kde jsou na palivové články vysoké dotace a kde jsou zajímavé výkupní ceny za přebytečnou elektřinu posílanou do sítě. Nic z toho v ČR není, pořizovací cena by tak dosahovala přibližně 800 000 korun bez možnosti dotace, bez větších úspor při výrobě elektřiny z plynu a při minimálních výkupních cenách elektřiny poslané do sítě. Nejspíš nebude problém si z Německa dovézt a připojit palivový článek, ale vzhledem k velmi vysoké ceně to bude zatím řešení jen pro nadšence.

Za poloviční peníze si lze totiž pořídit dostatečně velkou fotovoltaiku i s velkokapacitní baterií, která pokryje většinu spotřeby elektřiny v domě zcela bezemisně. Na zimní období pak stačí nainstalovat kondenzační plynový kotel, který spaluje plyn s vysokou účinností a navíc běží jen, když je potřeba, což šetří náklady na palivo i na údržbu. Další variantou, která se do této ceny s rezervou vejde, je fotovoltaika s tepelným čerpadlem. A to se bavíme o situaci bez dotací. Když vezmeme v úvahu, že v ČR je v současnosti nějakým způsobem dotována hybridní fotovoltaika, tepelné čerpadlo i kondenzační kotel, nedávají palivové články na zemní plyn v domácnosti žádný smysl.

Jiná situace ale může nastat, pokud chceme bezemisní ostrovní provoz domácnosti po celý rok. Zde se dostávají ke slovu palivové články na vodík, na které se podíváme v dalším dílu:

• Topíme a svítíme palivovým článkem, část 2. – vodík a metanol

Komentář Josefa Hodbodě, vedoucího redaktora Vytápění na TZB-info: