Nejnavštěvovanější odborný portál
pro stavebnictví a technická zařízení budov
TZB studio
zobrazit program

Spalování směsí zemního plynu s vodíkem v domácích plynových spotřebičích – 2. část

Autoři analyzují možnost spalovat zemní plyn s příměsí vodíku v plynových spotřebičích. Uvedeny jsou kladné a záporné stránky obsahu vodíku v zemním plynu a doporučení pro jeho přimíchávání do distribuční soustavy zemního plynu. Převzato z časopisu Plyn s laskavým svolením redakce.

Přečtěte si také Spalování směsí zemního plynu s vodíkem v domácích plynových spotřebičích – 1. část Přečíst článek

Souhrn

V článku je popsán vliv obsahu vodíku v rozmezí 0 až 25 % mol. ve směsi se zemním plynem na spalování v domácích plynových spotřebičích. Zaměnit, resp. použít pro daný spalovací spotřebič, je možné pouze plynná paliva s podobnými spalovacími vlastnostmi – zejména pak Wobbeho číslem a spalovací rychlostí. V jednotlivých kapitolách je zde uveden vliv obsahu vodíku v zemním plynu na: Wobbeho číslo, složení spalin; emise oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého a oxidů dusíku; spalovací rychlost; výkon hořáků/příkon spotřebičů, účinnost spotřebičů; stabilitu plamene; spalovací teplotu. Jsou zde uvedena doporučení týkající se obsahu vodíku v zemním plynu pro domácí plynové spotřebiče publikovaná v odborné literatuře. V závěru jsou uvedeny kladné a záporné stránky obsahu vodíku v zemním plynu a doporučení pro jeho přimíchávání do distribuční soustavy zemního plynu z pohledu spalování těchto směsí v domácích plynových spotřebičích.

3 Vliv vodíku ve směsích se zemním plynem na provozní vlastnosti domácích plynových spotřebičů

Hlavními druhy plynových spotřebičů používaných v domácnostech v České republice jsou:

  • plynové sporáky, vařiče a plynové varné desky,
  • průtokové a zásobníkové ohřívače vody,
  • plynové kotle,
  • lokální plynová topidla.

Nejpočetněji jsou v domácnostech v ČR zastoupeny plynové sporáky (kolem tří milionů kusů). V provozu je dosud značné množství starších typů sporáků i ostatních druhů spotřebičů, u kterých by eventuálně mohly vzniknout problémy se spalováním směsí zemního plynu s vodíkem. Všechny plynové spotřebiče v domácnostech v ČR v současné době spalují pouze zemní plyn, dodávaný do ČR soustavou tranzitních plynovodů z Ruské federace [6]. Tuzemský zemní plyn je lokálně spotřebováván v oblastech těžby.

Základní podmínkou používání směsí zemního plynu s vodíkem v domácích spotřebičích je jejich bezpečné spalování bez jakýchkoliv úprav spotřebičů, tedy i se stávajícími tlaky plynu. Jakékoliv úpravy spotřebičů (např. zvětšením průměrů trysek, nebo zvýšením tlaku) by totiž představovaly zásah do milionů domácích spotřebičů, což je rozsahem prací a nákladů srovnatelné s převodem těchto spotřebičů ze svítiplynu na zemní plyn, který u nás proběhl v letech 1973 až 1996. Tento článek má za úkol stanovit jaké množství vodíku lze do současného ruského zemního plynu přivést tak, aby domácí plynové spotřebiče bezpečně fungovaly bez nutnosti jakýchkoliv úprav.

Obr. 3 Funkční schéma ejekčního hořáku
Obr. 3 Funkční schéma ejekčního hořáku

Vodík ve směsích se zemním plynem ovlivňuje provozní vlastnosti domácích plynových spotřebičů, vybavených nízkotlakými ejekčními hořáky, které pracují na principu nasávání atmosférického vzduchu do směšovače hořáku vlivem podtlaku Δp2, vyvozeného plynem, vytékajícím z plynové trysky hořáku rychlostí w1p (viz obr. 3). Do směšovače hořáků se ejekčním účinkem zemního plynu nasaje tzv. „primární“ vzduch, jehož množství je menší než množství potřebné k dokonalému spálení zemního plynu. Zbytek spalovacího vzduchu je přiváděn jako sekundární vzduch difuzí do plamene hořáku.

 

Při spalování směsí zemního plynu s vodíkem se oproti spalování zemního plynu mění především tyto vlastnosti ejekčních hořáků a domácích spotřebičů, které jsou rozhodující pro jejich bezpečnou a hospodárnou funkci:

  • výkon hořáku,
  • násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu,
  • účinnost spotřebičů,
  • stabilita plamene.

3.1 Výkon hořáků a příkon spotřebičů

S rostoucím obsahem vodíku ve směsích se zemním plynem klesá objemový energetický obsah (spalné teplo Hs a výhřevnost Hi) a při zachování tlakových parametrů směsí klesá i výkon hořáků a tím i příkon spotřebiče. Současně však vlivem snižování hustoty směsí ZP+H2 roste výtoková rychlost w1p (obr. 3) a tím i množství směsi ZP+H2 protékající tryskou hořáku.

Výkon hořáků a tím i příkon spotřebičů při spalování směsí zemního plynu s vodíkem je dán rovnicí:

vzorec 10 (10)
 

kde jednotlivé symboly značí:

PZP
výkon hořáku (příkon spotřebiče) při spalování zemního plynu (kW),
PZP+H2
výkon hořáku (příkon spotřebiče) při spalování směsí zemního plynu s vodíkem (kW),
Hi ZP
výhřevnost zemního plynu (kWh.m−3),
Hi ZP+H2
výhřevnost směsi ZP+H2 (kWh.m−3),
ρZP
hustota zemního plynu (kg.m−3),
ρZP+H2
hustota směsi ZP+H2 (kg.m−3).
 

V tabulce 5 je uvedena závislost relativního výkonu hořáků a příkonu spotřebičů na množství vodíku ve směsích se zemním plynem.

Tabulka 5 Hodnoty relativního výkonu hořáků a příkonu spotřebičů pro směs zemního plynu s vodíkem
Molární zlomek H2
(% mol.)
Relativní výkon hořáku (příkon spotřebiče)
(% rel.)
0100
598,7
1097,3
1596,0
2094,6
2593,2

Diagram na obrázku 4 znázorňuje pokles výkonu plynových ejekčních hořáků a příkonu spotřebičů s rostoucím obsahem vodíku ve směsích se zemním plynem.

Obr. 4 Pokles výkonu plynových ejekčních hořáků a příkonu spotřebičů s rostoucím obsahem vodíku ve směsích se zemním plynem
Obr. 4 Pokles výkonu plynových ejekčních hořáků a příkonu spotřebičů s rostoucím obsahem vodíku ve směsích se zemním plynem

Z tab. 5 a obr. 4 je zřejmé, že při spalování směsí zemního plynu s vodíkem se výkon domácích spotřebičů snižuje přímo úměrně s rostoucím obsahem vodíku ve směsích. Například výkon troubového hořáku sporáku, který má pro čistý zemní plyn hodnotu Pz = 3,2 kW, klesne při spalování směsi s 25 % vodíku na cca 3 kW. Výkon plynového kotle, který má pro čistý zemní plyn hodnotu Pz = 20 kW, má při obsahu vodíku ve směsi se zemním plynem 25 % hodnotu PZP+H2 = 18,7 kW. V praxi se pokles výkonu u sporáků může projevit delší dobou potřebnou k dosažení teploty varu. U plynových kotlů se snížení max. výkonu o cca 7 % může projevit nižší teplotou ve vytápěných prostorách v případě velkých mrazů.

3.2 Násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu

Množství nasávaného primárního vzduchu do hořáků (obr. 3) závisí na velikosti podtlaku Δp2, vyvolaného ejekčním účinkem plynu, vytékajícího z trysky hořáku. Ejekční účinek je dán kinetickou energií proudu plynu (Ekin), která je součinem hmotnosti plynu protékajícího tryskou (mp) a kvadrátu jeho rychlosti (w1p):

Ekin = 1/2 mp.w1p2 (11)
 

Výtoková rychlost s rostoucím obsahem vodíku ve směsi roste a hmotnost klesá a nasávané množství primárního vzduchu se zvyšuje, přičemž teoretické množství spalovacího vzduchu potřebné pro spálení 1 m3 směsi (VVT) klesá.

Obr. 5 Závislost násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n na obsahu vodíku ve směsích zemního plynu s vodíkem
Obr. 5 Závislost násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n na obsahu vodíku ve směsích zemního plynu s vodíkem

U směsí zemního plynu s vodíkem se oproti spalování čistého zemního plynu spalné teplo snižuje úměrně s rostoucím obsahem vodíku ve směsích.

Při snižování spalného tepla pod jmenovitou hodnotu zemního plynu Hs ZP (tab. 1) roste násobek stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n nad hodnotu nZP (obr. 5), pro kterou byl hořák konstruován. Ve spalinách tak roste objemový podíl kyslíku a vzduchu, což vede ke zvýšení ztrát výkonu spotřebičů teplem odcházejících spalin a snížení jejich účinnosti.

3.3 Účinnost spotřebičů

S rostoucím obsahem vodíku ve směsích se zemním plynem klesá vlivem zvyšujícího se násobku stechiometrického množství vzduchu, a tedy zvyšující se ztráty tepla spalinami, i účinnost spotřebičů.

Velikost těchto ztrát nelze exaktně stanovit, protože tyto ztráty se u jednotlivých typů domácích spotřebičů liší. Ztráty tepla spalinami budou vyšší u uzavřených typů domácích spotřebičů (kotle, topidla, trouby sporáků) než např. u vařidlových hořáků sporáků.

Lze předpokládat, že zvýšení ztrát tepla spalinami při spalování směsi ZP+H2 s obsahem vodíku 25 % se u jednotlivých typů domácích spotřebičů bude pohybovat v rozmezí 1 až 3 % a o stejnou hodnotu se sníží i jejich účinnost.

3.4 Stabilita spalování směsí zemního plynu s vodíkem

Stabilní spalování plynného paliva se vzduchem se vyznačuje stálou polohou čela plamene vzhledem k ústí hořáku. Nestabilní spalování se projevuje utržením plamene od ústí hořáku v případě nízkých spalovacích rychlostí, nebo tzv. „prošlehnutím“ plamene do tělesa hořáku v oblasti minimálního výkonu, kdy spalovací rychlost un je větší než výtoková rychlost směsi plynu a vzduchu z ústí hořáku w4 (viz obr. 3).

V případě realizace používání směsí zemního plynu s vodíkem v domácích plynových spotřebičích bude nezbytné provést experimentální ověření stability spalování u vybraných (starších) typů domácích spotřebičů pro obsahy vodíku ve směsích 20 a více procent.

3.5 Vliv spalovacích teplot směsí zemního plynu s vodíkem na funkci plynových spotřebičů

Při spalování směsí zemního plynu s vodíkem budou hodnoty adiabatických teplot i skutečných spalovacích teplot v hořácích domácích spotřebičů vyšší než při spalování čistého zemního plynu, neboť vodík má při stejných podmínkách spalování vyšší spalovací teploty než zemní plyn. Spalovací teploty svítiplynu, používaného ve shodných konstrukcích domácích spotřebičů před záměnou za zemní plyn byly však vyšší než v případě směsí zemního plynu s vodíkem, při čemž žádné problémy ve funkci spotřebičů nevznikly. Při spalování směsí zemního plynu s vodíkem navíc dojde ke zvýšení násobku stechiometrického objemu spalovacího vzduchu n a tím ke snížení teploty spalin.

Zvýšení spalovacích teplot směsí zemního plynu s vodíkem tedy funkci domácích plynových spotřebičů nijak neovlivní.

4 Záměnnost směsí zemního plynu s vodíkem za zemní plyn

Záměnnost plynných paliv je vlastnost umožňující náhradu jednoho druhu plynného paliva jiným plynným palivem. Z hlediska náročnosti úprav spotřebičů se plynná paliva rozdělují na záměnná, tj. taková, která je možno vzájemně nahradit bez nutnosti jakékoliv úpravy spotřebičů a na paliva, při jejichž vzájemné záměně je nezbytné provést úpravy (změna tlaku plynu, výměny hořáků nebo jejich částí, případně celých spotřebičů). Nejcitlivější skupinou plynových spotřebičů z hlediska záměnnosti jsou domácí plynové spotřebiče. Při hodnocení záměnnosti různých druhů plynných paliv se v podstatě jedná o stanovení dovoleného rozsahu změn parametrů plynných paliv, ve kterém lze plynná paliva bezpečně a hospodárně spalovat ve všech typech domácích spotřebičů. Některé, zejména novější typy domácích spotřebičů dovolují změny parametrů plynných paliv v širším rozmezí než jiné, obvykle starší typy spotřebičů. Dodavatelé plynných paliv však mohou do rozvodných sítí dodávat jen taková paliva, která lze bezpečně a hospodárně spalovat ve všech v současné době používaných domácích spotřebičích.

4.1 Odborná literatura

V odborných publikacích je možné najít doporučení týkající se hodnoty maximálního obsahu vodíku ve směsích se zemním plynem z hlediska spalování v domácích spotřebičích. Na maximální hodnotě obsahu vodíku v zemním plynu 20 % mol. se shodují výsledky uvedené v publikacích:

  1. týkajících se testů provedených na atmosférickém vařidlovém hořáku o výkonu 2,7 kW v laboratořích UCI na Univerzitě v Kalifornii (USA) [4];
  2. testů kondenzačních kotlů s hořáky spalujícími předmíchanou směs plynu a vzduchu provedených na Polytechnické univerzitě v Hong Kongu [7];
  3. studie N. V. Nederlandse Gasunie z Groningenu v Nizozemí řeší situaci s domácími plynovými spotřebiči v Nizozemí [8].

Publikace technické asociace Evropského plynárenského průmyslu Marcogaz [9, 10] uvádí výsledky výzkumu pro domácí a komerční aplikace spalování směsí zemního plynu s přídavkem vodíku, kdy vodík může být do zemního plynu přimícháván až do 30 % (obj. popř. mol.) bez negativních dopadů na bezpečnost provozu. Maximální obsah vodíku v zemním plynu 10 % doporučují s ohledem na průtokoměry, jejichž chyba se nad touto hranicí může značně zvýšit.

Publikace Gas Quality Requirements dánské společnosti Future Gas [11] a Admissible Hydrogen Concentrations in Natural Gas Systems od společnosti GERG [12] shrnují výsledky testů spalování směsí zemního plynu a vodíku na domácích spotřebičích v Německu, Francii a Dánsku s tím, že do obsahu vodíku 10 % (obj. popř. mol.) v zemním plynu by nemělo dojít k žádným potížím, což bylo vyzkoušeno na krátkodobých testech. Doporučují provedení dlouhodobějších testů.

4.2 Situace v České republice

V letech 1973 až 1996 byla provedena záměna svítiplynu za tranzitní zemní plyn. Tato záměna byla z titulu zcela rozdílných spalovacích vlastností obou plynů časově, technicky a organizačně velmi náročná. Prakticky všechny plynové spotřebiče spalující svítiplyn byly postupně a se značnými náklady upravovány pro spalování zemního plynu.

Základní podmínky, které je nutno při záměně plynných paliv u domácích spotřebičů (bez zásahu do spotřebiče) splnit, jsou:

  • zachování původního příkonu spotřebiče,
  • dokonalé spalování nového plynného paliva,
  • stabilní spalování nového paliva v celém regulačním rozsahu.

Pro hodnocení záměnnosti plynných paliv se používají obrazce záměnnosti. Každý domácí spotřebič má svůj individuální obrazec záměnnosti, který vymezuje oblast spalných tepel Hs a relativních hustot d plynných paliv, ve kterých je možno daný spotřebič bezpečně a hospodárně používat. Obrazce záměnnosti jednotlivých spotřebičů se stanoví na základě zkoušek spotřebičů s různými druhy plynných paliv, zejména s plyny s mezními hodnotami Wobbeho čísel a spalovacích rychlostí (ČSN EN 437 – Zkušební plyny, zkušební přetlaky, kategorie spotřebičů [13]). Výsledný obrazec záměnnosti všech používaných domácích spotřebičů pak vznikne jako průnik ploch obrazců záměnnosti jednotlivých spotřebičů a výsledná plocha je pak oblastí záměnnosti pro všechny používané domácí spotřebiče. Záměnná jsou pak všechna paliva, jejichž body dané souřadnicemi Hs a d leží uvnitř obrazce záměnnosti. Obrazce záměnnosti se s vývojem nových a vyřazováním zastaralých spotřebičů v průběhu let mění. Nové spotřebiče mají obvykle širší hranice obrazců záměnnosti.

Obr. 6 Obrazec záměnnosti zemních plynů stanovený z výsledků experimentálního ověření rozsahu dovolených hodnot Wobbeho čísel pro domácí plynové spotřebiče (ref. podmínky t = 15 °C, P = 101 325 Pa, ZP1 – ruský HPS Brandov, ZP2 – ruský HPS HSK, ZP3 – ruský HPS Lanžhot, ZP4 – ruský H, ZP5 – ruský 2000, ZP6 – norský, ZP7 – dánský, ZP8 – alžírský, ZP9 – Libye LNG, ZP10 – Nigérie LNG, ZP11 – Egypt LNG, ZP12 – holandský L [14, 15])
Obr. 6 Obrazec záměnnosti zemních plynů stanovený z výsledků experimentálního ověření rozsahu dovolených hodnot Wobbeho čísel pro domácí plynové spotřebiče (ref. podmínky t = 15 °C, P = 101 325 Pa, ZP1 – ruský HPS Brandov, ZP2 – ruský HPS HSK, ZP3 – ruský HPS Lanžhot, ZP4 – ruský H, ZP5 – ruský 2000, ZP6 – norský, ZP7 – dánský, ZP8 – alžírský, ZP9 – Libye LNG, ZP10 – Nigérie LNG, ZP11 – Egypt LNG, ZP12 – holandský L [14, 15])

Na obrázku 6 je znázorněn obrazec záměnnosti zemních plynů, který vznikl na základě experimentálního ověřování vybraných typů spotřebičů v laboratořích Vysoké školy chemicko-technologické (VŠCHT) v Praze v roce 2000 [14]. Tato práce měla za úkol stanovit jaké druhy zemních plynů je možno v tehdy užívaných domácích spotřebičích bezpečně a hospodárně spalovat. Většina vybraných spotřebičů patřila do skupiny původně svítiplynových spotřebičů přestavěných v rámci záměny svítiplynu za zemní plyn.

V současné době je již převážná část těchto starých spotřebičů nahrazena novými moderními spotřebiči. Není ovšem vyloučeno, že v domácnostech (zejména u starších uživatelů) jsou dosud staré spotřebiče používány. Ve zmíněné zprávě vypracované v r. 2000 pro RWE Transgas [14] je doporučeno provádění revizních prohlídek domácích spotřebičů, a tím i zjištění typů a stavu používaných spotřebičů. To však dosud nebylo realizováno.

Směsi zemního plynu s vodíkem představují zvláštní skupinu topných plynů, která leží mimo plochu obrazce záměnnosti uvedeném na obr. 6. To však automaticky neznamená, že tyto směsi nejsou za zemní plyn zaměnitelné. Význam trojúhelníkem s vrcholy A, B a C ohraničené oblasti je ten, že vyznačuje plochu, ve které se nevyskytují reálné zemní plyny, přídavek vodíku může posun směsi zemního plynu s vodíkem do této oblasti způsobit.

Obr. 7 Fotografie prošlehnutí plamene při testech průtokového ohřívače
Obr. 7 Fotografie prošlehnutí plamene při testech průtokového ohřívače

Nově vyráběné spotřebiče jsou povinně zkoušeny pro spalování zkušebního plynu G222, který obsahuje 23 % obj. vodíku [13]. I většina spotřebičů podrobených zkouškám v laboratořích VŠCHT v roce 2000 vyhověla podmínkám bezpečného a hospodárného spalování s tímto zkušebním plynem, a to se jednalo o staré typy spotřebičů z let 1960 až 1980, přestavěné ze svítiplynu na zemní plyn. Problémy s prošlehnutím plamene se vyskytly u testů průtokového ohřívače vody MORA PO 35, které se vyskytly při 50% výkonu a aplikaci plynu G222, snímek je uveden na obrázku 7 [14]. Plamen z ústí vějířového hořáku v tomto případě prošlehl k ústí trysky, kde dochází k nasávání primárního vzduchu.

Ještě je nutno zmínit skutečnost, že eventuální porucha provozu spotřebičů spalujících směsi zemního plynu s vodíkem může ohrozit bezpečnost uživatelů pouze v případě, kdy hořáky spotřebičů nejsou vybaveny elektronickým jištěním plamene, které např. při prošlehnutí plamene do tělesa hořáku uzavře přívod plynu do hořáku. To se týká nejen starých spotřebičů (do roku výroby 1980), ale i celé řady novějších. Je tedy otázkou času, kdy dojde k obměně sortimentu domácích spotřebičů tak, aby byly schopné bez negativních dopadů spalovat směs zemního plynu s vodíkem v širších mezích. Lze předpokládat, že by se v tomto ohledu situace měla s časem zlepšovat, jen je nutné v dané chvíli brát ohled na nejslabší článek řetězu, tedy na nejvíce choulostivé spotřebiče, které jsou spotřebiteli vyžívány.

Obr. 8 Hypotetický obrazec záměnnosti pro skupinu směsí zemního plynu s obsahem vodíku v rozmezí 0 až 25 % mol., 1 – ZP HPS Brandov, 2 – ZP Br + 5 % H₂, 3 – ZP Br + 10 % H₂, 4 – ZP Br + 15 % H₂, 5 – ZP Br + 20 % H₂, 6 – ZP Br + 25 % H₂, 7 – G222
Obr. 8 Hypotetický obrazec záměnnosti pro skupinu směsí zemního plynu s obsahem vodíku v rozmezí 0 až 25 % mol., 1 – ZP HPS Brandov, 2 – ZP Br + 5 % H2, 3 – ZP Br + 10 % H2, 4 – ZP Br + 15 % H2, 5 – ZP Br + 20 % H2, 6 – ZP Br + 25 % H2, 7 – G222

Na obrázku 8 je znázorněn hypotetický obrazec záměnnosti pro skupinu směsí zemního plynu s vodíkem v rozmezí 0 až 25 % mol. H2 dle složení a vlastností uvedených v tab. 1. Navíc je v něm uveden bod pro čistý methan (CH4).

Z polohy zkušebního plynu G222 [13] v obrazci záměnnosti lze předpokládat, že směsi zemních plynů s max. obsahem vodíku 25 % mol. bude možno v domácích spotřebičích spalovat bez nutnosti jejich úprav. Současně lze předpokládat, že plocha obrazce záměnnosti pro skupinu nových spotřebičů se zvětší, zejména předpokládaným zvýšením rozsahu mezních hodnot Wobbeho čísel.

Pro stanovení obrazce záměnnosti spotřebičů, které budou v době záměny zemního plynu za směsi ZP+H2 používány v domácnostech v ČR bude nutno provést experimentální stanovení individuálních obrazců záměnnosti vybraných typů domácích spotřebičů, podobně jako tomu bylo v r. 2000 [14, 15].

5 Závěr

Ing. Josef Fík

Ing. Josef Fík (*1935)
Absolvent Vysoké školy strojní a elektrotechnické v Plzni. Pracoval jako konstruktér plynových pecí a hořáků v závodě Škoda Klatovy, dále jako výzkumný a vývojový pracovník v ÚVP v Praze – Běchovicích a jako samostatný projektant a konstruktér plynových spotřebičů a hořáků.

Dr. Ing. Libor Čapla

Dr. Ing. Libor Čapla (*1969)
Vystudoval obor chemické a energetické zpracování paliv na VŠCHT Praha, kde do roku 2005 působil jako odborný asistent. Od roku 2006 pracuje ve skupině RWE, nyní RWE Gas Storage CZ, s. r. o., kde se věnuje návrhům technických parametrů nadzemních technologií v rámci rozvojových projektů podzemních zásobníků plynu.

Ing. Jiří Žahourek, CSc.

Ing. Jiří Žahourek, CSc. (*1952)
Vystudoval obor chemické a energetické zpracování paliv na VŠCHT Praha, kde od roku 1981 působil jako odborný asistent. Od roku 1994 pracuje jako OSVČ v oblasti použití plynu v průmyslu. Specializuje se na konstrukce průmyslových hořáků, návrhy topných systémů plynových pecí a spalovacích zařízení.

Možnost přimíchávání vodíku do zemního plynu přináší řadu otázek, na které jsme se v tomto příspěvku snažili nalézt odpovědi na případ použití těchto směsí v domácích plynových spotřebičích. Mezi kladnými stránkami přídavku vodíku je v tomto případě možné zmínit:

  • využití přebytků elektrické energie pro výrobu vodíku a jeho uplatnění v existující plynárenské infastruktuře bez nutnosti budování separátní vodíkové distribuční soustavy, popř. přepravní a skladovací soustavy;
  • možnost snížení produkce oxidu uhličitého.

Záporné stránky spojené s přídavkem vodíku do zemního plynu:

  • snížení výkonu spotřebičů;
  • zvýšené tepelné namáhání součástí hořáků;
  • zvýšení možnosti zpětného prošlehnutí;
  • snížení bezpečnosti provozu (širší meze výbušnosti);
  • vyšší chyba měření průtoku.

Doporučení renomovaných společností pro oblast plynárenství ze západní Evropy [11 a 12] se shodují na max. limitu pro obsah vodíku v zemním plynu 10 % mol. s tím, že je třeba provést jeho dlouhodobé testování a ověření. Z testů provedených na VŠCHT Praha v rámci posouzení záměnnosti zemního plynu dopravovaného z Norska [14] v roce 2000 vyplývá, že obsah vodíku nad 20 % mol. může způsobit zpětné šlehnutí plamene u spotřebičů staršího data výroby, zvláště pak těch, které byly konstruovány pro spalování svítiplynu a následně byly upraveny pro spalování zemního plynu. I pro spotřebiče používané v ČR je nutné před změnou parametrů zemního plynu, spojenou s navýšením obsahu vodíku, doporučit provedení experimentálního stanovení individuálních obrazců záměnnosti vybraných typů domácích spotřebičů.

Literatura

  1. Fík J.: Zemní plyn (Tabulky, diagramy, rovnice, výpočty), ČSTZ, Praha 2006
  2. Zhen H.S., Leung C.W., Cheung C.S., Huang Z.W.: Characterization of biogas-hydrohen premixed flames using Bunsen burner, Int. Journal of Hydrohen Energy 39 (2014), 13292–13299
  3. De Vries H., Florisson O., Tiekstra G.C.: Safe Operation of Natural Gas Appliances Fueled with H2/NG Gas Mixtures, N.V. Nederlandse Gasunie, https://h2tools.org, 6/2020
  4. Dehaeseleer J.: The Effects of Injecting Hydrogen, EASEE-gas GMOM, March 2018 Budapest (Maďarsko)
  5. Report MARCOGAZ – UTIL – GQ-17-29 (Impact of hydrogen in natural gas on end-use applications)
  6. Schweitzer J., Bruun J., Sadegh N., Jørgensen L., de Wit J.: Gas Quality Requirements WP2, Future Gas Nov. 2019
  7. Altfeld K., Pinchbeck D.: Admissible Hydrogen Concentrations in Natural Gas Systems, Gas for Energy, GERG 3/2013
  8. ČSN EN 437 Zkušební plyny. Zkušební přetlaky. Kategorie spotřebičů. ČSNI Praha 1996
  9. Fík J., Žahourek J., Čapla L.: Stanovení rozsahu dovolených hodnot Wobbeho čísel zemních plynů. Závěrečná zpráva výzkumného úkolu pro RWE Transgas, Praha 2000
  10. Fík J., Žahourek J., Čapla L.: Kvalitativní parametry zemních plynů pro bezpečný a hospodárný provoz domácích plynových spotřebičů, Plyn č. 4, 2015, str. 80–87
English Synopsis
Burning Natural Gas/Hydrogen Mixtures in Household Appliances – Part 2

The authors analyze the possibility of burning natural gas with an admixture of hydrogen in gas appliances. The positive and negative aspects of the hydrogen content in natural gas and recommendations for its mixing into the natural gas distribution system are presented.

The contribution describes the effect of hydrogen content ranging from 0 to 25 mol% in a mixture with natural gas on burning in household appliances. Gaseous fuels with similar combustion characteristics, in particular Wobbe index and burning velocity, can only be used in a particular household appliance as a substitute. The various chapters describe the effect of hydrogen content in natural gas on the following: Wobbe index, composition of exhaust gases; emissions of CO2, CO and NOx; burning velocity; output of burners/energy demand of appliances, efficiency of appliances; flame stability; and temperature of combustion. Recommendations on hydrogen content in natural gas for household appliances, accepted from reference literature, are set out there. In conclusion, the authors discuss the pluses and minuses of hydrogen content in natural gas and offer recommendations for hydrogen injection into natural gas distribution systems from the perspective of burning these mixtures in household appliances.

 
 
Reklama