Vodík – energetický nosič s budoucností neutrální z hlediska skleníkových plynů
Vodík nelze opomenout coby nosič energie budoucnosti. A to nejen proto, že při spalování takřka nevznikají emise. Je k dispozici ve velkém množství, případně ho lze vyrábět trvale.
„Koloběh zeleného vodíku: s obnovitelnou elektřinou vyrobí elektrolyzér z vody (H2O) vodík (H2) a kyslík (O2). Topná zařízení H2 Ready velmi účinně spalují vodík, přičemž kromě tepla k vytápění zase vznikne voda – koloběh je tím uzavřen.“
Není pochyb: vodík bude hrát při dodávkách energie v 21. století významnou roli. Jeho pozitivní vlastnosti, například nevytvářet při spalování prakticky žádné škodliviny, z něj dělají ideální náhradu za fosilní energetické nosiče, jako je uhlí, olej a zemní plyn.
Velký význam, který se vodíku coby nosiči energie přikládá, ukazuje pohled do politiky. Německá spolková vláda oznámila, že investuje devět miliard eur do dalšího cíleného vývoje vodíkové infrastruktury. Spolu s 21 dalšími státy EU a Norskem tak na základě tématu vodík vznikl „Projekt společného evropského zájmu“.
Až do roku 2024 má evropská výroba vodíku s obnovitelnými energiemi činit milion tun a do roku 2030 deset milionů tun.
Německo se má podle velké koalice stát světovým průkopníkem při využití vodíkové energie. Protože s energetickým nosičem vodík lze krátkodobě dosáhnout výrazného úspěchu při snížení emisí CO2. V německé národní vodíkové strategii, která byla k tomuto účelu vytvořena, je společnost Viessmann Group výrazně zastoupena. Například v pilotním projektu „SmartQuart“, který finančně podporuje Spolkové ministerstvo hospodářství a energetiky (BMWi), kde vzniká první reálná vodíková "laboratoř" Energiewende, tedy opuštění fosilních paliv.
Nosič energie, který se vyskytuje prakticky všude
Ačkoli je vodík nejčastějším chemickým prvkem na naší planetě, vyskytuje se na Zemi jen zřídka v čisté podobě jako nesmíchaný plyn.
Na naší Zemi najdeme vodík prakticky jen chemicky vázaný, především jako vodu. V této podobě pokrývá přes dvě třetiny zemského povrchu. Je to obrovský potenciál, neboť celkový výskyt vody na Zemi se blíží k téměř 1,4 miliardě km3. Zemní plyny jako například metan a zemní plyn jsou také důležitými sloučeninami obsahujícími vodík.
Prognózy ukazují klesající výrobní ináklady, které se dosahují díky menším investičním nákladům na elektrolyzéry a obnovitelné energie k výrobě elektřiny i zavedením odloučení a ukládání uhlíku (například v Severním moři). Podle mezinárodního institutu pro výzkum trhu Bloomberg NEF by měl zelený vodík do roku 2050 nákladově konkurovat dokonce i zemnímu plynu.
Vodík se musí nejprve vyrobit, aby se dal použít jako energetický nosič a surovina. V podstatě k tomu existují čtyři metody:
Zelený vodík
se vyrábí elektrolýzou vody. Potřebná elektřina pochází výhradně z obnovitelných energií. Proto je tato výroba vodíku bezuhlíková, bez obsahu skleníkového plynu CO2.
Šedý vodík
se vyrábí prostřednictvím reformování páry ze zemního plynu. Vzniklý CO2 uniká do atmosféry, což zesiluje skleníkový účinek.
Modrý vodík
se získává jako šedý vodík. Vznikající CO2 se však cíleně ukládá a nedostane se do atmosféry. Proto se může i tento způsob výroby vodíku považovat za CO2 neutrální.
Tyrkysový vodík
se získává tepelným štěpením metanu. Při tom vzniká pevný uhlík. Je CO2 neutrální pouze při zásobování teplem z obnovitelných energií a trvalém vázání vznikajícího uhlíku.
Vlastnosti důležité pro spalování vodíku ve srovnání se zemním plynem
Vodík se při spalování výrazně odlišuje od zemního plynu. Hustota energie u plynného vodíku vztažená na objem pod normálním tlakem teploty s cca 3,0 kWh/m3 tvoří pouze sotva třetinu vůči zemnímu plynu (9,97 kWh/m3 výhřevnost). Toto se musí zohlednit i při měření jeho spotřeby pro účely fakturace. Vlastnosti vodíku mají praktický dopad na téměř všechny parametry technického spalování plynového topného zařízení. Sem patří mimo jiné:
- výkon,
- poměr paliva a vzduchu,
- emise,
- účinnost.
Výhody energetického nosiče vodíku
- Vodík není jedovatý, žíravý nebo radioaktivní.
- Vodík neznečišťuje vodu a neškodí přírodě ani životnímu prostředí.
- Vodík má na rozdíl od zemního plynu a topného oleje nejvyšší hustotu energie na kilogram (vodík 33,3 kWh/kg, zemní plyn 13,9 kWh/kg, topný olej 11,4 kWh/kg).
- Vodík se dá vyrábět a spalovat CO2 neutrálně, a proto je absolutně přátelský k ovzduší.
Viessmann: vedoucí postavení ve výrobě, vedoucí postavení ve vývoji
Viessmann vyvíjí a vyrábí integrovaná klimatizační a energetická řešení pro lidi, podniky a oblasti po celém světě. Že při tom „myslíme v generacích“, je pouhá samozřejmost.
Odjakživa je historie firmy Viessmann rovněž historií inovací. Jsme zvědaví na skutečný pokrok a používáme celé své know-how, technické zdroje a zkušenosti, abychom našli vždy nová a lepší řešení. Proto má pokrok a vývoj u firmy Viessmann vždy velkou váhu. Protože si myslíme, že bez inovace není budoucnost. A protože chceme výrazně přispět k tomu, aby naše společnost účinně a trvale využívala energii. Například využitím vodíku coby energetického nosiče pro topné systémy.
Podle tohoto mota přebíráme odpovědnost za životní prostředí budoucích generací. To nás motivuje stát se lepšími. Protože v tomto motu se ukrývá i naše odpovědnost a náš popud pohnout celkovým technologickým pokrokem – od pohodlného domova přes soužití v sousedstvích a městech až po zachování naší planety.
Oblast vytápění/výroby tepla/teplé vody je v Německu s až 50 % emisí CO2 nejdůležitějším sektorem energetických změn. Již dnes by se mělo ve stávající síti přimíchat k zemnímu plynu až 20 % vodíku. Tím by se mohly snížit emise CO2 o přibližně 7 % ročně. Nejnovější plynové kondenzační kotle od firmy Viessmann mohou přispět již dnes s podílem vodíku 20 až 30 %. Rozhodnete-li se pro tato zařízení, budete nejlépe vybaveni pro budoucnost.
Využití vodíku jako nového přídavného energetického nosiče bude probíhat postupně, například zvyšovaným přimícháváním do sítě zemního plynu. Inovativní výrobci jako Viessmann nabízí s moderními plynovými kondenzačními kotli a palivovými články vždy řešení, která přeměňují směsi zemního plynu-vodíku bez problémů a účinně na teplo a elektřinu. Viessmann tak svým zákazníkům poskytuje již nyní maximální míru bezpečnosti jejich budoucnosti a investic.
Jako přední inovátor v oblasti topné techniky umožňuje firma Viessmann již dnes vysoký podíl vodíku jako energetického nosiče. Všechny plynové kotle Viessmann mohou využít 10 % podílu vodíku. Testy ve zkušebních laboratořích ukázaly, že je bez problémů možné využít až 30 %. Bohužel zatím k tomu v Evropě chybí soubor platných směrnic pro schválení takových příměsí. Ale Viessmann již myslí dále: pro provoz se 100 % vodíku jsou plynové kotle a palivové články již ve vývojové a zkušební fázi.
Ve středisku Technikum, vývojovém a výzkumném centru Viessmann Group, se již intenzivně prozkoumává vhodnost běžných plynových kondenzačních kotlů na směsi zemního plynu-vodíku s podílem až 30 % vodíku. Výsledky na zkušebním zařízení jsou přesvědčující. U příměsi vodíku 30 % byla zcela splněna všechna zkušební kritéria. Důležitými parametry při tom byly bezpečnost zařízení a robustnost – také ty zůstávají u této vysoké koncentrace vodíku zajištěny v plném rozsahu. Chování hořáků při zapalování směsi plynů se dokonce zlepšilo.
Ambiciózní pilotní projekty: SmartQuart Kaisersesch spoléhá ze 100 % na vodík
Vodík jako energetický nosič – v rámci projektu SmartQuart finančně podporovaného BMWi se má vyzkoušet v praxi. Při tom hrají důležitou roli kondenzační kotle Viessmann s provozem na vodík.
Asi třetina celé spotřeby energie v Německu, to je asi 800 TWh/a, připadne na vytápění a přípravu teplé vody. Proto se nelze zříci vývoje klimaticky neutrálních topných zařízení a jejich použití v sektoru budov. Aby se připravila cesta do budoucnosti neutrální z hlediska skleníkových plynů, vyvíjí Viessmann Group vodíkové kotle, které jsou 100 % vhodné pro vodík a dají se bez problémů přestavit z provozu na zemní plyn na provoz na vodík. S vysokým stupněm účinnosti a kompletně bez emisí CO2/CO v H2 provozu.
Viessmann má „H2 Ready” kondenzační kotle pro 100procentní provoz s vodíkem, jako se budou používat v praxi v provozu v Kaisersesch, nyní ve vývoji a dále se podrobně přezkušují na zkušebnách. Od roku 2023 přichází Viessmann na trh jako jeden z prvních výrobců s kompletním portfoliem (H2 Ready) založeným na vodíku.
viessmann.family/wasserstoff
viessmann.family/hydrogen
Moderní plynové kondenzační kotle, například Vitodens 200-W, se dají bez problémů využít s minimálně 20 % vodíku v zemním plynu. Testy navíc ukázaly, že je možných dokonce 30 %.
Zatímco se v bytech v Essenu a Bedburgu budou v podstatě používat řešení založená na elektřině (místní zařízení na větrnou energii a fotovoltaická zařízení, decentrálně i centrálně instalovaná tepelná čerpadla), vznikne v Kaiserseschu do roku 2023 kompletní vodíková infrastruktura. K tomu se zařídí celý proces vytváření přidané hodnoty – od výroby regenerativní elektřiny pro provoz elektrolyzérů, akumulování vodíku a jeho rozdělení až po využití v zásobování teplem a elektřinou i průmyslu a dopravě.
Pro oblast výroby tepla a ohřevu pitné vody poskytne Viessmann Group v SmartQuart Kaisersesch kondenzační kotle s provozem na vodík. Kromě toho se použijí systémy palivových článků pro dodávky elektřiny a tepla, které jsou rovněž určeny pro provoz s čistým vodíkem. Zkušební provoz oblasti v Kaisersesch bude probíhat od roku 2023. Kondenzační kotle se dají provozovat na čistý vodík, zemní plyn nebo směsi zemního plynu-vodíku. Tak se dají později bez problému a s ohledem na budoucnost využít v praxi i v přechodné fázi od zásobování zemním plynem k zásobování čistým vodíkem.
Technika, která myslí na budoucnost: regulace spalování Lambda Pro Plus adaptivní na plyn
Stupeň účinnosti při využití plynu jako paliva přímo souvisí se součinitelem přebytku vzduchu(Lambda), tedy poměrem spalovacího vzduchu a plynu. Určuje významně energetickou účinnost plynoucí ze spalování a emise škodlivin. Měření součinitele přebytku vzduchu a příslušnou regulaci spalovacího procesu zajišťuje regulace spalování Lambda Pro Control, která spalování řídí podle vlastnbostí dodávaného plynu, směsí plynů.
Že plamen způsobuje ionizaci plynů, je známo již dlouho. Výskyt ionizace se používal například mimo jiné ke kontrolování a zabezpečení vytápěcího zařízení. Metodu Lambda-Pro-Plus vyvinula dále firma Viessmann pro moderní, kondenzační kotle s hustotou výkonu a vysokou modulací. Pro příměs vodíku k zemnímu plynu hraje regulace spalování Lambda Pro Plus s adaptací na plyn rozhodující roli: dodává přesné hodnoty díky stálému měření a vyhodnocování stupně ionizace měřením ionizačního proudu v plameni.
Rozdílné vlastnosti vodíku a zemního plynu mají za následek rozdílné podmínky jejich spalování. Vodík se svou vyšší rychlostí a teplotou spalování způsobuje především to, že se posunují reakční zóny a také zóny vodivosti pro zachycení ionizačního proudu a tedy signálu pro regulaci spalování Lambda Pro Plus.
Přimíchání vodíku k zemnímu plynu je pouze mezikrokem. Cílem je provoz vytápěcích systémů s čistým vodíkem. Výzvou je přitom chybějící ionizační signál, který potřebuje adaptivní regulace spalování Lambda Pro Plus. Proto je pro čistě vodíkový provoz nutný nový koncept kontrolování vlastností plamene. Základem toho je moderní kondenzační kotel na zemní plyn, který se přizpůsobí požadavkům spalování čistého vodíku.
Vlastnosti vodíku, které jsou oproti zemnímu plynu výrazně odlišné, vyžadují mimo jiné nový vývoj systému spalování, kontroly plamene a regulování i přizpůsobení komponent. Technický koncept, který vyvinula firma Viessmann Group, se přitom zakládá na elektronické regulaci spalování vedené senzory se sondou Lambda. Tento koncept poskytuje ideální předpoklady pro jednoduché přestavení kotle ze zemního plynu na vodík, a zajišťuje tak možnost přizpůsobení zařízení podmínkám budoucnosti i v přechodové fázi.
Elektronická regulace spalování se sondou Lambda řízená senzory.
VÝHODY ELEKTRONICKÉ REGULACE SPALOVÁNÍ ŘÍZENÉ SENZORY
- Nově vyvinutý a vhodný pro vodík plně předsměšovací povrchový plynový hořák se širokým provozním rozsahem a snížením produkce emisí NOx.
- Systém elektronické regulace spalování se sondou Lambda pro optimální řízení provozu a vysokou účinnost.
- Nové kontrolování plamene, vhodné pro vodík a zemní plyn.
- Modulární konstrukce hořáku, přestavitelná ze zemního plynu na vodík.
| Výhřevnost HS | Wobbeho číslo WS | Specifická potřeba vzduchu | Meze zápalnosti | Teplota plamene | Rychlost plamene | Doba zpoždění zážehu | |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Jednotka | [kWh/m3] | [kWh/m3] | [kWh/m3] | [%] | [°C] | [cm/s] | [s] |
| Zemní plyn (CH4) | 11,09 | 14,98 | 0,96 | 5–14 | 1 970 | 43 | 0,3 |
| Wasserstoff | 3,54 | 13,42 | 0,80 | 4–77 | 2 130 | 346 | 0,0001 |
Přímé srovnání vlastností vodíku a zemního plynu. Regulace spalování Zadaná hodnota plynu/vzduchu Elektrické spřažení plyn/vzduch
Vodík: Energetický nosič jako dělaný pro rekonstrukci a novostavbu
Možnosti využití vodíku jsou rozmanitné. Především při výrobě tepla pro obytné a komerční budovy může tento čistý „všeuměl“ prokázat své silné stránky.
U stávajících budov nemyslí investoři při rekonstrukci většinou vůbec na přestavení na jiný energetický nosič. Protože investice pro přizpůsobení, přivedení, uložení a využití jiného paliva jsou zpravidla příliš vysoké. Ne tak u vodíku. Proto je jedním z nejlepších energetických nosičů s výhledem na budoucnost. Představujeme vám praktické příklady při rekonstrukci a novostavbě.
Rekonstrukce rodinného domu
Klasický rodinný dům s čtyřčlennou domácností, rok výstavby 1982, obytná plocha 150 m2, se má rekonstruovat s omezeným rozpočtem. Regionální síť rozvodu plynu se aktuálně provozuje s 10 % podílu vodíku. V plánu je přestavit ji během několika let ze 100 % na H2. Důležité pro majitele: instalace perspektivního topení, které se nemusí po několika letech vyměnit nebo nákladně dovybavovat. To vyžaduje výměnu starého plynového kondenzačního kotle za nové zařízení.
Řešení
Starý plynový kondenzační kotel se vymění jen s malou investicí. Zbývající části otopního systému zůstanou jako předtím. Nový plynový kondenzační kotel poskytuje vysokou jistotu do budoucna díky automatické adaptaci na stoupající podíl H2 v plynu.
- Nový plynový kondenzační kotel s možností pozdějšího přestavení na 100 % provoz na vodík.
- Možnost doplnění o solární termický systém.
- Využití ViCare a Vitoguide.
Rekonstrukce bytového domu
Bytový dům s dvanácti pronajatými bytovými jednotkami o rozloze 80 m2, rok výstavby 1982. Dům je momentálně zásobován teplem decentrálně prostřednictvím starších nástěnných plynových kondenzačních kotlů v každém bytě.
Dodavatel plynu v regionu chce být příkladem pro využití vodíku a své investice přestavit ze 100 % na H2.
Řešení
Jen s malými investicemi lze modifikovat stávající infrastrukturu v budově na vodík. Protože stávající topný systém zůstane, dojde jen k jednoduché výměně zařízení.
- Výměna starých nástěnných kotlů za nové plynové kondenzační kotle, vhodné ze 100 % pro vodíkový provoz.
- Využití ViCare a Vitoguide.
Novostavba rodinného domu
Rodinný dům se 170 m2 umístěný v pilotním regionu se 100% zásobováním vodíkem. Majitelé usilují o jednotné řešení, které jim poskytne maximální nezávislost na dodavateli elektřiny včetně wallboxu pro nabíjení elektromobilů. K tomu se mají v domě sjednotit všechny výhody nové ekologické techniky. Potřebné finance se investují s radostí, protože je požadováno dlouhodobě trvalé řešení.
Řešení
Pro co největší nezávislost na dodavateli elektřiny vzniká progresivní vysoce účinné řešení se sladěnými systémovými komponenty pro teplo a elektřinu od jednoho dodavatele. Včetně všech výhod Energy Community.
- Vitovalor PT2 pro ryzí vodíkový provoz.
- Doplnění o fotovoltaiku a akumulátor.
- Využití ViCare, Vitoguide, Grid-Box a ViShare.
Energetická rekonstrukce radnice
Stávající radnice obce střední velikosti v Evropě se musí energeticky rekonstruovat. Je nutné rekonstruovat zdroj tepla v budově (starý plynový kotel) z roku 1980, který zásobuje kancelářskou plochu o rozloze cca 800 m2. Rozpočet a stávající topný systém nedovolují tepelná čerpadla. Město bude příkladem pro trvalé využití energie, a podporuje proto výstavbu regionální H2 instrastruktury nejprve na 20 %, později na 30 % v rozvodné síti plynu.
Řešení
Se systémem vyrobeným přesně podle požadavků dodává Viessmann nejen sladěné systémové komponenty pro výrobu tepla a elektřiny, ale kompletní podpora engineeringu zahrnuje všechny služby a zajišťuje řešení od jednoho dodavatele.
- střední kotle a malá kogenerační jednotka pro směsi plynu až 30 % H2.
- Využití ViCare, Vitoguide/Vitoscada.
Kompletní program Viessmann nabízí individuální řešení s efektivními systémy v nejvyšší kvalitě pro všechny oblasti použití a energetické zdroje - vytápění, průmyslové energetické systémy, chladicí systémy.
