Vodíkový kotol na vykurovanie: Budúcnosť ekologického tepla

Vykurovanie budov v budúcnosti by malo priniesť nielen väčší komfort, ale predovšetkým omnoho nižšie emisie. Otázkou zostáva, ako tento cieľ dosiahnuť. Hoci sa o jednotlivých vykurovacích zariadeniach a ich prínosoch hovorí už dlho, budúcnosť praje kombináciám nových aj starých technológií.

Vodík ako kľúčový prvok

Vodík je považovaný za druhý základný kameň na ceste k klimaticky neutrálnej Európe, pričom prvým sú tepelné čerpadlá. Európska únia predpokladá citeľné zníženie dopytu po zemnom plyne v Európe. Náklady na jeho spotrebu a geopolitická situácia zároveň zvyšujú tlak na majiteľov domov, aby prešli na iné vykurovacie zariadenia.

Existujú však situácie, najmä pri starých rodinných domoch s priveľkou tepelnou stratou, kde modernizácia len pomocou tepelných čerpadiel nie je vhodná. V takýchto prípadoch budú riešenia vykurovania so zemným plynom naďalej relevantné, či už vo forme hybridných riešení (spolupráca plynového kotla s tepelným čerpadlom) alebo v rámci postupného prechodu na zemný plyn s prímesou vodíka.

Výzvy a príležitosti distribúcie vodíka

Otázkou zostáva, ako sa bude vodík distribuovať do domácností. Na tejto ceste čaká ešte veľa výziev vrátane potreby vyvinúť normy, infraštruktúru a výrobné kapacity. Práve možnosť využiť existujúcu plynárenskú infraštruktúru a vykurovacie zariadenia typu „plug-and-play“ (zapoj a funguj) môže viesť k tomu, že prechod na zelený vodík bude pre domácnosti jednoduchý a cenovo dostupný.

Výrobné náklady na zelený vodík by mohli postupne klesať až do bodu, keď sa stane dostupnejším. Nové technológie na báze vodíka budú prirodzenou voľbou tam, kde nebude technicky alebo ekonomicky možné použiť napríklad tepelné čerpadlá. Predpokladá sa vznik nových energeticky autonómnych obytných štvrtí naviazaných na lokálnu výrobu zeleného vodíka, ktoré by mohli tvoriť ekologicky neutrálne a udržateľné „hydrogen valleys“ - regionálne vodíkové ekosystémy.

Testovanie vodíkových technológií

V súčasnosti sa v zahraničí tento typ paliva testuje v reálnych podmienkach. Napríklad v Nemecku už prebiehajú projekty na testovanie vykurovacích zariadení na 100 % vodík. V Hohenwarte v Hornom Bavorsku desať domácností a materská škola prešli na 18 mesiacov na prevádzku so 100 % zeleným vodíkom na vykurovanie a ohrev vody.

Plynové kondenzačné kotly a vodík

K dosiahnutiu ambicióznych klimatických cieľov môžu prispieť aj plynové kotly. Na trhu už existujú plynové kondenzačné kotly, ktoré sú schopné spaľovať zemný plyn s prímesou vodíka. Medzi prvými firmami, ktoré sa pustili do vývoja vodíkových kotlov, je medzinárodný výrobca Viessmann.

Vďaka prielomu vo vývoji sa urobil obrovský krok k realizácii cieľov Parížskej klimatickej dohody v sektore budov. Po otestovaní prototypov spoločnosť plánuje preveriť odolnosť nových zariadení a následne ich „ostrý test“. Prvé kotly schopné spaľovať 100 % vodík by sa mali dostať na komerčný trh v roku 2024. Očakáva sa, že v tom čase už bude časť regionálnych sietí v Nemecku privádzať čistý vodík k odberateľom.

Špecifiká vodíkových palív a kotlov

Vodík sa od zemného plynu, vyrobeného plynu a bioplynu líši viacerými vlastnosťami:

• Svetelná špecifická hmotnosť: Vodík je najľahší plyn, jeho hustota je iba 1/14 vzduchu. Zvyškový nespálený vodík sa ľahko akumuluje v mŕtvych uhloch spalín.
• Rýchle spaľovanie a mimoriadne výbušné: Teplota zapaľovania je 400 °C a rýchlosť spaľovania je približne 8-násobne vyššia ako pri zemnom plyne. Pri koncentrácii 4 až 74,2 % vo vzduchu okamžite exploduje pri zachytení otvoreného ohňa. Problém deflagrácie vodíka je preto najvyššou prioritou pri návrhu vodíkového kotla.
• Vysoká teplota spaľovania: Teplota plameňa môže dosiahnuť až 2000 ℃. Kľúčom k bezpečnej prevádzke je udržiavanie bezpečnej cirkulácie vody vo vykurovacej trubici.
• Veľký obsah vody v spalinovom plyne: Vodík sa po spaľovaní mení na vodu, ktorá sa po absorbovaní tepla mení na paru, čím sa zvyšuje objem plynu. Zvýšenie pary v spalinovom plyne zvyšuje teplotu rosného bodu. Teplota spalín v kotle na vodík je zvyčajne nad 150 °C, aby sa zabránilo oxidačnej korózii spôsobenej kondenzátom pri nízkom zaťažení.

Typy vodíkových kotlov

Vodíkový kotol je možné rozdeliť na kotol s plynovým horákom (LHS) a parný kotol (SZS). Plynový kotol LHS má maximálnu odparovaciu kapacitu 2 t/h, zatiaľ čo plynový kotol SZS má kapacitu 6 t/h a viac.

Kotol LHS má vertikálnu konštrukciu. Vykurovacia plocha je kombináciou vodnej a ohnivej trubice. Žiarivá vykurovacia plocha sa skladá z vodnej steny, ktorá tvorí prirodzenú cirkulačnú slučku. Konvektívna vykurovacia plocha je tvorená rúrami spalín v plášti bubna. Nad kotlom je umiestnený ekonomizér a v spodnej časti horák.

Parný kotol SZS má plnú membránovú stenu, sekcia pece je typu „D“. Predná stena pece je vybavená horákom. Po prechode pecou vstupujú spaliny do konvekčnej plochy. Vykurovacia plocha je tvorená zväzkom trubíc spájajúcich horný a dolný bubon. Spaliny sú nakoniec vypúšťané z konvekčnej vykurovacej plochy.

Konštrukčný parameter kotla na vodík

Výber typu a konštrukčný návrh

Pri návrhu sa plne zachovávajú výhody kotla s rohovými trubicami z hľadiska cirkulácie vody. Vzhľadom na nízku hustotu vodíka sa vykonáva optimalizovaná modifikácia na základe kotla na uhlie DZL. Hlavnou úlohou je usporiadať štruktúru pece a vykurovacej plochy, zabezpečiť stabilné spaľovanie a bezpečnú a efektívnu vykurovaciu plochu. Zlepšenie bezpečnosti je kľúčovým cieľom tohto dizajnu.

Návrh toku plynu spalín

Používa sa priamy plynový proces a horák je umiestnený na prednej stene pece. Po spaľovaní vodík prechádza zväzkom konvekčných trubíc, zväzkom špirálových plutvových trubíc a zväzkom ekonomizérových trubíc. Vrcholový kanál je horizontálny a rovný, vhodný na čistenie sadzí a nie je ľahké generovať mŕtvy uhol.

Návrh pece

Priečny prierez pece je v tvare „「」“. Horné a dolné hlavičky sú spojené membránovou stenou. Nasýtená voda vstupuje z ľavej dolnej hlavičky a prúdi do pravej hornej hlavičky. Výbuchové dvere sú na hornej časti pece, čo umožňuje rýchle zníženie tlaku pri deflagrácii pece.

Návrh konvekčnej vykurovacej plochy

Zväzok povrchovej trubice je charakteristický pre kotly s rohovými trubicami. Jeden koniec je privarený k membránovej stene a druhý koniec je na podpornej trubici. Keď plyn zhora prúdi nadol, udržiava sa stabilita vykurovacej povrchovej trubice.

Návrh ekonomizéra

Na ďalšie zníženie teploty spalín je na konci parného kotla umiestnený ekonomizér so špirálovými plutvovými trubicami. Nádrž na hlavičke je na spodku ekonomizéru a vypúšťa kondenzát pri nízkom zaťažení.

Návrh ďalších častí

Tento kotol s rohovou trubicou používa horák na vodík z Južnej Kórey. Horák funguje s prúdmi, núteným miešaním, reguláciou zaťaženia a riadením prepojenia. Rýchlosť spaľovania vodíka môže dosiahnuť 100 %. Horák je tiež vybavený systémami pre vysoký a nízky tlak, detekciu úniku, ventiláciu, stabilizáciu tlaku a ochranu proti plameňu.

Budúcnosť vodíka v sektore vykurovania

Deklarovaným cieľom EÚ je zníženie emisií CO₂ do roku 2050 na nulu, čo sa však podarí iba bez fosílnych palív. Vodík je považovaný za nevyhnutný zásobník energie pre budúcnosť.

Testy v skúšobných laboratóriách ukázali, že je možná prímes vodíka do zemného plynu až do 30 %, avšak na celoeurópskej úrovni ešte chýba platná legislatíva. Cyklus zeleného vodíka začína výrobou elektrolýzou vody pomocou elektriny z obnoviteľných zdrojov.

Využívanie vodíka bude prebiehať postupne. Spoločnosť Viessmann vyvíja vykurovacie zariadenia vhodné pre 100 % prevádzku s vodíkom, ktoré bude možné bez problémov prestavať z prevádzky na zemný plyn. Sektor výroby tepla je predurčený na používanie vodíka.

Nástenné plynové kondenzačné kotly sú inteligentné energetické centrály. Kompaktný plynový kondenzačný kotol s integrovaným smaltovaným zásobníkom má rôzne objemy. Tieto kotly spĺňajú najvyššie požiadavky na komfortné zásobovanie teplom.

Vodíkové kotly budú vyzerať rovnako ako dnešné závesné kondenzačné kotly na zemný plyn. Mali by eliminovať emisie CO₂, mať minimálnu uhlíkovú stopu, podobnú účinnosť, rozmery i inštaláciu a fungovať v kombinácii s radiátormi i podlahovým vykurovaním.

Vývojári predpokladajú, že podobne by mohla prebehnúť výmena kondenzačných kotlov za inovatívne vodíkové kotly. Nové technológie na báze vodíka budú prirodzenou voľbou tam, kde nebude technicky alebo ekonomicky možné použiť iné riešenia, napríklad tepelné čerpadlá. Uplatniť by sa mohli v mestskom prostredí, s využitím súčasných distribučných sietí zemného plynu s postupným prísunom vodíka, v existujúcich verejných budovách s decentralizovaným vykurovaním alebo v rámci hybridných systémov.

Predpokladá sa dokonca vznik nových energeticky autonómnych obytných štvrtí naviazaných na lokálnu výrobu zeleného vodíka. Okolo roku 2030 by mohli vzniknúť ekologicky neutrálne a udržateľné „hydrogen valleys“, akési regionálne vodíkové ekosystémy.

Spoločnosť Viessmann vyvíja kompletné portfólio zariadení schopných využívať čistý vodík. Kondenzačné kotly „H2ready“ budú schopné prejsť z využívania zemného plynu na zmes zemného plynu a vodíka, ale aj na čistý vodík. Viessmann predpokladá, že jeho prvé kotly schopné spaľovať 100 % vodík sa dostanú na trh v roku 2024.

Primiešavanie vodíka, pri ktorého spaľovaní nevznikajú žiadne emisie CO₂, do zemného plynu na úrovni 20 % by podľa odhadov mohlo znížiť ročné emisie zdrojov energie na báze plynu zhruba o sedem percent.

Výroba a náklady na vodík

Proces výroby vodíka je jednoduchý a priamy, vyžaduje si dostupnosť elektriny a vody. Elektrický prúd podporuje štiepenie molekúl vody na kyslík a vodík, ktoré sa neskôr môžu použiť na vykurovanie. Vodík ako nosič energie je považovaný za najbezpečnejší a najčistejší prvok.

Pokiaľ ide o náklady, predajcovia kompaktných generátorov vodíka často argumentujú mimoriadnou lacnosťou vykurovania pomocou vodíka. Avšak pri porovnaní nákladov na tepelnú energiu získanú spaľovaním 1 kg vodíka a 2,8 kg zemného plynu je rozdiel značný. V porovnaní s najdrahším z tradičných druhov vykurovania - elektrickým, sa vodík nemôže ani len priblížiť konkurencii, stojí 4-krát viac.

Reklamné technológie a metódy presviedčania často používajú predajcovia zariadení na vykurovanie domov vodíkom. Pokiaľ ide o vyhliadky na vodíkovú energiu, úspech je spojený so sľubnými priemyselnými technológiami, ktoré ešte neboli vynájdené. Generátory vodíka pre domácnosť a vodíkové automobily sú minimálne pre nasledujúce desaťročia jednoznačne nerentabilné.

Vodík ako palivo: Vlastnosti a potenciál

Vodík je najľahší plyn v prírode, bezfarebný a bez zápachu. Medzi jeho výhody patrí veľké množstvo tepla uvoľnené pri spaľovaní (121 MJ/kg, v porovnaní s 40 MJ/kg pri propáne). Pri normálnych podmienkach vodík horí pri teplote +2000 °C, ale pomocou katalyzátora sa dá znížiť na +300 °C.

Vodík je netoxický, čo umožňuje jeho bezpečné použitie v každodennom živote. Pri spaľovaní tejto látky vzniká vodná para, ktorá zlepšuje mikroklímu v priestoroch a nepotrebuje komíny. Vodíkové kotly môžu byť harmonicky integrované do existujúceho vykurovacieho systému.

Špecifikácia vodíkového generátora HO1000

Výhody:

• Úspora paliva: Ušetrite 12 až 50 percent spotreby paliva.
• Čisté a efektívne: Žiadne znečistenie, emisie znížené o 50 až 80 percent.
• Bezpečné pridávanie vzduchu: Jednoduchá transformácia zariadenia, nízke náklady.

tags: #vodikovy #kotol #na #vykurovanie