Kotły na wodór. Rozwój nowej technologii

Nowe kotły gazowe coraz częściej mają oznaczenie H₂Ready. Takie urządzenie jest przystosowane do przyszłego spalania gazu ziemnego z domieszką wodoru (np. 20%). Trwają też prace nad kotłami przystosowanymi do spalania czystego (100%) wodoru. Kotły na wodór mogą być przyszłością techniki grzewczej. Wynika to z europejskiej strategii neutralności klimatycznej.

Na zdjęciu: palnik w urządzeniu Viessmann, przygotowany do dostosowania się do rodzaju paliwa. Fot. Viesmann.

W 2050 roku Unia Europejska ma osiągnąć neutralność klimatyczną. W tym celu stopniowo odchodzi się od stosowania paliw kopalnych – w tym węgla i gazu ziemnego – do celów grzewczych. Proces ten nosi nazwę dekarbonizacji ogrzewania. Najczęściej mówi się o tzw. elektryfikacji ogrzewania. Oznacza to m.in. rezygnacją z kotłów na paliwa stałe (spalanie z tworzeniem CO₂) na rzecz urządzeń zasilanych energią elektryczną, takich jak pompy ciepła. W 2030 roku udział energii elektrycznej w ogrzewaniu budynków mieszkalnych w UE wyniesie do 34% [1]. Drugim filarem przyszłościowego ogrzewania ma być ogrzewanie gazowe, ale z wykorzystaniem nowych gazów. Chodzi o to, by spalanie takiego gazu nie powodowało powstania CO₂. Wśród takich gazów, noszących nazwę “zdekarbonizowanych” albo “zielonych”, największe szanse na powszechne stosowanie ma wodór (H₂).

Kotły na wodór – stan obecny

Ogrzewanie wodorem dopiero przed nami. Dąży się do tego, by do dostarczania wodoru do urządzeń grzewczych wykorzystywać przede wszystkim istniejące sieci i instalacje gazowe. Na razie badania i instalacje prototypowe wskazują, że istniejące sieci są przystosowane do dostarczania gazu ziemnego z domieszką wodoru do 10%. Łatwo dostosować je do zasilania mieszanką z domieszką 20-40%.

Oferowane dziś na rynku kotły oznaczone jako “gotowe na wodór” są kondensacyjnymi kotłami grzewczymi gazowymi, które przystosowane są do spalania mieszanki metan+wodór, zwykle do 20%, a czasem nawet do 30%. Zastosowanie już dziś takiego kotła może być dobrym przygotowaniem do przyszłości. Przestawienie kotła “gotowego na wodór” na pracę na mieszance będzie dla autoryzowanego serwisanta prostym zadaniem.

Trwają też prace nad kotłami “100% wodoru”. Już dziś dostępne są takie rozwiązania do zastosowań komercyjnych. Wodór i gaz ziemny mają różne własności w zakresie spalania. Wodór ma wyższą prędkość i temperaturę spalania. Zatem w porównaniu do kotła na gazy węglowe, kocioł na wodór ma inne podzespoły. Zupełnie różni się także system sterowania i kontroli palnika. Firmy grzewcze pracują nad takim rozwiązaniem, które dziś może być kotłem na gaz ziemny lub gaz ziemny z domieszką wodoru, a w przyszłości będzie łatwe do przezbrojenia na kocioł w pełni wodorowy. Ma to być łatwe i szybkie zadanie dla autoryzowanych serwisantów.

Kotły na wodór (100% H₂) – zastosowanie eksperymentalne

Od 2018 roku kampus Uniwersytetu w Keele (Wlk. Brytania) korzysta w swojej lokalnej sieci gazowej z gazu z domieszką wodoru 20%. Sieć zasila 30 budynków uczelnianych oraz 100 budynków mieszkalnych. Od 2021 roku (po sukcesie pilotażu) w pobliskiej miejscowości Winlaton trwają testy podobnej sieci, która zasila 670 domów, kościół, szkołę podstawową i kilka budynków komercyjnych [2, 3].

Od 2019 roku w Holandii pracuje eksperymentalna sieć oparta o osiedlową, zieloną kotłownię wodorową (100% H₂). Rozwiązania techniczne dostarczyły Remeha (BDR Thermea Group) i Beakert Heating (kocioł wodorowy), a także niemiecka firma Enapter (elektrolizer). Wodór produkowany przez osiem elektrolizerów (4 m³ H₂/h) zasila kotłownię gazową w piwnicy budynku. Kotły, w 100% zasilane wodorem, produkują wodę grzewczą kierowaną do 25 mieszkań [4].

Od 2020 roku w bazie RAF (Spadeadam, Wlk. Brytania) trwają testy trzech budynków, w których pracują nie tylko urządzenia grzewcze, wyprodukowane przez Baxi Heating (BDR THERMEA Group) i Worcester Bosch. 100% wodoru zasila także odpowiednio przystosowane urządzenia domowe, na przykład kuchenki [5, 6]. Bada się także możliwości wycieków w porównaniu do istniejącego ryzyka wycieków metanu. Jednocześnie w celu zwiększenie bezpieczeństwa prowadzona jest wymiana rur gazowych – z metalowych na polietylenowe, co ogranicza ryzyko wycieku.

Czysta produkcja wodoru – główne wyzwanie

Zasadniczym problemem związanym z ogrzewaniem wodorowym jest koszt produkcji wodoru, szczególnie tzw. zielonego.

• szary – produkowany przez zgazowanie węgla czy biomasy lub reforming metanu (CH₄). Podczas tego procesu do atmosfery uwalniany jest CO₂.
• niebieski – produkowany z paliw kopalnych, ale z wychwytywaniem i ponownym wykorzystaniem lub składowaniem powstałego CO₂.
• turkusowy – produkowany w procesie pyrolizy metanu (produktem jest węgiel w stanie stałym). Energia do uzyskania ciepła do procesu pyrolizy musi jednak pochodzić ze źródeł odnawialnych
• zielony – powstający w procesie elektrolizy wody. Energia do zasilania elektrolizera musi także pochodzić ze źródeł odnawialnych. UE dąży do upowszechnienia tej metody, na razie jest ona marginalna (do 4% całkowitej produkcji wodoru) [7]. 

Według dyrektywy RED II [8] wodór “zielony” powinien stać się głównym rodzajem tego gazu stosowanym w Europie.

Źródła danych i ciekawe materiały uzupełniające

1. Czysta planeta dla wszystkich. Europejska długoterminowa wizja strategiczna dobrze prosperującej, nowoczesnej, konkurencyjnej i neutralnej dla klimatu gospodarki. COM/2018/773 final.
2. An exciting next step in tackling climate change (materiał w j. angielskim).
3. Energy Network Asscociation: H2Explainer: How do we start safely blending hydrogen to reduce our household emissions? (materiał w j. angielskim).
4. Knijp Johan: Heating Dutch homes with hydrogen.
5. Allason Daniel: Heating homes with hydrogen: proving the safety case (materiał w j. angielskim).
6. UK’s first hydrogen heating demonstration takes place (materiał w j. angielskim).
7. Polska Strategia Wodorowa do roku 2030 z perspektywą do 2040 r. (projekt).
8. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady (UE) 2018/2001 z dnia 11 grudnia 2018 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych.
9. Why hydrogen boilers? Materiał firmy Worcester/Bosch.
10. BDR THERMEA zaprezentowała pierwszy kocioł domowy bez emisji dwutlenku węgla.
11. Harwood Tim: Safety is our number one priority.
12. Wookefield Jack: Hydrogen Heating Plans Need to be More Ambitious, Says Expert.
13. Ambrose Gillian: Scottish homes to be first in world to use 100% green hydrogen.