Zkapalněný propan jako zdroj tepelné energie pro vytápění a přípravu teplé vody a jeho uhlíková stopa

Jako zdroj energie se dlouhodobě využívá zkapalněné plynné palivo označované jako LPG. Jedná se o směs uhlovodíků, především propanu a butanu. LPG se průmyslově připravuje frakčním zkapalňováním ropných plynů odpadajících při rafinaci ropy. Propan se odděluje také vymražováním při rafinaci zemního plynu před jeho distribucí do rozvodného systému, aby se zabránilo jeho kondenzaci v potrubích. V podmínkách běžného prostředí mají plyny obsažené v LPG plynné skupenství. Snadno se však zkapalňují pod mírným tlakem a udrží se v kapalném stavu již nepříliš vysokým tlakem. To snižuje nároky na přepravní a skladovací zásobníky, armatury, bezpečnostní opatření. S ohledem na potřebu celoroční stability parametrů se k vytápění používá především zkapalněný propan (H3C-CH2-CH3), který má jednodušší atomární strukturu než butan (H3C-CH2-CH2-CH3).

Obrázek 1: Porovnání vlivu LPG a konkurenčních paliv na kvalitu ovzduší v místě spotřeby, Evropa

Jednoduchá molekulární stavba plynů obsažených v LPG usnadňuje jejich spalování a snižuje profil znečišťujících emisí pod hodnoty většiny ostatních fosilních paliv. Z nejsystematičtějších údajů, které jsou k dispozici, vyplývá, že v Evropě je LPG palivem s nižším vlivem na kvalitu ovzduší. V porovnání s ostatními se drží důsledně u dolního konce rozmezí vlivu na kvalitu ovzduší (viz obrázek 1) v místě využití.

LPG se v Evropě využívá ke čtyřem hlavním účelům: jako palivo pro automobily, k vytápění, vaření a k výrobě elektřiny v lokálních agregátech. Studie vlivu na kvalitu místního ovzduší ale takto podrobné nejsou. Dělí se jen na dva typy: studie posuzující vliv spalování LPG v automobilech a vliv spalování LPG ve stacionárních spotřebičích, což zahrnuje vytápění, vaření a výrobu elektřiny v agregátech. V České republice je využití LPG k výrobě elektřiny velmi omezené.

Existují tři zásadní velké studie, které srovnávají vliv topných paliv na kvalitu místního ovzduší v Evropě. Dvě studie od Evropské agentury pro životní prostředí (EEA) a VHK (poradní organizace EU) začleňují LPG do obecné kategorie „plynných paliv“. Corinair EEA se zabývá plynnými palivy, k nimž patří zemní plyn a LPG, zatímco VHK výslovně považuje plyn za zástupce LPG, a to znamená, že jejich vlivy (na produkci oxidu uhličitého a kvalitu místního ovzduší) se považují za shodné. Třetí studie od EcoInvent se specificky nezabývá použitím LPG v oblasti stacionárního spalování a pojednává o plynu všeobecně.

Na základě nejsměrodatnějších a nejsystematičtějších údajů, které jsou k dispozici, lze konstatovat, že plynná paliva (propan, butan, jejich směs LPG a zemní plyn) jsou z hlediska vypouštění emisí do místního ovzduší významně lepší, než jejich konkurenti (obrázek 2), s výjimkou využití elektřiny, a obecně produkují nižší úrovně emisí. U všech tří převažujících znečišťujících látek, jimiž jsou uhlovodíky (HC), oxidy dusíku (NOx) a částice (PM), ale i u oxidu uhelnatého (CO), jedů a těžkých kovů, mají plynná paliva podstatně menší vliv na zhoršení kvality místního ovzduší než kapalná paliva (topné oleje a zbytkové oleje) a dramaticky menší vliv než tuhá paliva (uhlí a dřevo). Při použití moderního spalovacího a regulačního zařízení u zdrojů tepla na pevná paliva se sice výhodnost plynných paliv poněkud snižuje, ale obecně zůstává na významné úrovni. Látek znečišťujících místní ovzduší může být až 30 nebo 40 různých typů.

Obrázek 2: Hmotnost znečišťujících látek v emisích ze stacionárního spalování podle typu paliva na jednotku tepelné energie

V reakci na uvedené skutečnosti se regulační orgány zaměřily hlavně na sledování tří znečišťujících látek:

NOx – oxidy dusíku vytvářející reakcí v atmosféře oxid dusičitý (NO2), který může mít nepříznivé účinky na zdraví, zejména u lidí s chorobami dýchacího ústrojí. Vysoká úroveň působení těchto oxidů je uváděna do souvislosti s vysokým počtem hospitalizací na plicních odděleních, zatímco jejich dlouhodobé působení může ovlivnit činnost plic a u některých lidí zvýšit citlivost na alergeny. Oxidy dusíku také přispívají ke tvorbě smogu, kyselých dešťů, mohou poškodit vegetaci, zvyšují tvorbu přízemního ozónu a v reakci s atmosférou mohou vytvářet jemné částice (tzv. „sekundární částice“).

Částice – jemné částice mohou mít nepříznivý dopad na zdraví lidí, zejména těch, kteří už trpí dýchacími obtížemi. Částice jsou dávány do souvislosti se zvýšeným počtem hospitalizací s dýchacími a kardiovaskulárními problémy, které u lidí s respiračními chorobami zvyšují úmrtnost a zkracují průměrnou délku života.

Uhlovodíky – přispívají k vytváření přízemního ozónu, který u lidí ohrožuje dýchací soustavu. Některé druhy uhlovodíků (HC) jsou navíc karcinogenní a představují také nepřímo působící skleníkové plyny.

Uhlíková stopa propanu

Uhlíková stopa je sumou emisí skleníkových plynů (GHG) vznikajících v souvislosti s nějakým výrobkem nebo službou. Představuje míru, do které daný výrobek nebo služba přispívají ke globálnímu oteplování, často označovanému jako klimatická změna. Vzhledem k tomu, že nejvýznamnějším skleníkovým plynem je oxid uhličitý, používá se nepřesný výraz „uhlíková stopa“ často jako obecné označení skleníkových plynů jako celku. Výrazy „příspěvek ke globálnímu oteplování“ nebo „příspěvek ke změně klimatu“ by byly přesnější a vhodnější, protože by zahrnovaly i ostatní skleníkové plyny, především metan (zemní plyn), které ke globálnímu oteplování přispívají také.

Zkapalněný propan jako palivo má tři fyzikální vlastnosti, jež jsou pro tvorbu uhlíku zvláště významné:

• Vyznačuje se nižším poměrem uhlíku k vodíku, než s jakým se setkáváme u většiny ostatních uhlovodíků, což znamená, že vytváří menší množství oxidu uhličitého na jednotku vyprodukovaného tepla.
• Výhřevnost tohoto paliva je relativně vysoká, takže toto palivo obsahuje na kilogram hmotnosti více energie než paliva konkurenční.
• Podle Mezivládní skupiny pro klimatické změny (IPCC) nepředstavuje palivo LPG, tedy ani zkapalněný propan, skleníkový plyn, takže mu byl přiřazen nulový skleníkový faktor globálního oteplování (GWP - Global Warming Potential). Skupina IPCC používá stupnici faktoru GWP, kde CO2 má hodnotu 1 a metan (v podstatě zemní plyn) hodnotu 25.

Fakt velmi nízkého skleníkového efektu propanu dokládá i narůstající použití čistého propanu jako chladiva, označení R 290, v chladicích strojích, klimatizacích a tepelných čerpadlech. U tohoto chladiva se počítá s GWP na úrovni 3. Nulový potenciál, označení ODP, má propan jako chladivo pro poškozování ozónové vrstvy. Prakticky stejné vlastnosti z hlediska vlivu na životní prostředí má i butan, který je mezi chladivy veden jako R600a.

Obrázek 3: Porovnání uhlíkových stop LPG a konkurenčních paliv, Česká republika

Uhlíkové stopy propanu, případně LPG nebo zemního plynu porovnávají ve vztahu k ostatním topným palivům od r. 2001 čtyři velké studie (viz tabulka 1). LPG, tedy i zkapalněný propan, vykazuje asi o 20% menší uhlíkovou stopu než topný olej. Tepelná čerpadla se obecně vyznačují menší uhlíkovou stopou, která ale kolísá v závislosti na typu čerpadla a uhlíkové stopě výroby a rozvodu použité elektřiny. Uhlí má mnohem větší uhlíkovou stopu. To platí i pro dřevo, pokud by se využití dřeva nepokládalo za uhlíkově neutrální. Konvenční elektrické vytápění (nikoliv pomocí tepelných čerpadel) je zkoumáno jen v jedné ze zmíněných studií. Třebaže v tomto konkrétním případě je uhlíková stopa výroby elektřiny mnohem větší než uhlíková stopa propanu nebo zemního plynu, v některých Evropských zemích by tato stopa byla o hodně menší.

Tabulka 1: Uhlíková stopa z vytápění, využité evropské studie

Obrázek 4: Rozsahy uhlíkových stop z vytápění a ohřevu podle evropských studií

Bio LPG jako nastupující varianta

Společnost PRIMAGAS 27. července 2020 oznámila, že na český trh dodala prvních 15 tun Bio LPG. Bio LPG je vyrobené z obnovitelných zdrojů a chemickým složením je naprosto totožné s klasickým fosilním LPG. Dle různých studií a v závislosti na konkrétní technologii výroby je z hlediska uhlíkové stopy Bio LPG obecně o 40 až 70 % šetrnější než fosilní LPG. Konkrétní produkt aktuálně dodávaný na český trh je vyroben ze zbytků jídla a cukrové třtiny a má dokonce o více než 80 % nižší emise než fosilní LPG. Pro rámcovou představu, společnost SHV Energy, mateřská společnost české společnosti Primagas, začala prodávat Bio LPG v roce 2018 a již v následujícím roce 2019 na trzích ve Francii, Německu, Beneluxu, Skandinávii a Spojeném království distribuovala 49 tisíc tun Bio LPG. Bio LPG se dodává ve směsi s „fosilním“ LPG. Tím byla odstartována budoucnost tohoto zdroje energie, která má šanci neskončit rokem 2050.

Pro využití zkapalněného propanu k vytápění hovoří následující fakta

• Jde o doprovodný produkt vznikající při těžbě zemního plynu nebo zpracování ropy. Pokud se tyto suroviny budou využívat, bude k dispozici.
• Bio LPG vytváří předpoklad pro budoucnost tohoto zdroje energie se zásadně sníženou produkcí CO₂.
• Příspěvek spalovaného propanu ke globálnímu oteplování je na úrovni zemního plynu. Při úniku do ovzduší je významně méně škodlivý, GWP_propan = 3 oproti GWP_{zemní plyn, metan} = 25.
• Propan je příznivou variantou pro přechod vytápění z uhlí.
• Propan lze snadno přepravovat v kapalném stavu, s vysokou měrnou hmotnostní energetickou hustotou, přitom si zachovává všechny přednosti plynu.
• V místě využití vytváří, stejně jako zemní plyn, nejnižší emisní zatížení ovzduší ze spalování paliv.
• Nákup zkapalněného propanu pro vytápění po větších až celosezónních množstvích neklade nároky na posilování energetické infrastruktury ve zvláště vytížených ročních obdobích.
• Vzhledem k možnosti využití propanu jak pro vytápění, tak pro výrobu elektřiny, vytváří energetickou záruku pro případ výpadku dodávky elektřiny z energetických sítí.
• Faktor primární energie z neobnovitelných zdrojů u LPG, propanu, na úrovni 1,2 podle nové vyhlášky o hodnocení energetické náročnosti budov č. 264/2020 Sb. s účinností od 1. září 2020, vytváří dobrý předpoklad pro další využívání propanu ve vytápění i v novostavbách, které musí splnit standard budov s téměř nulovou potřebou energie. Možnost pro budoucí snížení tohoto faktoru již začalo vytvářet Bio LPG.

Pozn. autora: K sestavení článku byly ve značné míře využity informace ze zdrojů uvedených níže.

Zdroje:

1. LPG a místní kvalita ovzduší. Vědecká studie. Atlantic Consulting, Gattikon, Švýcarsko, rok 2009
2. Uhlíková stopa LPG v porovnání s jinými palivy. Vědecká studie. Atlantic Consulting, Gattikon, Švýcarsko, rok 2009
3. Vize pro LPG. THE EUROPEAN LPG ASSOCIATION, Brusel, Belgie, rok 2018.
4. Wikipedie: vlastnosti propanu, butanu
5. Novela vyhlášky č. 78/2013 Sb. – Část 3: Nastavení faktorů primární energie z neobnovitelných zdrojů. M. Čejka. TZB-info, 2020.
6. PRIMAGAS dodal na český trh prvních 15 tun Bio LPG
7. Více článků popisujících uplatnění propanu jako chladiva R290 v tepelných čerpadlech, klimatizacích atp. na TZB-info.