Vytápění plynem – základní informace

Vytápění s využitím plynů se v posledních letech dostalo do mediální niky. Prezentování elektrických tepelných čerpadel jako jediného zdroje tepla, který má budoucnost, strach z nedostatku zemního plynu vyvolaný omezením odběrů plynu z Ruska, dotace na instalace elektrických tepelných čerpadel a další jiné vlivy způsobily, že nejen v úzkých společenských skupinách, ale i celospolečensky se o plynových zdrojích tepla prakticky nehovoří. Přesto vytápění plyny žije, je nejen modernizováno, ale přibývají i plynové zdroje nové. O vytápění domácností s využitím zemního plynu hovoří ministr životního prostředí Petr Hladík tak, že není možné mu dát veřejnou podporu vzhledem k jeho fosilnímu charakteru. Nicméně dodává, že zemní plyn poslouží jako přechodný prostředek při snižování uhlíkové stopy a nic nebrání zájemcům si plynové kondenzační kotle pořizovat s jistotou jejich využití po dobu 15 až 20 let. Tedy po dobu, která přesahuje jejich očekávanou životnost.
Proto vznikl tento článek, aby shrnul základní poznatky o vytápění plynem. K jeho sestavení bylo využito mnoho zdrojů dostupných především na www.tzb-info.cz, ale i mimo tento portál. I tak nemůže jít o článek zcela komplexní.

Plyny

Nejširší zastoupení mezi plyny jako nositeli energie má metan. Je hlavní složkou zemního plynu a biometanu, který vzniká úpravou bioplynu získaného biologickým rozkladem živočišných a rostlinných materiálů. Nižší zastoupení mají propan a butan, které vznikají při zpracování ropy. Velká očekávaní se vkládají do vodíku, který by byl vyráběn především elektrolýzou z vody s využitím plně obnovitelně vyrobené elektrické energie.

S hořlavostí plynu unikajícího samovolně z hlubin zemského povrchu se v některých regionech setkává lidstvo od samého počátku své existence. K cílenému využití hořlavých plynů poprvé došlo, podle různých historických pramenů, údajně v Číně. A to v 10. století před naším letopočtem, když k rozvodu plynu použili dutých bambusových kmenů.

V nedávné historii, od počátku devatenáctého století, patřil k velmi využívaným plynům v domácnostech i jedovatý oxid uhelnatý. A to ve směsi s vodíkem a metanem jako hlavních složek svítiplynu. Využití svítiplynu bylo v českých domácnostech ukončeno v roce 1996 s plným přechodem na zemní plyn.

Vedle hořlavých plynů založených především na jedné chemické látce se využívají jejich směsi. Pro domácnosti je nejznámější směs propan-butan. Do směsí patří plyny vznikající při různých výrobních aj. procesech, které se následně využívaly, či stále využívají průmyslově. Například plyny koksárenský (až 60 % vodíku, metan, oxid uhelnatý) a podobně generátorový, kychtový (až 28 % oxidu uhelnatého), bioplyny vznikající ve skládkách odpadů, čističkách odpadních vod, výše zmíněný svítiplyn aj.

Metan, tedy zemní plyn, případně i biometan, je pro spotřebitele dostupný v plynném skupenství, omezeně v kapalném. Propan a butan se distribuují zkapalněné. S vodíkem se počítá především v plynném skupenství. A to jak s čistým vodíkem, tak v jeho směsi s metanem, tedy po vtlačení vodíku do plynovodů.

Vysoká energetická hustota metanu umožňuje snadnou a bezpečnou dopravu velkého množství budoucí tepelné energie potrubím. Pro zemní plyn včetně jeho směsí s biometanem a případně i vodíkem jsou k dispozici velkoobjemové zásobníky, které vyrovnávají až půlroční výkyvy odběrů a dodávek na celostátní úrovni a tvoří několikaměsíční bezpečnostní rezervu.

Z pohledu celosvětových zásob má využití zemního plynu perspektivu významně přesahující 150 let. Z pohledu současného trendu omezování produkce skleníkových plynů v Evropě má zemní plyn perspektivu do roku 2050, pokud se podaří naplnit cíle na straně bezemisní výroby elektřiny. Na tom se podílí skutečnost, že fosilní zemní plyn se již stal tzv. transportním plynem, ke kterému se stále více přimíchává syntetický metan nebo biometan a zatím spíše jen pokusně i vodík vyrobené s plným využitím obnovitelných zdrojů energie. Tento proces může zajistit další využití vybudované plynové infrastruktury a plynových zdrojů tepla, aniž by musely být ještě před koncem její fyzické a ekonomické životnosti opuštěny a s nemalými náklady likvidovány, v případě plynovodů odstraněny z krajiny.

Pokud jde o regiony bez přípojky na plynovod, lze k vytápění použít propan, směs propan-butan a pro menší lokality i zemní plyn LNG v jejich zkapalněné formě. A to bez zásadních změn konstrukce plynových spotřebičů. kotlů. Nutná je instalace zásobníku, jehož objem pro rodinný dům ve standardu NZEB začíná na přibližně 2 m³, což je přibližně 1 tuna zkapalněného propanu.

Zemní plyn, biometan

Dlouhodobě byl v Česku primárně využíván zemní plyn z Ruska. Částečně již v roce 2022 a pak zásadně v roce 2023 se klíčovým zdrojem plynu stal zkapalněný zemní plyn (LNG) dovážený tankery do evropských zplyňovacích terminálů. Vzhledem k předpokládanému většímu počtu dodavatelů LNG se kvalita zemního plynu v Česku mírně změnila, na což zareagovala legislativa. Z hlediska provozu plynových spotřebičů však jde o změny zcela v rámci výrobci schválených provozních podmínek.

Relativní novinkou je biometan, který se vyrábí čistěním a případně doplňující methanizací bioplynu. Aktuálně je v roce 2024 v provozu 6 výroben biometanu, které jej vtláčejí do plynovodů. Předpokládá se, že do roku 2030 jich budou vyšší desítky, v optimálním případě i více než sto. Svými vlastnostmi biometan odpovídá požadavkům na kvalitu zemního plynu.

Propan, butan

Propan, butan nebo jejich směs, se distribuují ve zkapalněné formě cisternami. Jejich využití proto vyžaduje mít zásobník. Tato částečná nevýhoda je vyvážena možností si vytvořit zásobu zdroje energie na delší, i více než roční období a přitom nákup uskutečnit v době, kde je poptávka nižší a tedy i nižší cena.

Vodík

O vodíku jako nositeli energie pro vytápění se velmi hovoří, ale zatím jde spíše o hypotetickou možnost. Je to dáno tím, že zatím neexistuje smyslu plná nabídka a garance trvalé dostupnosti vodíku. Pozitivní zprávou je, že nejen laboratorní, ale i polní experimenty ověřily možnost vodík využít. Jak samotný, tak ve směsi se zemním plynem. Přelomových bodem by se měl stát rok 2030.

Plynové kotle, topidla, ohřívače vody

Plynový kotel, lokální plynové topidlo a plynový ohřívač vody jsou standardními zařízeními. Jejich technický vývoj směrem k maximálnímu využití energie ze spáleného plynu s minimální produkcí emisí dosáhl v případě kondenzačních zařízení v podstatě nejvyšší možné úrovně. A to i v masové produkci zařízení pro domácnosti s příznivou pořizovací cenou. Standardní výbavou i malých zařízení se stává možnost jejich dálkové správy umožňující změny nastavení parametrů, sledování změn včetně automatizované výstrahy, pokud se parametry vyvíjí směrem k nepříznivému provoznímu až havarijnímu stavu.

Při spalování běžně dostupných topných plynů se ve spalinách vyskytuje vodní pára. Proto je žádoucí spaliny vychlazovat tak, aby vzniklá vodní pára zkondenzovala a její kondenzační teplo bylo účelně využito. Tomuto požadavku musí odpoivídat vlastnosti napojené otopné soustavy. V některých průmyslových technologiích vyžadujících teplo a vysokou teplotu nebo např. při teplotní dezinfekci vodní parou však využití kondenzačního tepla možné není.

V oblasti budov je tzv. kondenzační provoz kotlů při vytápění možný celoročně nebo po větší část roku. Prodloužení doby kondenzačního provozu se dosahuje optimálním návrhem otopných těles, velkoplošného vytápění, ale například i oddělením režimů vytápění a přípravy teplé vody buď přímo konstrukcí kotle nebo dochlazováním spalin samostatným okruhem přípravy teplé vody aj.

Minimální účinnost plynových kotlů a přípustné množství emisí určuje evropská legislativa. Po 26. září 2015 nesmí mít nově vyrobené kotle se jmenovitým výkonem nad 10 kW a do 70 kW nižší sezónní energetickou účinnost vytápění než 86 %. Proto jsou v tomto segmentu na trhu jen kotle kondenzační, až na dočasnou výjimku pro kombinované kotle (vytápění a příprava teplé vody v kotli) do 30 kW, které jsou však výhradně určeny pouze pro napojení na společný komín v bytových domech.

Zájem o lokální plynová topidla v současnosti není velký. Jejich nižší cena nedokáže vykompenzovat výhodu kondenzačního provozu kotlů a ne ve všech případech je možné spaliny z topidla vyvést skrz venkovní stěnu, u které se topidla zpravidla umísťují, ven. Jejich budoucnost lze předpokládat jen tam, kde již plynová přípojka existuje, jako investičně příznivé řešení pro velmi malé byty, garsonky. Nebo pro méně často užívané rekreační objekty. Okrajovou výjimku mohou tvořit plynové krby, kde však je primárním kritériem jejich design.

V minulosti velmi oblíbené plynové průtokové ohřívače vody jsou v současnosti generačně modernizovány, pokud se rovnou nepřechází na společný zdroj tepla pro vytápění a přípravu teplé vody. V novostavbách se neuplatňují. To je způsobeno i nutností provozovat pro plynový průtokový ohřívač vody samostatný odvod spalin. Plnění legislativních povinností jeho čištění a kontrol provoz samostatných ohřívačů vody zdražuje. Zajímavé uplatnění však nacházejí tam, kde řeší krátkodobé, ale vysoké nároky na množství teplé vody, například ve sportovních areálech.

Potenciální závorou pro využití plynových kotlů by se mohl stát legislativní zákaz uvádět na trh kotle s účinností menší než 100 % (ke spalnému teplu). Aktuální vývoj směřuje k tomu, aby se plynové kondenzační kotle staly součástí hybridních zdrojů tepla, které do výroby tepla zahrnou i obnovitelné zdroje energie. Mohlo by jít o elektrická nebo plynová tepelná čerpadla, pro která by plynový kotel pokrýval jen špičkovou potřebu tepla v podmínkách, které jsou pro efektivitu tepelných čepadel nepříznivé.

Plynové zářiče

Tyto plynové sálavé zdroje tepla jsou založeny na spalování plynu, přičemž uvolněná energie se šíří ve formě záření z aktivní plochy zářiče. Záření prochází vzduchem a ohřívá až plochu, na kterou dopadá. S ohledem na teplotu aktivní plochy zářiče je dělíme na světlé s vysokými teplotami několika set stupňů °C a tmavé s teplotami i pod 100 stupňů °C. Světlé zářiče se pro svůj vysoce koncentrovaný tok energie využívají na větší vzdálenosti a i v otevřených prostorech, například na tribunách venkovních sportovních areálů. Doménou pro tmavé zářiče jsou především průmyslové haly. U zářičů nelze využít kondenzační teplo, jejich účinnost je proto nižší. I proto se aplikují především tam, kde jiné způsoby vytápění nejsou možné. Například v různých technologických výrobních procesech.

Plynová tepelná čerpadla

Pokud hovoříme o vytápění plynem, neměli bychom vynechat plynová tepelná čerpadla. Teplo jimi produkované může obsahovat cca 40 až 70 % obnovitelného tepla získaného z přírodního prostředí.

Plynová kompresorová tepelná čerpadla se od elektrických liší jen způsobem pohonu kompresoru, a to plynovým motorem. Odpadní teplo z činnosti motoru je rovněž využíváno s výhodou vyšší teploty.

Absorpční tepelná čerpadla neobsahují kompresor. Tlakové změny umožňuje sorpce a desorpce pracovní látky na absorbent. K desorpci se využívá teplo ze spalování plynu.

Adsorpční tepelná čerpadla nejsou v praxi rozšířena.

Ve vývoji jsou plynová tepelná čerpadla na bázi tepelné komprese na principu Stirlingova motoru. Jejich uplatnění je věcí budoucnosti a dotažení vývoje.

Kogenerační jednotky

Jako zdroj tepla k vytápění lze využít odpadní teplo z výroby elektřiny v kogeneračních zařízeních s využitím plynu. Co nejvyšší využití jinak odpadního tepla příznivě ovlivňuje efektivitu kogenerační jednotky a s ohledem na ochranu životního prostředí je nutné. S kogeneračními jednotkami se počítá zejména tam, kde končí výroba elektřiny z uhlí a přitom existuje využití tepla. Rovněž se stávají součástí soustav zásobování tepelnou energií, čímž z části přebírají úlohu velkých elektráren.

Plynová kogenerační jednotka může sloužit i jako náhradní zdroj elektřiny, pokud je doplněna vhodným kapacitně poměrně malým záložním zdrojem elektřiny pro její řízení v případě výpadku sítě.

Nositel tepla, chladicí voda motoru, případně i z dochlazovače spalin, má teplotu cca 80 °C i více. Proto je možné teplo využít přímo pro vytápění, ale i pro další využití efektivně uložit do teplovodního zásobníku. Ten, podle objemu a výkonu kogenerace, umožní plynule zásobovat teplem i poměrně velké městské části v době, kdy je výkupní cena elektřiny nepříznivá a provoz kogenerační jednotky by byl bez využití tepla nehospodárný.

Základními parametry jsou elektrický výkon uváděný v kW_e a výkon tepelný v kW_t. Jejich poměr může být u kogeneračních jednotek částečně měněn.

Palivové články

Palivové články mění energii vznikající bezplamennou reakcí vodíku s kyslíkem na elektrickou energii a přitom se uvolňuje i tepelná energie. Pokud není použit čistý vodík, využívá se jeho výroba z metanu, zemního plynu, biometanu. Palivové články potřebují chlazení a odváděné teplo lze proto využít pro vytápění.

Běžné jsou palivové články s výkony stovek kW. V nabídce trhu jsou však i výkonově malé, s výkony až okolo 1 kW_e a 1 kW_t.

Provoz a náklady

Pro porovnání ekonomické výhodnosti vytápění plynem s jinými způsoby, ale i naopak, je nutné zohlednit všechny souvislosti. Nelze začít cenou plynu a porovnávat ji s cenou elektřiny, pokud není dostatečně přesně stanovena velikost budoucí spotřeby a pravděpodobný vývoj cen. U větších projektů je tato analýza poměrně běžná, u výkonově malých projektů nebývá až tak detailní.

Stanovit celkovou výši investice připadající na vytápění může být relativně jednoduché, pokud jde o instalaci kotle, odvodu spalin, plynové přípojky, vhodné otopné soustavy. V případě kogenerací, tepelných čerpadel, případně i palivových článků již půjde o poměrně složitou úlohu. Nejde jen o celkovou výši investice, ale i reálný odhad její životnosti. Zváženy by měly být i náklady na budoucí řešení vytápění po ukočení životnosti, které může významně pozměnit současná úvodní dotace, která se však příště již nebude opakovat.

Nerozhoduje jen celková výše investice, ale i měrná investice vztažená na výkon 1 kW_t. Čím menší zdroj tepla, tím měrná investice různých způsobů vytápění většinou roste a ve srovnání mezi různými způsoby nerovnoměrně. Poměr negativně ovlivní například i zbytečné předimenzování plynového zdroje tepla s ohledem na krátký, několikadenní mimořádný pokles venkovních teplot. Tento přírodní exces lze většinou řešit přijatelným malým omezením tepelného komfortu ve vytápěných prostorech.

Provozní náklady jsou velmi závislé nejen na technickém provedení otopné soustavy v době její instalace, ale i na tom, jak se následně otopná dokáže adaptovat na změny. Může dojít ke snižování potřeby tepla v důsledku zateplení objektu, ke změnám využití různých prostorů a tedy i velikosti potřeb jejich vytápění, regulační prvky ztratí svou funkčnost s ukončením jejich životnosti nebo se vlivem změn dostanou mimo oblast své regulační schopnosti. V této souvislosti se hovoří o hydraulickém vyregulování soustavy. Jak uvedeno výše, nemůže jít jen o jeden statický stav, ale schopnost optimálně řídit dodávku tepla do všech částí vytápěného objektu, která je přenášena na plynový zdroj tepla, aby pracoval v optimálních podmínkách.

Do provozních nákladů je zapotřebí zahrnout servis, kontroly, opravy. Například u systémů vytápění s výkonem nad 70 kW mohou být povinné kontroly jednou za pět let energetickým specialistou, pokud není aplikován automatizovaný řídicí systém splňující podmínky prováděcí vyhlášky.