Palivové články: Vykurovanie s výrobou elektrického prúdu

Veľká časť elektriny na Slovensku dnes pochádza z vlastných elektrární. Skôr ako sa môžete napojiť na el. prúd vo vlastnej elektrickej zásuvke, musí sa tento el. prúd prepravovať často na veľké vzdialenosti. Určite by bolo jednoduchšie, keby ste si el. prúd na vlastnú potrebu mohli vyrobiť sami. Palivový článok vám to umožní. Čo je na tom pozoruhodné: Palivový článok je aj vykurovacia jednotka – a tá vyrába nielen elektrický prúd, ale aj teplo. Ako palivová jednotka funguje, s akými palivami sa dá prevádzkovať a čo vykurovanie palivovými článkami stojí, vysvetlíme v nasledujúcich kapitolách.

Prehľad jednotlivých tém:

1. Vysvetlenie palivového článku
2. Osobitosť palivového článku
3. Vhodnosť vykurovania palivovým článkom
4. Palivá pre palivový článok
5. Náklady palivového článku
6. Výhody a nevýhody
7. Palivový článok v starých budovách a v novostavbách

Čo je palivový článok?

Vykurovací systém s palivovým článkom je vykurovacie zariadenie, ktoré poskytuje nielen teplo pre budovu a teplú vodu, ale aj elektrický prúd na pokrytie vlastnej potreby. V protiklade k iným kogeneračnýmtechnológiám, ako je bloková KGJ alebo vykurovacie jednotky Stirling, však nefunguje na základe spaľovania, ale na báze chemického procesu, pri ktorom sa vodík štiepi na jednotlivé zložky.

Čím sa vyznačuje vykurovanie palivovým článkom?

Prierez vykurovacou jednotkou na palivový článok s kondenzačným modulom

1. kondenzačná jednotka
2. zásobník pitnej vody
3. výmenník tepla
4. akumulačný zásobník
5. reformér
6. elektromer
7. palivové články
8. menič napätia

Palivové články sú obzvlášť efektívne zariadenia na výrobu energie, ktoré kombinovanou výrobou elektrického prúdu a tepla dosahujú stupeň účinnosti približne 90 percent. Na porovnanie: Konvenčná elektráreň spravidla nedosiahne viac ako 40 percent. To znamená, že približne 60 percent použitej energie sa odovzdáva do okolitého prostredia bez využitia.

Pre majiteľov domov sa palivový článok oplatí predovšetkým v prípade, ak sa vyrobený prúd dá spotrebovať vo vlastnom byte/dome. Pretože potom možno odoberať menej energie z verejných sietí. Znamená to finančné výhody a nezávislosť od kolísajúcich cien. V protiklade k iným vykurovacím systémom vyrábajúcim elektrickú energiu dosahuje palivový článok vysoký elektrický stupeň účinnosti a vyrába elektrický prúd a teplo v pomere jedna ku dvom. Vďaka malým konštrukčným rozmerom je pritom schopný aj v moderných jednorodinných domoch vyrobiť dostatok energie na to, aby pracoval hospodárne.

Palivový článok v detailoch: Jednoduché vysvetlenie

Palivový článok vyrába elektrický prúd, teplo a vodu formou takzvaného studeného spaľovania – chemickým procesom, pri ktorom vodík reaguje s kyslíkom. Aby tento proces fungoval, tvoria palivový článok dve elektródy, ktoré sú navzájom oddelené membránou. Keď sa vodík dostane na záporne nabitú anódu, pôsobením katalyzátora dôjde k oddeleniu elektrónov a protónov. Keď sa voľné elektróny pohybujú cez elektrický vodič ku kladne nabitej katóde, prúdi vďaka spôsobu činnosti palivového článku elektrický prúd.

Protóny súčasne prekĺzávajú cez membránu, ktorá je priepustná len pre protóny, a spájajú sa na druhej strane s elektrónmi a kyslíkom zo vzduchu na vodu. Teplo vznikajúce pri tejto reakcii sa dá odvádzať a odovzdávať vykurovaciemu systému. Všeobecne sú množstvá energie jedného článku také malé, že na vykurovanie palivovými článkami vyrábajúcimi elektrický prúd musí byť navzájom spojených viacero takýchto prvkov do takzvaných stackov. Vodík potrebný na reakciu sa vyrába v reforméri – konštrukčnom prvku, ktorý oddeľuje metán pomocou horúcej pary zo zemného plynu – priamo v zariadení.

Pre koho je vhodný palivový článok?

Kogeneračné zariadenia sú dnes ešte pomerne drahé a hospodárne pracujú len vtedy, keď vyrábajú veľa elektrického prúdu, ktorý môžete v najlepšom prípade aj sami spotrebovať. Elektrický prúd sa však dá vyrábať len vtedy, ak dom potrebuje aj teplo na vykurovanie alebo teplú vodu. Pretože palivový článok vyrába obidve formy energie – teda elektrický prúd a teplo – v podobnom pomere, získava viac el. prúdu ako napríklad bloková KGJ. Z tohto dôvodu sa dá hospodárne využívať aj v moderných obytných budovách s nízkou spotrebou energie.

Palivá pre vykurovanie palivovým článkom

Pretože vodík, ktorý je potrebný na prevádzku palivového článku, nie je v dome k dispozícii, vyrába sa pomocou reforméra vo vykurovacej jednotke. Východiskovou látkou je pritom plyn, ktorý sa dá použiť vo forme zemného plynu, bioplynu alebo kvapalného plynu.

Zemný plyn: Plynné palivo vysokej kvality

Zemný plyn sa získava z podzemných ložísk a je fosílnym palivom. Dá sa použiť napríklad na vykurovanie obytných budov a podľa svojho obsahu metánu sa delí na dva druhy. Plyn L (nízkoenergetický plyn) s podielom 85 percent a plyn H (energeticky bohatý plyn) s podielom 98 percent. Čím viac metánu obsahuje zemný plyn, tým vyšší je jeho energetický obsah. Prevažná časť Slovenska sa dnes zásobuje energeticky bohatým plynom H.

Bioplyn: Ekologická alternatíva k fosílnemu zemnému plynu

Ekologickou alternatívou k fosílnemu zemnému plynu je bioplyn. Bioplyn vzniká v zariadeniach na výrobu bioplynu, v ktorých zvyšky rastlín, potravín alebo hnoja fermentujú suchým alebo mokrým procesom. Energiu pritom vytvárajú malé baktérie, ktoré použitú biomasu – takzvaný substrát – štiepia na jednotlivé zložky. Konečným produktom je zmes plynov, ktorá sa skladá prevažne z metánu, oxidu uhličitého a kyslíka. Hotový vyrobený bioplyn má rovnaké vlastnosti ako zemný plyn. Preto sa dá bez akýchkoľvek ďalších úprav zaviesť do verejnej plynovej siete a spracovávať palivovými článkami.

Vodík: Zdroj energie budúcnosti?

Vodík je najčastejšie sa vyskytujúcim chemickým prvkom vo vesmíre. Používa sa napríklad na vykurovanie alebo v oblasti mobility a v porovnaní s inými palivami má najvyššiu objemovú hustotu energie vo vzťahu na hmotnosť. Okrem toho je vodík bezpečnejší ako iné palivá. Nedochádza k jeho samovznieteniu, neznečisťuje vody, neškodí životnému prostrediu a prírode a spaľuje sa bez zvyškov. Napriek mnohým výhodám spájajú majitelia domov vodík často s obavami. Najčastejším je strach z explózie. Že sa to v praxi nestáva, dokazujú skúsenosti z vozidlovej techniky. Pretože tu sa používajú palivové články napríklad v autobusoch – dodnes bez akýchkoľvek incidentov.

Náklady palivového článku

Ako pri všetkých vykurovacích jednotkách, aj pri vykurovaní palivovými článkami pozostávajú náklady z viacerých oblastí. Sú to:

• náklady za sprístupnenie paliva
• za zaobstaranie techniky
• ako aj náklady na prevádzku a opotrebenie palivového článku

Náklady za pripojenie plynu

Pretože vodík sa na prevádzkovanie vykurovacieho systému s palivovými článkami získava z metánu akumulovaného v zemnom plyne, je plynová prípojka predpokladom palivového článku. Skladá sa z dvoch častí: Prvá časť – medzi ulicou a budovou – sa nazýva domová prípojka a je ju povinný vytvoriť poskytovateľ. Príslušné náklady sú približne 1500 – 2000 eur, môžu byť vyššie, keď je vzdialenosť k verejnému plynovému vedeniu veľká.

Druhá časť prípojky plynu sa skladá z vedení v budove, ktoré vedú plyn z hlavnej uzatváracej armatúry ku všetkým spotrebičom. Ak má byť pripojený len vykurovací systém s palivovými článkami, môžu majitelia domov počítať približne s 1200 eurami. Ak nie je k dispozícii plynová prípojka, možno palivový článok prevádzkovať aj s kvapalným plynom. Aby sa dal kvapalný plyn uskladňovať vo vlastnom dome, je potrebný systém zásobníkov. Zásobníkový systém sa umiestňuje väčšinou do záhrady a je spojený s ďalšími nákladmi rádovo v tisíc eurách pri kúpe takýchto zásobníkov alebo je možné si takýto zásobník prenajať už od cca 100 eur / rok.

Náklady vykurovacieho systému palivovým článkom

Palivový článok je mladá a komplexná technológia, ktorá je tomu zodpovedajúc ešte pomerne drahá. Pri vykurovaní s výrobou elektrického prúdu v jednorodinnom dome môžu pritom vzniknúť náklady vo výške okolo 20 000 – 25 000 eur. Ceny vykurovacích systémov s palivovými článkami však silne variujú v závislosti od regiónu, výrobcu a poskytovateľa služieb a predstavujú tak len hrubý odhad nákladov.

Náklady vykurovacieho systému palivovým článkom pri prevádzke

Náklady, ktoré vznikajú pri prevádzke palivového článku, sa skladajú z nákladov na palivo, z náhrad a úspor. Najväčšie úspory dosiahnu majitelia domov vtedy, ak čo najviac vyrobeného prúdu aj sami spotrebujú. Pretože potom nebude potrebné odoberať energiu z verejnej siete. Výška nákladov pri prevádzke však závisí od rôznych faktorov. Tieto náklady ovplyvní napríklad energetický stav budovy, požiadavky používateľov na teplo a množstvo el. prúdu využívaného na vlastnú potrebu. Spoľahlivé vyjadrenie je možné poskytnúť pritom len vtedy, ak sa posúdi každá budova individuálne.

Aké výhody a nevýhody má vykurovací systém na palivové články?

Vykurovacie systémy na palivové články sú moderné, efektívne a rovnako ako ostatné systémy majú celý rad výhod a nevýhod.

Palivový článok v starých budovách a v novostavbách

Svoje miesto použitia nachádza palivový článok doteraz väčšinou v energeticky úsporných obytných budovách. Staré budovy väčšinou nie sú energeticky úsporné. Pre staré budovy je výhodnejšia kogeneračná jednotka, pretože tieto budovy majú spravidla vysokú požiadavku na teplo. Využívanie palivového článku v starých budovách však nie je vylúčené. Rozhodujúcim je ešte vždy vykurovaný objekt a jeho energetický stav.