Vodík – nová světlá budoucnost energetiky?

Vyspělé země postupně ustupují od fosilních paliv. Musí být nahrazen ekologickými zdroji energie. Takovou alternativou se spolu s elektřinou stává vodík. Farid Mamedov vysvětluje, jak bude vypadat vodíková budoucnost a jak se liší „zelený“ vodík od „šedého“ a „modrého“.

12. března 2020 německá společnost Paul Wurth oznámila výstavbu elektrolytického závodu na výrobu „zeleného“ vodíku v Rotterdamu. Zařízení již bylo otestováno a uznáno za vhodné pro uvedení do průmyslové výroby. Do roku 2024 by měl fungovat 16 tisíc hodin a vyrobit 960 tun plynu. Mnohem důležitější je, že se do atmosféry neuvolní 8 XNUMX tun uhlíku – tolik se uvolní při výrobě takového množství vodíku.

Ano, vodík je v současnosti špinavá výroba. Na každý kilogram vyrobeného vodíku se uvolní 9 až 10 kg uhlíku. Tento typ vodíku se nazývá „šedý“. Prvek je nezbytný pro výrobu hnojiv a používá se v metalurgii a chemickém průmyslu. V současnosti je celosvětová produkce vodíku něco málo přes 70 milionů tun ročně. Jeho uhlíková stopa je více než půl miliardy tun CO2.

<strong>Světlá budoucnost pro špinavý produkt</strong>

Dramatické snížení emisí CO2 požadované Pařížskou dohodou závisí na globálním přechodu na zelenou energii. Podle odhadů WRI (World Resources Institute) se doprava podílí na globálních emisích 15,9 %, průmysl tvoří 18 % a stavebnictví a bydlení a komunální služby tvoří 20,4 %. To znamená, že není nutné pouze zavádět obnovitelné zdroje energie, ale je důležité převést všechna tato odvětví na nízkouhlíkové zdroje energie. Bez toho nebude možné do roku 2050 snížit antropogenní emise na polovinu.

Vodík je prostě perfektní řešení tohoto problému. Výsledkem jeho spalování je pára, tedy voda. Navíc nejslibnějším způsobem získávání vodíku je elektrolýza vody. A tím vzniká něco jako uzavřený cyklus, kdy se zásoby plynu budou doplňovat tak, jak jsou spotřebovávány. Žádný jiný zdroj zelené energie tuto příležitost nenabízí. Biopaliva, koksárenský plyn, čpavek – to vše při spalování vypouští do atmosféry spoustu skleníkových plynů.

Má to jen jeden háček: na rozdíl od ropy nebo plynu prostě v přírodních podmínkách nejsou velké zásoby vodíku. Vodík je nyní výsledkem zpracování uhlovodíků se všemi souvisejícími problémy. Nejoblíbenější metodou získávání tohoto plynu zůstává parní konverze metanu (95 % získaného vodíku). Do atmosféry se přitom uvolňuje obrovské množství uhlíku. Zbývajících 5 % pochází hlavně z neméně špinavého reformování ropy a ropných produktů. Malé procento tvoří elektrolýza vody, nejrozšířenější ze „zelených“ metod výroby vodíku, a laboratorní bioreaktory.

Tento poměr nevyhovuje většině zemí, které se zapojily do vodíkového závodu. Strategie pro dosažení bezuhlíkové budoucnosti proto směřují k výrobě vodíku co nejekologičtějším způsobem.

<strong>Cílem je vodík</strong>

První zemí, která formulovala „vodíkovou strategii“, bylo v roce 2017 Japonsko. Ostatní vyspělé země následovaly. V roce 2019 se strategie objevily v Jižní Koreji a Austrálii a v roce 2020 v několika zemích EU najednou, od Holandska a Velké Británie po Portugalsko a Francii. A 12. října 2020 se k tomuto seznamu zemí přidalo Rusko.

Vzhledem k tomu, že nebude možné okamžitě přejít na „zelenou“ energii, programy počítají s prozatímními opatřeními. V prvé řadě se jedná o využití plynárenské infrastruktury pro přepravu a skladování vodíku. Například přidání 20 % vodíku do zemního plynu sníží emise CO2 o 7 %.

Dalším cílem byla doprava. Norská strategie zdůrazňuje, že počet elektromobilů a vozidel na vodíkové palivové články by měl do roku 50 dosáhnout 2024 2023. Jejich nákup nepodléhá DPH a majitelé nejsou povinni platit přepravní daň až do roku XNUMX. A Nizozemsko plánuje v příštích několika desetiletích převést veškerou veřejnou dopravu na vodíkovou trakci. Kromě toho se vyvíjejí četné varianty turbín, které běží na směs zemního plynu a/nebo vodíku. Ostatní země včetně Německa jdou stejnou cestou.

<strong>Transport vodíku</strong>

Někteří účastníci vodíkového závodu přitom již infrastrukturu pro přepravu vodíku mají. francouzská společnost Tekutina, jeden z lídrů na trhu zpracování plynu, nainstaloval již více než 120 vodíkových čerpacích stanic po celém světě. V roce 2013 uvedla Toyota na trh vodíkový model Mirai. V Tokiu a Londýně jezdí autobusy poháněné vodíkovými palivovými články už delší dobu. Edinburgh se má brzy připojit.

V Německu začaly příměstské vodíkové vlaky pravidelně jezdit v roce 2018. Firma Alstom, která je vyrobila, obdržela objednávku na 27 vozidel. V roce 2019 byl ve Spojeném království spuštěn experimentální vodíkový expres. Do roku 2040 se země plánuje zcela zbavit své flotily dieselových lokomotiv.

<strong>Kde jinde se vodík využije?</strong>

Nejdůležitějším prvkem strategií je „energetická“ reforma sektoru bydlení a komunálních služeb. Ve Spojeném království bude průkopníkem Leeds: jeho zásobování energií bude výhradně vodík. A v rámci plánu H21 North of England budou na vodík přeměněny také plynárenské sítě a dopravní zařízení na severu Anglie. Vodíkové vytápění pro 4 miliony domácností a podniků by snížilo emise CO2 o 20 milionů tun, ačkoli by to stálo obrovské množství – 30 miliard dolarů.

A ačkoli průmysl a zemědělství nejsou ve strategiích téměř zmíněny, sdružení průmyslových hráčů se také podílejí na rozvoji „vodíkové budoucnosti“. Očekává se, že do roku 2030 se bude 10 % amoniaku pro hnojiva vyrábět „zeleným“ způsobem pomocí elektrolyzérů. V moderních vysokých pecích se již při tavení používá syntézní plyn, což je 55-58 % vodíku. Téměř všichni velcí hráči od Švédska a Německa po USA a Brazílii plánují v blízké budoucnosti zvýšit podíl vodíku na 90 % a více, aby co nejvíce upustili od koksu. Tato opatření sníží emise uhlíku do atmosféry o 10–11 %.

Spolu se zeměmi píší strategie také četní výrobci zařízení pro obnovitelné zdroje energie. Jeden z nich navrhuje postavit gigawattové pobřežní větrné farmy u pobřeží Nizozemska, přímo spojené s výrobou elektrolytického vodíku. Výsledná elektřina by měla být distribuována po celé Evropě v závislosti na místní produkci vodíku. A aby se ušetřila spotřeba energie, strategie navrhuje využít solární a surovinový potenciál severoafrických zemí. Uhlovodíky by byly na místě přeměněny na vodík a poté by byly přepraveny do Evropy novými vodíkovými potrubími. Ve skutečnosti by EU získala ke své „zelené“ energii surovinový doplněk.

Rusko ještě zdaleka nemá tak propracované programy. Současná strategie se zaměřuje především na export vodíku na nejslibnější trhy, jako je Japonsko. Energetické bulletiny Analytického centra pod vládou Ruské federace zároveň zdůrazňují, že používání vodíkového paliva sníží spotřebu energie o třetinu v odlehlých a řídce osídlených oblastech. Dá se říci, že zde bude vítěznou strategií kombinace obnovitelných zdrojů energie a vodíku.

Hodně ale bude záležet na ceně výroby vodíku, která závisí na technologii výroby. Náklady na elektrolýzu 1 kg vodíku na větrné farmě jsou tedy 4 dolary při použití solárních panelů – 7 dolarů. Ale zplyňování uhlovodíků a parní konverze metanu v současnosti stojí pouze 1,5–2,5 USD.

<strong>Od šedé po modrou, žlutou a zelenou</strong>

Moderní „šedé“ metody výroby vodíku byly vyvíjeny po celá desetiletí. O snižování uhlíkových emisí zde nemůže být řeč – jde o jednoduchost výroby a energetickou účinnost.

Jako přechodné opatření pro přechod na bezuhlíkové způsoby výroby vodíku se navrhuje doplnit „šedý“ vodík technologií zachycování a ukládání uhlíku (CCS). Tento typ vodíku se nazývá „modrý“. Problém je, že technologie CCS jsou zcela neověřené. Zachycený uhlík se navrhuje přečerpávat pod zem. Tyto technologie se nyní používají hlavně k výrobě ropy: CO2 se vstřikuje do vyčerpaného vrtu, aby se zvýšila produkce. Ale za prvé, „zelená“ energie by měla lidstvo odvést od neustálé těžby uhlovodíků a ne ji zvyšovat. A za druhé, potřeby ropného průmyslu prostě neumožňují využít 500 milionů tun uhlíku.

Výroba „žlutého“ vodíku pomocí jaderných elektráren vypadá mnohem nadějněji. Za prvé, v tomto případě máme po ruce jak páru, tak přebytečnou elektřinu. A za druhé, elektrolýza H2 nebude produkovat další emise CO2 do atmosféry. V USA již byla výroba vodíku v jaderných elektrárnách uznána jako strategie pro záchranu tohoto energetického sektoru v důsledku snížení cen za kWh vyrobenou z obnovitelných zdrojů energie. Od roku 2019 tamní ministerstvo energetiky přiděluje velké granty na experimenty v této oblasti.

K této jaderně-vodíkové rase se postupně připojují všechny jaderné mocnosti. Ve Francii a Spojeném království o výrobě „žlutého“ vodíku uvažují také hlavní provozovatelé a vlastníci jaderných elektráren. V Rusku plánuje Rosatom do roku 2030 vytvořit jadernou elektrárnu (JE) na výrobu vodíku. Společnost také plánuje vytvoření celé sítě jaderně-vodíkových komplexů založených na stávajících jaderných elektrárnách.

Za nejslibnější se však považuje využití obnovitelných zdrojů k výrobě levného a skutečně „zeleného“ vodíku. To je základ většiny strategií pro přechod do „světa s nulovými emisemi uhlíku“. Jak vážné to je, ukazuje projekt výstavby největšího závodu na výrobu vodíku na světě v Saúdské Arábii založeného na solární elektrárně. A to je jen začátek.

<strong>Biovodík: Odpad přeměněný na palivo</strong>

„Nejtvrdší“ metodou výroby vodíku bez odpadu jsou… řasy. Experimenty s bioreaktory na nich založených probíhají již několik desetiletí, ale dosavadní výsledky nenavozují optimismus.

Bioreaktory mohou potenciálně pracovat s odpadky a potravinovým odpadem, čímž se kombinuje zpracování s výrobou „čisté“ energie. Laboratorní experimenty ukazují, že ideální je dvoustupňový proces: stádium „tmavé fermentace“, kdy je organická hmota rozkládána řasami při nízké úrovni slunečního záření, a fáze fotofermentace, kdy se totéž děje při „normálním“ záření. Každá fáze vyžaduje své vlastní druhy řas. Reaktor proto musí být vícestupňový. Ale zatím z každého kilogramu suroviny je výtěžnost v nejlepším případě několik desítek gramů vodíku. Řasy jsou geneticky modifikovány pro posílení fermentačních procesů, do surovin se zavádějí kyseliny a cukry, což zvyšuje cenu bioreaktoru, ale žádný průlom se nekoná. Složitost biosystémů a jejich „rozmarnost“, kdy se každý reaktor ukáže jako nestandardní, bohužel chemici ještě nepokořili.

Nejvýnosnějším způsobem výroby vodíku z hlediska ekologie a technologických nákladů tedy zatím zůstává obnovitelné zdroje energie a jaderné elektrárny. Jedná se již o hotové technologie, což znamená, že „zelený“ vodík přestal být exotickým výklenkem. V příštích 15-20 letech se můžeme ocitnout ve „světě vodíku“. A kdo se do tohoto rychlíku nedostane, riskuje, že se na dlouhou dobu ocitne venku.