Náklady na zelený vodík budou astronomické

Zelený vodík láká na svůdný příslib. Při správném zpracování má totiž tento zdroj energie s nulovými emisemi potenciál proniknout do různých zákoutí našich ekonomik a sehrát zásadní roli v boji proti změně klimatu. Lze ho přepravovat na velké vzdálenosti a dlouhodobě skladovat, navíc část současné infrastruktury pro fosilní paliva, například plynovody, lze upravit pro jeho transport.

Tento plynný prvek doprovází nadšení a je často označován jako „čistý“ nebo obnovitelný vodík, jenž se liší od jeho nejběžnější formy známé jako šedý vodík. Ten se získává ze zemního plynu, přičemž proces jeho výroby je náročný na emise uhlíku. Oproti tomu k výrobě zelené verze štěpením vody na vodík a kyslík se využívá obnovitelných zdrojů energie, jako je sluneční nebo větrná energie. Během chemického procesu zvaného elektrolýza nevzniká žádný uhlík a při spalování se uvolňuje pouze voda.

Podle mezinárodní oborové organizace Hydrogen Council (Rada pro vodík), jejímiž členy jsou ropné společnosti, jako je BP a výrobci automobilů, například BMW Group, byla celosvětově dosud představena přibližně tisícovka nových projektů, které si vyžádají celkové investice ve výši 320 miliard dolarů. Budoucí investoři však vyčlenili zatím pouze 29 miliard dolarů.

Skutečné výdaje zaostávají nejen za těmi oznámenými, ale i za poptávkou. List Financial Times spočítal, že k dosažní systému čisté energie z vodíku by bylo třeba ho vyrábět 500 milionů tun ročně, což by do roku 2050 znamenalo investice ve výši přibližně 20 bilionů dolarů (440 bilionů korun). K tomuto cíli jsme tedy zatím urazili jen asi 0,15 procenta cesty.

Nový obor brzdí především vysoké náklady. Vlády, zejména v USA a v Evropě, však pomalu vypracovávají plány, jak ho podpořit a jak vodíku ulehčit nástup.

„Zelený vodík bude pro dosažení čisté nuly nezbytný,“ říká lord Adair Turner, předseda think-tanku Energy Transition Commission (ETC). „Jsme však stále na začátku. Bez silné politické podpory nedojde v potřebném časovém horizontu k jeho většímu rozšíření.“

Jak vypadá vodíkového hospodářství

Zvažujeme-li vodík jako palivo, musíme si nejprve položit jednu otázku: Potřebujeme ho vůbec?

Ano, změna klimatu znamená, že musíme přestat používat fosilní paliva podílející se celosvětové spotřebě energie z 80 procent. Podle kritiků vodíku je řešením využití obnovitelné a nízkouhlíkové elektřiny sloužící k přímému pohonu elektrických vozidel nebo tepelných čerpadel, neboť je to lepší volba než složitý proces využívání obnovitelné elektřiny ke štěpení vody a výrobě „zeleného“ vodíku spalovaného v kotlích.

Tento pohled na přechod na novou energetiku je z větší části přesný. Vodík je totiž hluboce neefektivní. Vezměme si například elektromobily. Jejich efektivita dosahuje 80 procent, a to i po započtení pětiprocentní ztráty energie při její přepravě a desetiprocentní ztráty při nabíjení

a vybíjení baterií. U vozidel na vodíkový pohon zmizí 30 až 40 procent počáteční obnovitelné elektřiny při výrobě paliva a dalších 40 procent v palivovém článku.

„Nízká efektivita vodíku znamená, že jako řešení dekarbonizace je efektivní pouze tam, kde není k dispozici přímá elektrifikace – například v průmyslové výrobě, která vyžaduje chemickou reakci,“ říká Mark Meldrum ze společnosti Systemiq, která se zabývá poradenstvím v otázkách klimatu.

Pomineme-li automobily, zbývá tedy ještě značná část energetického koláče, kde vodík využít lze. Mezinárodní energetická agentura odhaduje, že do roku 2050 budeme elektřinu využívat k výrobě přibližně 50 procent potřebné energie, zatímco dnes je to 20 procent. Think-tank ETC odhaduje dokonce téměř 70 procent. Podle těchto výpočtů připadá na ostatní paliva 30 až 50 pro­cent.

Zelený vodík budou podle ETC zcela jistě využívat průmyslová odvětví, která v současnosti nasazují neobnovitelný vodík, jako je výroba hnojiv – do roku 2050 to bude přibližně 50 milionů tun ročně.

Další velkou příležitost představují obory, které dnes spalují fosilní paliva. Ta lze vodíkem nahradit například při výrobě chemikálií, místo uhlí se jím mohou vytápět pece v ocelárnách. ETC předpokládá, že pro tyto účely se bude ročně spotřebovávat 120 milionů tun tohoto plynu.

V budoucnu bude vodík pravděpodobně pohánět i dálkovou dopravu, neboť letadla, lodě a nákladní automobily potřebují na dlouhých trasách k provozu velké množství energie a baterie jsou – v porovnání s množstvím energie, jež dokážou pojmout – velmi těžké. Vodík je oproti tomu lehký. Problémem však je, že se obtížně stlačuje, takže by letadla a lodě vyžadovaly nepředstavitelně velké nádrže. Řešením je spojení vodíku s dusíkem, čímž vzniká čpavek, který má větší energetickou hustotu, a pokud bude uznán jako bezpečné palivo, lze ho využít třeba ve spalovacích motorech lodí.

V případě dálkové letecké dopravy se uvažuje o výrobě „zeleného“ leteckého paliva z obnovitelného vodíku, do něhož se přimíchá uhlík zachycený ze vzduchu. Výsledný syntetický uhlovodík by při spalování vypouštěl oxid uhličitý, ale protože by uhlík pocházel především z atmosféry, byl by během svého životního cyklu uhlíkově neutrální.

A zelený vodík bude třeba také pro skladování energie. K tomu nyní dobře slouží baterie, které se však při nepoužívání vybíjejí, proto se nehodí pro dlouhodobé skladování – například pro uložení energie z letního slunce na výrobu tepla v zimě. Využívání přebytků obnovitelné energie k výrobě vodíku, z něhož se poté získá elektřina, je sice složité, ale sezonní skladování energie nemá mnoho alternativ. Takový postup bude navíc záviset na vývoji dalších systémů skladování.

Po sečtení všech těchto příkladů vy­užití se tedy dostáváme na oněch 500 milionů tun vodíku potřebných do roku 2050, což představuje více než deset procent energetického mixu. A to samozřejmě jde jen o hrubý odhad.

Náklady na eliminaci uhlíku

Výroba a přeprava 500 milionů tun vodíku bude vyžadovat velký kapitál. Přesnou částku lze však jen těžko odhadnout, neboť se očekává, že náklady na technologie budou časem klesat. Pro představu o objemu celkových investic můžeme rozdělit náklady na vodík do tří kategorií: náklady na obnovitelnou elektřinu potřebnou k výrobě tohoto plynu, výdaje na elektrolyzéry používané ke štěpení vody na kyslík a vodík a konečně náklady na infrastrukturu potřebnou k jeho přepravě – potrubí, lodě a skladovací kapacity.

Na výrobu takového množství vodíku bude potřeba téměř 25 tisíc terawatthodin (TWh) obnovitelné elektřiny ročně, což je přibližně stonásobek současné spotřeby proudu ve Velké Británii. Za předpokladu, že solární panely a větrné turbíny budou umístěny ve slunečných a větrných oblastech, budeme podle odhadu Financial Times potřebovat infrastrukturu o objemu deset TWh. Při průměrných nákladech osm set dolarů (17 600 korun) za kilo­watt (kW) by potřebné investice mohly dosáhnout přibližně osmi bilionů dolarů (176 bilionů korun).

Druhou kategorii tvoří elektrolyzéry. Inflace jejich cenu zvedla přibližně na 1 500 dolarů (33 tisíc korun) za kW, ale do roku 2050 by mohla klesnout až ke 250 dolarům (5 500 korun) za kW. Pokud vezmeme střední hodnotu 875 dolarů (19 300 korun) za kW, znamená to, že k dosažení požadovaného cíle budou zapotřebí výdaje ve výši sedmi bilionů dolarů (154 bilionů korun).

Pokud jde o infrastrukturu, závisí výdaje na dopravu a skladování na zvolené technologii. Nejlevnější varianta spočívá v přepravě vodíku repasovanými plynovody a ve využití repasovaných úložišť. Dodavatelské řetězce využívající přepravu vodíku přeměněného na čpavek budou dražší. Celkově se investiční náklady mohou pohybovat kolem pěti bilionů dolarů (110 bilionů korun).

Z těchto výpočtů vyplývá, že by celkové výdaje mohly činit přibližně 20 bilionů dolarů (440 bilionů korun), což je vysoké číslo, zejména pokud uvážíme, že investice by bylo nutné vynaložit především ve třicátých letech a na začátku čtyřicátých let tohoto století. Pro představu: ETC očekává, že si energetická transformace jako celek vyžádá kapitál v objemu přibližně 100 bilionů dolarů (2 200 bilionů korun).

Tyto částky názorně ukazují rozsah úkolu, který před námi stojí. Skutečnou otázkou pro investory, politiky a spotřebitele však je, kolik bude vodík získaný prostřednictvím těchto investic nakonec stát – a to jak v absolutních číslech, tak ve srovnání s fosilními palivy, která má nahradit. Rozdíl bude totiž potřeba pokrýt dotacemi.

Průměrné výdaje na vodík můžeme jednoduše spočítat tak, že investiční náklady vydělíme objemem vodíku, který konkrétní způsob výroby vyprodukuje za 20 let své životnosti. Na základě takového výpočtu budou průměrné náklady činit přibližně 62 dolarů (1 360 korun) za megawatthodinu (MWh).

Jde o opravdu hrubý odhad. Jak investice, tak toky energií totiž přesahují do budoucnosti a nezohledňují časovou hodnotu peněz. Výpočet rovněž nebere v úvahu provozní náklady a nezahrnuje návratnost investic.

Druhá část výpočtu není o nic jednodušší, a to vzhledem k pokračujícímu kolísání ceny fosilních paliv, která mají vodík nahradit. Vezmeme-li například vysoké ceny zemního plynu z loňského roku, byl by vodík již nyní i bez nutnosti dotací levnější než fosilní paliva.

Ceny z vrcholu plynové krize však nejsou tím nejlepším měřítkem. Pokud se zemní plyn ustálí na rozumnější ceně 50 dolarů (1 100 korun) za MWh, znamenalo by to, že každá měrná jednotka vodíku bude potřebovat průměrnou dotaci 12 dolarů (265 korun) za MWh. Když tuto částku aplikujeme na celý objem vyrobeného vodíku, dostaneme dotace ve výši přibližně čtyř bilionů dolarů (88 bilionů korun).

Ne všechny tyto finanční prostředky by bylo nutné vynaložit formou přímé podpory. V Evropě a ve Velké Británii již funguje systém uhlíkových plateb. V rámci systému Evropské unie pro obchodování s emisemi platí společnosti využívající zemní plyn dodatečných 20 dolarů (440 korun) za MWh za vypouštěné emise oxidu uhličitého – a očekává se, že tato částka se bude zvyšovat. Z toho vyplývá, že v těchto regionech bude vodík levnější než součet nákladů na zemní plyn a na emise uhlíku.

Tyto rychlé výpočty sice naznačují, že by se vodíkové odvětví mělo obejít i bez dotací, ale není tomu tak. Jak vyplývá ze zprávy Hydrogen Council, nově představeným projektům neodpovídají kapitálové závazky. Proč tedy nejde vývoj kupředu rychleji, když se bez vodíku neobejdeme a v příštích 30 letech navíc nebude o mnoho dražší než fosilní paliva?

Výrazná potřeba dotací

Problém s vodíkem má dnes tři roviny. Zdroje obnovitelné energie se nestavějí takovým tempem, aby bylo možné vyrábět dekarbonizovanou elektřinu, natož čistý vodík, a jejich cena se zvyšuje. Navíc těch několik málo současných projektů je malých a dílčích, takže nepředstavují ani jedno procento celkové výroby vodíku během uplynulých tří let. Náklady na infrastrukturu, které se stanou únosnými až se zvýšenou poptávkou, jsou proto v přepočtu na jednotku stále vysoké.

V důsledku toho je dnes vyráběný vodík velmi drahý. Z Plattovy cenové hranice vodíku, která ukazuje náklady na jeho výrobu v různých regionech, vyplývá, že zatímco některé projekty se dokážou dostat na 50 až 100 dolarů (1 100 až 2 200 korun) za MWh, stojí nejlevnější vodík v Evropě více než 150 dolarů (3 300 korun) za MWh bez dopravy a skladování. Cena evropského zemního plynu se přitom pohybuje pod 32 dolary (700 korunami) za MWh.

To znamená, že pokud se má vodík rozsahem svého využití vyrovnat současným zdrojům energie, bude zapotřebí výrazných dotací.

Evropa i USA se přitom snaží trh dotlačit ke kritickému bodu radikálně odlišnými způsoby. Ani jeden z těchto přístupů však na skutečný rozjezd vodíku zatím nestačí.

Americký zákon o snižování inflace problém řeší penězi. Výrobcům ekologického vodíku vláda nabízí daňovou úlevu ve výši až tří dolarů (66 korun) na kilogram. Na této úrovni je čistý vodík sice o něco dražší než zemní plyn, ale mnohem levnější než takzvaný šedý vodík. Průmyslová odvětví, která již šedý vodík používají, jako jsou rafinerie nebo výrobci čpavku, proto o přechodu na čistější palivo nemusejí dvakrát přemýšlet.

„Odklon od šedého vodíku v Severní Americe odstartoval federální finanční úřad,“ konstatuje partner společnosti McKinsey Markus Wilthaner, který vede její globální vodíkový tým. „Na USA nyní připadá 70 procent celosvětové výroby čistého vodíku.“

Problém s řešením přes finanční úřad však spočívá v tom, že kredity na výrobu čistého vodíku platí pouze deset let. Podniky proto nevědí, jak přesně bude trh vypadat v dlouhodobém horizontu, což má význam pro stanovení počáteční investice. Například ocelárny, jež postupně upouštějí od využívání uhlí, musejí postavit zcela nové závody na výrobu vodíku. A funkční systém jeho produkce vyžaduje také centralizovaná výrobní zařízení a dopravní a skladovací infrastrukturu.

Evropa volí diametrálně jiný přístup. Namísto dotování výroby zavádí povinnou spotřebu čistého vodíku – vyžaduje, aby 42 procent tohoto plynu používaného v průmyslu bylo do roku 2030 obnovitelných. Současné závazky představují do roku 2030 poptávku ve výši několika milionů tun. Oborová organizace Hydrogen Europe očekává poptávku v objemu dalších 1,5 milionu tun pro výrobu oceli a vytápění, což dohromady dělá více než čtyři miliony tun. I když je to vysoký objem, stále nedosahuje ambiciózního cíle EU, který činí 20 milionů tun.

Problém spočívá v tom, že kvůli povinnému poměru čistého vodíku naskakují průmyslu dodatečné náklady – namísto levnějšího zemního plynu musí přecházet na dražší vodík. Navíc EU obnovitelný vodík přísně definuje a připojení elektrolyzéru do běžné sítě této definici nevyhovuje, protože elektřina ze sítě může být vyráběna z fosilních paliv. Aby byl vodík skutečně „zelený“, musí být vyráběn v přesně vymezené době, kdy je v síti přebytek elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Rozložení výroby do omezeného počtu provozních hodin proto jen dál zvyšuje náklady na vodík, a to v počátcích jeho rozvoje.

Na obzoru se však rýsují i povzbudivé zprávy. Takzvaný zelený příplatek se bude postupně snižovat s tím, jak se bude vztahovat na více průmyslových odvětví. EU se také snaží nasadit vlastní dotace a nedávno představila novou Evropskou vodíkovou banku, která bude organizovat aukce na financování nejvíce konkurenceschopné výroby vodíku.

Na papíře všechno nejspíš funguje, celý proces je však těžkopádný a nejistý. Investoři zatím mají pouhý příslib budoucích dotací, takže si nemohou brát na své projekty úvěry. Negativ na tak obrovském úkolu lze najít nespočet, ale je třeba připustit, že jistého pokroku se přece jen dosáhlo. Za prvé, vodík je po počátečním odmítání uznáván jako důležitá součást přechodu na novou energetiku a v současnosti již existuje ekosystém společností, které jsou připravené se tomuto odvětví věnovat.

Máme také výrobce elektrolyzérů. Ně­­mecká průmyslová skupina Thyssen­krupp se chystá uvést na burzu vlastního producenta zařízení pro výrobu vodíku Nucera, jehož hodnota má údajně dosahovat čtyř miliard dolarů (88 miliard korun).

Připravuje se rovněž politický rámec nového odvětví, a pokud Evropa a USA splní své závazky v této oblasti, pomůže to snížit náklady i ostatním zemím.

Vodík na bezuhlíkový mejdan dorazil sice pozdě, ale s pomocí těch správných pobídek má šanci stát se středem pozornosti.

Camilla Palladinová, FT