Vodík: těžce uchopitelný lehký plyn

Vodík je svou atomární strukturou nejjednodušší chemický prvek, který tvoří dvě třetiny vesmírné hmoty. Slunce coby vodíkový fúzní reaktor dodává 20tisíc­krát více energie, než jsme schopní vy­­užít. Na Zemi se vodík vyskytuje v podobě sloučenin, zejména vody, z níž již dlouho umíme tento plyn vyrábět a vy­užívat, stejně jako třeba ze zemního plynu nebo ropy. Dnes se o jeho využití v průmyslu, energetice a dopravě jako náhradě fosilních paliv často hovoří, ale jde o téma stejně výbušné, jako je sám čistý vodík při kritickém tlaku. A tlak na jeho povinné využívání ze strany legislativců se možná pomalu, ale jistě stává stejně výbušný.

Elektrolyzér v Napajedlech vyrobí během léta první kilogramy „zeleného vodíku“ ze střešní solární elektrárny pro veřejnou plnicí stanici. Podobné „experimentální“ zařízení již funguje v areálu společnosti ÚJV Řež, od loňska je možné natankovat vodík i ve veřejné vodíkové stanici v Ostravě-Vítkovicích a od letošního jara na pražském Barrandově. Zdá se, že vodíková revoluce u nás nabírá na obrátkách. Ostatně malé oddělení, které se v ÚJV Řež jako první v ČR začalo v roce 2005 zabývat vodíkem, se dnes podílí na vývoji mnoha pilotních projektů v automobilové i železniční dopravě ve spolupráci se společnostmi, jako jsou Alstom, Iveco, Hyundai nebo Tatra.

Původně čistě vědecko-výzkumné zaměření oddělení Vodíkové technologie v ÚVJ Řež se aktuálně soustředí nejen na aplikovaný a smluvní výzkum, ale poskytuje komplexní služby pro zavádění vodíkové ekonomiky pro zákazníky z oblasti státní správy, logistiky nebo správců průmyslových areálů. „Prvním signálem, že vodík není jen nějaký výstřelek vědců z laboratoří, byl náš vodíkový autobus TriHyBus, který měl homologaci pro provoz na pozemních komunikacích v Česku, a spolu s ním vznikla v Neratovicích první vodíková stanice u nás a zároveň ve střední Evropě,“ říká Aleš Doucek, vedoucí oddělení Vodíkové technologie a inovace v energetice ÚJV Řež. „Provoz na pravidelných linkách trval asi pět let do roku 2014, Komerční výroba nenavázala z důvodu nízké poptávky po podobných vozidlech, ale dnes se opět zájem zvyšuje, zejména kvůli novým požadavkům Green Dealu.“

Vodíkový pohon, jehož podpora je součástí evropské strategie snižování uhlíkové stopy, má nepopiratelné výhody například oproti elektrickým vozům na baterky. Tankování je stejně rychlé jako u benzinových/ dieselových aut a dojezdová vzdálenost se pohybuje v řádu stovek kilometrů, přitom emise z provozu jsou nulové a cena za kilometr srovnatelná s fosilními palivy. To samé platí u vlaků. A je v podstatě jedno, zda se z vodíku vyrábí v palivovém článku energie pohánějící elektromotor, nebo jde o tradiční motor uzpůsobený k přímému spalování, ačkoli u prvního je účinnost přenosu energie vyšší. Je zde zároveň i nižší životnost kritických součástí, kdežto u konstrukčně jednoduššího spalovacího motoru je tomu naopak.

Vědec míní, legislativec mění

Daleko problematičtější otázku „vodíkového hospodářství“ nepředstavují vodíkové technologie jako takové, nýbrž „vodíková legislativa“ Evropské unie. Ta je v současné době nastavena sice velmi ambiciózně, pro nás ovšem ne příliš šťastně a ani proveditelně. „Podle směrnice RED3 (Renewable Energy Directive), k jejímuž plnění jsme se jako Česko zavázali a kterou před pár týdny definitivně schválila Rada EU, takže ji během roku a půl transponujeme do české legislativy, budeme muset již od roku 2030 povinně vyrábět a využívat stanovené objemy ,zeleného vodíku‘ v sektoru dopravy a průmyslu,“ vysvětluje Jan Sochor z České vodíkové technologické platformy HYTEP.

„V Česku se ročně vyrobí a spotřebuje přibližně 100 tisíc tun šedého vodíku, největší podíl na výrobě vodíku v ČR má Litvínovská rafinerie, kde se vodík vyrábí parciální oxidací ropných zbytků a používá se k rafinaci konvenčních paliv. Litvínov bude muset řešit výrobu vodíku v návaznosti na cíl směrnice v dopravě, kde bude nutné nahradit část energie, dnes tvořené primárně fosilními palivy, obnovitelným vodíkem. Naproti tomu směrnice v sektoru průmyslu cílí především na náhradu šedého vodíku vodíkem zeleným, a to nejčastěji při výrobě čpavku, metanolu a při navazujících chemických procesech.“ V Česku si plnění směrnice vyžádá přibližně 20 tisíc tun obnovitelného vodíku od roku 2030. Je to při současném tempu rozvoje fotovoltaických a větrných elektráren u nás reálné?

„Pro OZE tu obecně bohužel nemáme příliš vhodné podmínky. Zatímco třeba ve Španělsku se z jednoho kilowatt-peaku za rok vyrobí 2 000 kWh energie, u nás je to polovina, u větrné elektřiny je pak problém, že v Česku trvá výstavba jednoho větrníku klidně přes deset let,“ vypočítává Jan Sochor. „Unie v březnu schválila konečná pravidla pro výrobu obnovitelného vodíku. V praxi tak například výrobci obnovitelného vodíku budou muset vykazovat do roku 2030, že elektřina spotřebovaná v elektrolyzéru byla v daný měsíc vyrobená v jednom z připojených či nasmlouvaných obnovitelných zdrojů. Jistou komplikací je, že od roku 2030 chce Evropská komise zavést vykazování výroby obnovitelného vodíku v elektrolyzéru hodinově.

Zjednodušeně řečeno, vodík se bude vyrábět, jen když svítí slunce nebo fouká vítr.“ Obnovitelný vodík půjde vyrábět buďto z přímo napojených zdrojů obnovitelné elektřiny, nebo přes elektrizační soustavu pomocí tzv. PPA kontraktů. Dalším pravidlem, které omezuje výrobu obnovitelného vodíku, je od roku 2027 nutnost napojit elektrolyzér jen na obnovitelný zdroj, který není starší 36 měsíců od spuštění elektrolyzéru. Do roku 2027 ale pro toto pravidlo platí výjimka. Řada projektů tak proto i v Česku bude cílit na to, stihnout postavit a spustit elektrolyzér už do roku 2027.

Jaké na to budou potřeba investice, se dá spočítat jednoduše, byť jen nahrubo. Jeden megawatt instalovaného výkonu elektrolýzy vychází zhruba do dvou milio­nů eur, při požadovaném objemu výroby zeleného vodíku se ovšem pohybujeme v řádech nižších stovek megawattů. V blízké budoucnosti na to budou vyčleněny finanční prostředky z Modernizačního fondu, jejichž čerpání je ale podmíněno plněním zmíněných přísných pravidel.

Daleko lepší vyhlídky bychom měli při výrobě takzvaného nízkouhlíkového vodíku. Ten by se u nás mohl vyrábět například z elektřiny jaderných elektráren (takzvaný růžový vodík), který má nižší uhlíkovou stopu než „zelený“ vodík z fotovoltaiky či větrných elektráren. „Nízkouhlíkový vodík, který se může vyrobit takřka jakkoli, přičemž musí nastat snížení emisí ve výrobě o 70 procent, řeší jiná evropská legislativa v rámci dekarbonizačního balíčku pro trh s plyny,“ upřesňuje Sochor. „Pravidla pro výpočet emisí nízkouhlíkového vodíku však zatím nejsou finálně dojednána a vydání závazného technického dokumentu se očekává nejdříve příští rok.“

Kam se zeleným vodíkem?

Využití vodíku dnes cílí také na energetiku, tedy aby elektřina ze solárních panelů a větrných turbín v době, kdy hodně svítí a fouká, byla uložena na pozdější dobu. Výsledná energetická účinnost přeměny elektrické energie na vodík elektrolýzou vody závisí nejen na daném typu elektrolyzéru, ale i na časovém rozvrhu výroby. Rozdíly jsou značné – laicky to jde přirovnat ke spotřebě auta při plynulé jízdě na dálnici versus přerušované jízdě v městském provozu, což je ale situa­ce výroby ve špičkách z přebytků OZE.

„Bilance výroby je zdánlivě jednoduchá, na jednotku energie uložené ve vodíku potřebujete zhruba dvojnásobek energie na vstupu,“ říká František Hrdlička z Fakulty strojní ČVUT. „Jenže při zpětné přeměně na elektřinu, pokud by vodík měl fungovat jako baterka pro vyrovnávání výkonové rovnováhy, nastanou další ztráty, navíc musíte započítat také spotřebu energií na výrobu demineralizované vody pro samotnou elektro­lýzu, provoz kompresorů a tlakových nádob na skladování vodíku, ztráty při přenosu v síti… Takže nakonec vychází účinnost této ‚baterky‘ maximálně na 30 procent.“ Společnost ČEPS provozující naši přenosovou soustavu ovšem s jejich začleněním do své sítě coby stabilizačních prvků s rychlým nájezdem do budoucna počítá. Otázkou zůstává, jak se promítnou náklady takto vyráběného vodíku do ceny takzvaných podpůrných služeb, a tím i do výsledné ceny elektřiny pro spotřebitele.

Podobné „výzvy“ představuje také plánované využití v některých průmyslo­vých oblastech, které chtějí vodík takzvaně dekarbonizovat, například ocelářství. Jedním z prvních pilotních projektů v této oblasti je elektrolyzér v rakouském Linci, který vyrábí vodík ze sluneční energie a testuje se jeho využití v sousední ocelářské huti. Ukazuje se ovšem, že vyrobené objemy vodíku jsou pro plnohodnotné nahrazení tradičního koksu nízké, dokonce stonásobně nižší, než by bylo potřeba. Pokud by české ocelářství mělo plně přejít na vodík z elektrolyzérů, potřebovalo by dnes k jeho výrobě přibližně třetinu současného výkonu všech našich elektráren.

Jiné výpočty vypadají optimistič­těji. Na výrobu jedné tuny vodíku je potřeba kolem 55 megawatthodin elektrické energie. Ať již vezmeme celo­evropský cíl výroby deseti milionů tun vodíku ročně, nebo český cíl 20 tisíc tun, pohybujeme se v řádech maximálně desítek procent z celkového objemu elektřiny, která se nyní vyrábí pomocí OZE. „Na papíře vypadají tato čísla pěkně, ale dokud nebudeme znát celý řetězec následného využití vodíku, o ničem nevypovídají,“ říká František Hrdlička.

„Vyrobíte vodík, ale co s ním dál? Fyzika je neúprosná – jelikož má tento plyn velice nízkou hustotu, je jeho skladování smysluplné pouze při vyšších tlacích, což znamená vysoké nároky na materiály i provoz tlakových nádob. Je možné ho i zkapalnit, a tím ještě více zmenšit objem, jenže zkapalněný vodík má teplotu minus 253 stupňů Celsia, což s sebou nese rizika mezikrystalické koroze i u těch nejlepších ocelí, navíc dochází ke značným ztrátám z odpařování.“

A dodává: „Vodík se dá využít také ve směsi se zemním plynem pro přímé spalování v současných kotlích, ovšem jen do určitého poměru, navíc je problematické míchat dvě média o různých hustotách. Při vyšších koncentracích už musíte vyměnit palivové trysky a přetěsnit všechny armatury a ventily. Jinou, často užívanou alternativou zejména při dálkové dopravě je převod vodíku na jiné médium jako metanol nebo amoniak a poté zpětná přeměna na vodík, což je však spojeno s dalšími energetickými ztrátami.“ Přitom amoniak vyrobený z vodíku by šel efektivněji využít například k výrobě dusíkatých hnojiv, což by se hodilo při současném výpadku této komodity tradičně dovážené z Ruska – jenže využívání vodíku v zemědělství současná evropská legislativa neřeší.

Samostatnou kapitolou je i zvažovaná přeprava vodíku současnými plynovody. Optimistické vize hovoří, že by se minimálně jedno z potrubí v současných tranzitních plynovodech mohlo vyčlenit pro přepravu vodíku (v bezpečně nízké koncentraci do 15 procent). Provozovatelé této infrastruktury již v Německu rozběhli projekt H2ercules, v jehož rámci osazují kritické body plynovodů (armatury, ventily, kompresorové stanice) novými prvky, aby zvládly dálkovou přepravu vodíku ze zemí, kde je jeho výroba levná – ať je to dnes Norsko, nebo v budoucnu Ukrajina. „Je ovšem otázka, zda tento vodík, byť jižní větev Transgasu prochází naším územím, nakonec skončí i u nás, protože sami Němci si pro splnění svých klimatických cílů stanovili velká množství dovozu a asi jen těžko jim budeme konkurovat,“ upozorňuje Hrdlička.

A konstatuje, že by se naše vodíková strategie měla spíše soustředit na oblasti, v nichž již dlouhá léta probíhá vědecko-technologický výzkum. „Vodíkové hospodářství má u nás dlouhou tradici, i když jde především o využívání vodíku z (petro)chemické výroby. Zároveň zde máme odvětví, která nelze snadno dekarbonizovat, jako jsou kovohutě nebo cementárny. Přitom vodík se dá slučovat s oxidem uhličitým, který dnes umíme v těchto průmyslových procesech účinně zachycovat, a vyrábět z něho metan, tedy čistý zemní plyn.

A dodává: „Při jeho spalování na výrobu tepla nebo elektřiny sice vznikají emise oxidu uhličitého, ale ty se dají opět zachytit a sloučit s vodíkem – jde vlastně o uzavřený bezemisní cyklus, navíc bez potřeby nákladné konverze současných zařízení. Když se mě nedávno ptala norská velvyslankyně, proč se zabýváme technologiemi, které nemají podporu EU, odpověděl jsem jí protiotázkou: Proč se tím zabývá vaše země? Myslím, že v této technologii je budoucnost. A ten, kdo bude napřed, bude mít výhodu.“

Budoucnost českého vodíku

Agenda současné evropské legislativy prosazuje zelený vodík vyráběný jedině z OZE, což je však ekonomicky i technicky smysluplné v zemích, které mají oproti nám významně vyšší poten­ciál využití větrné a sluneční energie (ať již státy v baltické, nebo ve středomořské oblasti) nebo energie vodní (zejména Skandinávie). Ty budou mít zřejmě do budoucna na „zelený vodík“ monopol a je otázka, zda si coby země s nepříliš příznivými podmínkami pro provoz OZE nezaděláváme na novou rizikovou závislost, byť v rámci EU. Dobrou zprávou je, že při výstavbě vodíkové infrastruktury jsme v rámci Evropy soběstační, přestože většinu klíčových komponentů – elektro­lyzérů, palivových článků nebo kompresorů pro skladování a přepravu – sami nevyrábíme a musíme je nakupovat od zahraničních dodavatelů.

Na druhé straně ale máme k dispozici širokou základnu vědců a techniků, kteří se podílejí na řešení různých (mezi)národních projektů vodíkové energetiky. A ještě lepší zprávou bude, až se začne podporovat i výroba vodíku s nízkými emisemi například z jaderných elektráren, chemických provozů nebo třeba i nově z plastového odpadu. Aby vodík neměl jen onu současně mediálně nej­viditelnější výhodu – že se na něho skvěle utrácejí dotace.