Vodíková revoluce

Nabízí se spekulace. Vrcholný evropský politik se před pár lety sešel s topmanažerem technologické firmy v salonku luxusní restaurace. Po několika skleničkách nejdražšího koňaku přišla řeč na budoucnost energetiky a průmyslu. Politik se k manažerovi nenápadně naklonil a zašeptal mu do ucha: „Bude to vodík!“ Manažer ohromeně vydechl.

Druhou možností je, že se žádná schůzka nekonala a technologové již dříve vyvinuli křišťálové koule a pozorně se do nich zahleděli. Jinak si nelze vysvětlit, jak dobře je už dnes třeba Německo na nástup vodíku připravené, přestože se o tomto tématu v uplynulých letech prakticky nemluvilo. Nedávno například Siemens představil první plynovou turbínu na jeho spalování.

Lze tento vývoj interpretovat tak, že Němci vyřešili energetický rébus a my zaspali? Nebo se v odborných kruzích využití vodíku v energetice dlouhodobě řeší bez výraznější publicity a Green Deal vše jen urychlil a zviditelnil? Odborníci kroutí hlavou, realita je mnohem složitější. A v tuto chvíli rozhodně není čas na přehnaný vodíkový optimismus.

Lákavé, ale…

Pro poučené laiky to bude znít triviálně, ale není na škodu to hned v úvodu zdůraznit, protože vodíková revoluce má ambici přimět uvažovat o energetice úplně jinak, než bylo dosud zvykem: vodík není tradiční palivo, ale zprostředkovává akumulaci. „Vodík netěžíme, nemáme ho volně k dispozici. Sice je pravda, že ve vodě ho máme téměř neomezené množství, ale abychom ho získali, musíme ho napřed vyrobit elektrolýzou. Není to zdroj, ale nosič energie. Bohužel to spousta lidí stále zaměňuje,“ vysvětluje Jan Novotný z Fakulty strojního inženýrství Univerzity Jana Evangelisty Purkyně.

Elektrolýzu si mnozí pamatují ze středo­školské chemie. Dle definice se při ní rozkládá elektrolyt procházející stejnosměrným proudem mezi katodou a anodou. Tímto způsobem lze za působení elektrického proudu rozložit vodu na vodík a kyslík. Z toho vyplývá, že je potřeba mít k dispozici obrovské množství elektřiny a vody.

Uvádí se, že na výrobu kilogramu vodíku je potřeba 55 kilowatthodin (kWh) elektřiny a devět litrů vody a že takto vyrobený nese 33 kWh energie. Pro srovnání, třeba špičkové baterie v automobilech Tesla dosahují třetinové objemové energetické hustoty oproti systémům využívajícím vodík. Další výhodou je vysoká životnost výrobního zařízení – zatímco bateriové úložiště se dožije zhruba deseti let, kvalitní elektrolyzér i třiceti. To činí z vodíku suverénního šampiona v akumulaci.

Tento šampion však má mnoho nedostatků. Vodík je nejlehčí plyn na světě s extrémně nízkou objemovou hustotou – jinak řečeno, pokud se s ním nic neudělá, je ho i ve velkém prostoru velmi málo. Před uložením je potřeba ho napřed stlačit či zkapalnit, přičemž změna skupenství vyžaduje ochlazení na -253 stupňů Celsia, čímž se ztrácí ohromné množství další energie. Celkově zůstane jen 60 až 70 procent toho, co bylo na počátku.

Elektrolýza nefunguje ani jako kouzelný proutek, který proměňuje elektřinu a vodu na vodík pouhým mávnutím. „Výroba kilogramu vodíku v elektrolyzéru s příkonem 55 kilowattů trvá hodinu. Pokud budeme chtít vyrábět tuny vodíku za hodinu, budeme potřebovat elektro­lyzéry o příkonu 55 megawattů a víc. Takové instalace se však v současnosti teprve chystají,“ prozrazuje Novotný.

Dalším obrovským problémem je skladování. „Současné podzemní zásobníky, které jsou vybudované ve vytěžených ložiscích zemního plynu a ropy, budou zřejmě nepoužitelné. Vodík má totiž podstatně menší molekulu a z těchto struktur bude nejspíš utíkat,“ obává se Martin Hájek, ředitel Teplárenského sdružení ČR.

„Když budeme vodík skladovat jako hydrid v tlakových nádobách, moc si nepomůžeme, protože i při vysokém tlaku ho tam bude sice zhruba 60 kilogramů na metr krychlový, ale cena tohoto systému je stále vysoká. Z dlouhodobého hlediska dává smysl spíše skladování ve formě čpavku ve velkých nádržích nebo v podobných chemických sloučeninách obsahujících vodík,“ doplňuje Novotný. Posledním problémem je původ vodíku, který se označuje „barvou“ (box Padesát odstínů vodíku). Kritérium čistého paliva splňuje pouze zelený vodík vyrobený ze 100 procent z obnovitelných zdrojů energie (OZE).

I pokud jsou všechny uvedené problémy technické a inženýři a vědci po celém světě se s nimi brzy vyrovnají, měl by vodík fascinovat. Nejde jen o to, že již z podstaty při spalování neprodukuje žádné emise oxidu uhličitého, ale i o to, že by mohl jednou provždy vyřešit kýženou dlouhodobou (mezisezonní) akumulaci!

Bude-li dostatek OZE a elektrolyzérů, teoreticky se lze rozloučit s fosilními palivy i se závislostí na dovozu z Ruska. V létě se nechají nasvítit a nafoukat přebytky do vodíku, který se pak bude pálit přes zimu, kdy tolik nesvítí a nefouká. Pryč s tezí, že elektřinu nejde skladovat, i s dvoubarevnou energetikou!

Tak asi uvažovali Němci, když plánovali pokračování Energiewende. Pak stačilo jen vzít tužku a papír a spočítat, zda to vychází i v číslech. Jenomže to zjevně buď nikdo neudělal, nebo se nad výsledky mávlo rukou…

Zdrcující výpočty

Webovou stránku německého think-tanku Agora Energiewende často navštěvují energetici. Je na ní totiž skvělá aplikace, která v přehledných grafech zachycuje zdroje, z nichž se v daném čase v Německu vyráběla elektřina. Z pohledu na letošní leden vyplývá, že přibližně polovina grafu připadá na tmavě šedé fleky, přičemž v některých dnech vyplňují většinu podílu. Jde o výrobu uhelných, plynových a jaderných elektráren. Z pohledu na predikci pro leden 2030 pak to, že tmavošedé fleky prakticky nahrazují světlešedé, které reprezentují plynové elektrárny spalující z 30 procent vodík.

Za předpokladu, že Německo potřebuje v zimě trvalý výkon 80 gigawattů (GW) a čistou výrobu 60 terawatthodin (TWh) za měsíc, čísla poněkud zarážejí. „Když to dopočtu, Německo bude potřebovat pouze na leden 2030 zelený vodík o hmotnosti 540 tisíc tun, a to jen na pokrytí předpokládané spotřeby elektřiny. Za všechny tři zimní měsíce to dělá o trochu více než 1,6 milionu tun a není v tom ani kilogram vodíku pro zelený průmysl. Ty nejoptimističtější světové predikce pro rok 2030 přitom hovoří o globální produkci ve výši 6,7 milionu tun,“ říká profesor František Hrdlička z Fakulty strojní ČVUT.

Na tomto místě je třeba zmínit, že v současnosti přijde kilogram zeleného vodíku na sedm až osm eur. To znamená, že za tři zimní vodíkové měsíce by při současných cenách Němci zaplatili na 320 miliard korun…

Povzbudivější není ani pohled ze strany výrobních zdrojů. Na výrobu tuny vodíku je totiž potřeba asi 55 megawatthodin (MWh) elektřiny. „Němci tedy budou na zimu potřebovat přebytkovou produkci 88 TWh, což odpovídá celoroční produkci významné části jejich větrných elektráren na moři,“ doplňuje Hrdlička. Čili žádné přebytky – na vodík padne celý německý offshore park s instalovaným výkonem 26 GW…

I progresivní Němci tedy jen obtížně pokryjí své energetické potřeby. Vysoká poptávka po zeleném vodíku však bude i z průmyslu. „Třinecké železárny spotřebují za rok přibližně 700 tisíc tun koksu. Na jeho náhradu bychom potřebovali 160 tisíc tun vodíku a elektrolyzér o výkonu přibližně jeden GW. To je při současných cenách absolutně nereálné,“ říká Novotný.

Závěr je jasný. I progresivní Němci budou muset zelený vodík dovážet ze zahraničí, přínos k záchraně Země před klimatickou změnou bude přinejmenším diskutabilní a z hlediska dovozní závislosti se jen vymění jedna komodita za druhou.

„Němci si od využívání vodíku neslibují úplnou energetickou soběstačnost. Jejich plán naopak silně prosazuje podporu zahraničních projektů tam, kde jsou vhodné podmínky pro výrobu zeleného vodíku. Takto vyrobený vodík je pak možné přepravit do průmyslově silných německých oblastí třeba vodíkovody,“ říká Aleš Doucek z ÚJV Řež a České vodíkové technologické platformy.

Kritika vize dlouhodobé akumulace přebytečné elektřiny do vodíku zaznívá i z teplárenství, které vyžaduje relativně stabilní podíl vodíku v dodávaném plynu. „Nemůže to fungovat tak, že ve středu nad Severním mořem zafouká a v plynovodu bude 40 procent vodíku, pak foukat přestane a bude tam zase jen zemní plyn. Kvalita plynu musí být garantovaná a může se měnit jen pomalu a postupně, aby se na to spotřebitelé mohli adaptovat. To znamená, že za elektrolyzérem vyrábějícím vodík z obnovitelné elektřiny musí být ještě obří zásobník, který bude vyrovnávat krátkodobé přebytky a nedostatky,“ říká Hájek.

Řešení pro Česko

V Česku už sice ohlásila investice do vodíku řada firem a mnoho projektů se rozvíjí v akademické sféře, ale nelze to srovnat s rozjetým německým vlakem, který veze 60 projektů s velkými elektro­lyzéry. Přidají-li se k tomu nedostatečné klimatické podmínky pro výrobu OZE, vychází z toho, že se Česko vodíkovou velmocí nejspíš nestane. Co mu však schází v oblasti výrobních kapacit vodíku, může dohnat jinde.

„Ani v nejoptimističtějším scénáři nelze čekat, že bychom v našem regionu dokázali do budoucna vyrobit dostatečné množství zeleného vodíku soběstačně. Podotýkám však, že problémem dnešního vidění světa je zejména fakt, že věříme ve spásný efekt jedné konkrétní technologie a vylučujeme komplementaritu řešení, která bude k dosažení cíle dekarbonizace v budoucnu nutná,“ říká Doucek.

Vzhledem ke kvantitativním nárokům vodíkové revoluce Česku nejspíš nezbude nic jiného, než ještě nějakou dobu vystačit s tradičními domácími zdroji energie. Kvůli evropskému charakteru trhu s elektřinou to však může být konkurenční výhodou jen částečně.

„V taxonomii je věta, že z hlediska vlivu na klima je v Evropě horší zemní plyn než uhlí. Když budeme dělat Německu zálohu, pak relativně levně vyrobíme elektrickou energii a draze ji prodáme na burze v Lipsku. Stejně draho nám ji však následně prodají naši prodejci elektřiny zpět do Česka,“ říká Hrdlička.

Zaznělo to už mnohokrát, ale je třeba to zopakovat: pokud Česko nehodlá vystoupit z Evropské unie, nemůže Green Deal ignorovat, ale přijmout jako realitu. Klíčová otázka zní, jak načasovat transformaci a postupné vypínání fosilních zdrojů.

„Buď budeme postupovat obezřetněji a někdy ke konci, když zjistíme, že už máme všechno nastavené dobře a funguje to, můžeme vypínání urychlit. Nebo můžeme být poněkud odvážnější, zavřít to bez ohledu, jestli máme alternativy, a pak pozorovat, co se stane a jestli bude lehká, nebo tužší zima. Druhý způsob mi nepřipadá rozumný,“ uzavírá Novotný.