Zelený vodík je považován za nosič energie budoucnosti: jako alternativní palivo v palivových článcích, ve formě e-kerosenu pro leteckou dopravu nebo jako náhrada zemního plynu pro ocelářský a chemický průmysl bez emisí CO2. Při jeho spalování vzniká pouze vodní pára a energie, ale nevznikají při tom žádné emise škodlivé pro životní prostředí. Zejména v souvislosti s rostoucími cenami energií v důsledku ruského útoku na Ukrajinu je zelený vodík jako alternativa k ropě a plynu velmi žádaný.
Vodík je ekologický a klimaticky neutrální, pokud se k jeho výrobě používají obnovitelné zdroje energie, jako je slunce nebo vítr. Vyrábí se elektrolýzou, což je technologie nazývaná „power-to-X“, která využívá elektrickou energii k výrobě plynů, tepla nebo kapalných nosičů energie. Při tomto procesu se molekuly vody štěpí na základní složky vodík a kyslík. Kyslík pak končí v atmosféře a plynný vodík neutrální z hlediska CO2 se dodává do stávajících plynových sítí nebo se zpracovává na metan. Přebytečnou energii z obnovitelných zdrojů lze proto skladovat ve formě zeleného vodíku a přepravovat ji – pro výrobu tepla nebo elektřiny, v průmyslu nebo v dopravě.
Vodíková vesnice ve zkušebním provozu
Zelenému vodíku je z řady důvodů nakloněno sousední Německo. A jedním z pilotních projektů, kde tato technologie již funguje, je vodíková vesnice v německém Bitterfeldu-Wolfenu, která nedávno obdržela cenu za inovaci v plynárenství za 1400 metrů dlouhou distribuční síť čistého vodíku. Tým z Lipské univerzity aplikovaných věd od května 2019 ve spolupráci se společnostmi Mitteldeutsche Netzgesellschaft Gas a DBI Gas- und Umwelttechnik testuje, jak lze v reálných podmínkách distribuovat vodík v Bitterfeldu-Wolfenu bezpečným, ekologickým a nákladově efektivním způsobem. Vodík se bude přepravovat po testovací oblasti o rozloze 12 000 km2 a bude se používat pro domácnosti i firmy.
Souvislosti: Provozovatelé evropských plynárenských sítí chtějí do roku 2040 provozovat vodíkovou síť a za tímto účelem přeměnit nebo dále rozvíjet části stávající infrastruktury. Vodíková vesnice již poskytla významný náhled na cestu k tomuto cíli: stávající infrastrukturu vyvinutou pro distribuci zemního plynu lze po úpravách využít i pro vodík. Výzkumníci však zjistili, že některé plasty použité v předchozích potrubích se do vodíku uvolňují. To je problematické zejména tehdy, když je zapotřebí obzvláště čistý vodík, například pro palivové články. Které materiály jsou pro dopravu vhodnější a jak se osvědčí v dlouhodobém horizontu, je stále otevřenou otázkou.
Vodíkový plán
Německá vláda stanovila tyto a další aspekty funkční vodíkové infrastruktury v národní vodíkové strategii. Federální vláda odhaduje, že do roku 2030 bude poptávka po vodíku činit přibližně 90 až 110 terrawatthodin. V Německu se pro tento účel plánují výrobní závody a potřebná zařízení na moři a na pevnině o celkové kapacitě až pět gigawattů. V Německu by se tak mělo ročně vyrobit až 14 terrawatthodin zeleného vodíku, a to v ideálním případě s nízkými náklady.
Jaké jsou typy vodíku?
Vodík je v podstatě bezbarvý. Barevná klasifikace se vztahuje k výrobním metodám a související bilanci CO2.
> Zelený vodík se vyrábí elektrolýzou vody pomocí elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Nevznikají při tom žádné škodlivé skleníkové plyny, protože zelený vodík neobsahuje CO2.
> Modrý vodík se vyrábí především ze zemního plynu. Je CO2 neutrální, protože CO2 vznikající při výrobě se zachycuje a ukládá do podzemí (Carbon Capture and Storage).
> Šedý vodík se již používá v chemickém průmyslu. Při parním reformování (Steam reforming) se vyrábí vodík a CO2 za tepla – s pomocí fosilních zdrojů energie. Na každou tunu vodíku se do atmosféry uvolní deset tun CO2.
> Tyrkysový vodík se vyrábí pyrolýzou metanu. Místo CO2 vzniká pevný uhlík. Pokud by teplo pro vysokoteplotní reaktor pocházelo z obnovitelných zdrojů energie a uhlík by byl znovu využit, byl by tyrkysový vodík klimaticky neutrální.
Výroba ekologického vodíku byla dosud drahá a je zásadně spojena s cenou elektřiny, která se při ní používá. Kromě výroby musí Německo zajistit infrastrukturu, distribuční sítě a potřebné technologie. To zahrnuje také přechod průmyslu na výrobní procesy založené na vodíku.
Mezinárodní spolupráce
Snížení CO2 v průmyslu: zelený vodík lze využít ke snížení emisí skleníkových plynů, zejména v ocelářském a chemickém průmyslu. | Zdroj: Kouji Tsuru/Unsplash
Protože Německo nemůže uspokojit svou poptávku po zeleném vodíku vlastními silami, spoléhá se na mezinárodní partnerství, například s Austrálií a Afrikou, při dovozu zeleného vodíku prostřednictvím potrubí nebo kontejnerů. Od roku 2023 bude Spolkové ministerstvo pro vzdělávání a výzkum (BMBF) financovat čtyři německo-namibijské vodíkové pilotní projekty, které budou například rozvíjet případy využití vodíkových aplikací – jako jsou systémy čerpacích stanic, nákladní doprava, skladování vodíku nebo odsolování mořské vody.
Jakkoli jsou v jižních zemích dobré podmínky pro výrobu větrné a solární energie, dostupnost vody je zde problematická. Vždyť k výrobě jednoho kilogramu vodíku je zapotřebí devět litrů vody. Namibie je nejsušší zemí subsaharského regionu. Zařízení pro odsolování mořské vody jsou proto více než žádaná. Studie proveditelnosti má prozkoumat nové přístupy. Podle BMBF analýzy ukazují, že odsolování mořské vody má jen velmi malý vliv na celkové náklady na výrobu vodíku.
Ministryně pro rozvoj Svenja Schulzeová na poslední konferenci OSN o změně klimatu vyzvala, aby mezinárodní partnerství byla hodna svého jména: Mnohé rozvojové země nabízejí nejlepší podmínky pro výrobu zeleného vodíku, ale je třeba zajistit, aby nebyly v budoucnu vyloučeny z hodnotových řetězců. Vodíková ekonomika musí být spravedlivější než fosilní ekonomika, požadovala. V zájmu dosažení globálních cílů v oblasti klimatu je proto třeba podporovat nejen výrobu, ale i využívání zeleného vodíku v rozvojových zemích.
Nízká energetická účinnost
Jeden z největších závodů na výrobu vodíku v Německu se nachází v bavorském Wunsiedelu. Ročně dokáže vyrobit až 1350 tun zeleného vodíku, který bude dodáván regionálním průmyslovým a obchodním podnikům, jako jsou dopravní společnosti, dodavatelé pro automobilový průmysl nebo sklářský a keramický průmysl. Zelený vodík, který se zde vyrábí, se má také dále zpracovávat a používat jako palivo.
Závod by mohl po dobu jednoho roku zásobovat 400 nákladních vozidel klimaticky neutrálním palivem, aby zvládla ujet 150 kilometrů denně. Za předpokladu, že bude dostatek elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, jako jsou solární parky a větrné turbíny. Jedním ze sporných bodů při výrobě vodíku je totiž nízká energetická účinnost: k elektrolýze je zapotřebí velké množství energie, takže zařízení spotřebují mnohem více elektřiny, než kolik vodíku dodají. Německá vláda však předpokládá, že v sériově vyráběných elektrolyzérech je přibližně 70 % energie potřebné pro elektrolýzu vázáno také ve vodíku. Má to ale háček: tyto elektrolyzéry zatím nejsou k dispozici.
Nákladní automobily H2 ve Švýcarsku
| Zdroj: h2.live
Sousední zemí Německa je Švýcarsko, kde se již po silnicích prohánějí nákladní vozidla na vodíkový pohon. Od roku 2020 jezdí po švýcarských dálnicích 47 kamionů, díky čemuž je tamní nákladní doprava o něco udržitelnější. Čtyři miliony kilometrů jsou již za nimi. Umožnila to švýcarská společnost „H2Energy“, která postupně mění nákladní dopravu, a to bez podpůrných programů a státních dotací. Na přeměně se podílí více než 20 provozovatelů čerpacích stanic, logistických společností, výrobců vodíku a dalších subjektů, které jsou vlastně konkurenty. Nedávno začala skupina společností dodávat vodíkové vozy také na německý trh.
Společnost FOR H2ENERGY bude působit i na našem území. V červenci loňského roku podepsala s Ústeckým krajem rezervační smlouvu na nákup pozemku o výměře 11,98 hektarů ve Strategické průmyslové zóně Triangle. Uvnitř průmyslové zóny Triangle bude instalována elektrolytická jednotka pro výrobu zeleného vodíku, kompresory pro jeho stlačení na požadovaný tlak a zásobníky pro jeho skladování a distribuci.
Součástí vodíkového hospodářství bude rovněž palivový článek, který poslouží k přeměně vodíku zpět na zelenou elektřinu upotřebitelnou v rámci areálu i mimo něj. V areálu bude postavena čerpací stanice se zaměřením na vodík a projekt počítá i s výstavbou vědecko-výzkumného centra a výrobních a montážních hal, ve kterých se mimo jiné budou vyrábět komponenty vodíkových technologií.
Plnění vodíkem
Síť vodíkových čerpacích stanic není u nás příliš hustá. Do budoucna by se to ale mělo změnit. | Zdroj: h2.live
Aby mohly nákladní automobily H2Energy jezdit i v jiných zemích, musí se rozšířit síť čerpacích stanic H2 a musí být k dispozici dostatečné množství zeleného vodíku. Automobily s palivovými články lze v současné době například v Německu tankovat na přibližně 100 vodíkových čerpacích stanicích; jejich počet by se měl do roku 2030 zdesetinásobit. První veřejně přístupná vodíková plnicí stanice v České republice stojí od loňského roku v Ostravě-Vítkovicích. Jedno natankování stojí paušálně 2500 korun. Další stanice by měly být v Praze a v Litvínově.
Něco se musí změnit i v ceně: V současné době stojí kilogram vodíku přibližně dvanáct eur. Čtyřicetitunový nákladní automobil potřebuje na 100 kilometrů sedm kilogramů, osobní automobil jeden kilogram. Jeden kilogram vodíku přitom obsahuje přibližně tolik energie jako tři litry nafty. Vzhledem k emisím CO2 má smysl používat vodík pro těžkou nákladní dopravu. Doprava je zodpovědná za 20 % celkových emisí CO2 – polovina z nich pochází z užitkových vozidel těžších než 26 tun.
Potřebná rychlost a investice
Navzdory četným iniciativám, pilotním projektům, kooperativním podnikům a mezinárodním partnerstvím je zrychlení v oblasti zeleného vodíku stále na dlouhé cestě. Nedávná studie vědců z Postupimského institutu pro výzkum dopadů na klima (PIK) ukazuje, že zelený vodík bude celosvětově nedostatkový přinejmenším do poloviny 30. let 20. století.
Je to proto, že i kdyby výrobní kapacity rostly stejně rychle jako větrná a solární energie, dodávky zeleného vodíku by byly v krátkodobém horizontu nedostatečné a v dlouhodobém horizontu nejisté. Ve své analýze se zaměřili na kapacitu zařízení pro elektrolýzu, nikoli na aplikace a trhy s ekologickým vodíkem. Současná zařízení jsou poměrně malá a stále se vyrábějí odděleně.
Studie předpovídá, že zelený vodík bude do roku 2035 pravděpodobně dodávat méně než jedno procento potřebné energie. EU však plánuje překročit hranici jednoho procenta o něco dříve, konkrétně kolem roku 2030, což znamená, že cíl EU do roku 2030 dodávat 10 milionů tun ekologického vodíku vyrobeného v Evropě nebude splněn.
Aby se vodík jako palivo začal výrazněji prosazovat, je zásadní rychlost. Podle analýzy PIK jsou k rychlému zvýšení kapacity elektrolýzy zapotřebí rychlé investice do vodíkových dodavatelských řetězců. Kromě toho musí být jasně řečeno, že zelený vodík nemůže zcela nahradit fosilní paliva. Podle Spolkového úřadu pro životní prostředí by se vodík měl používat pouze tam, kde není technicky možné přímo využívat obnovitelné zdroje energie a kde není k dispozici účinnější řešení: jednak jako nosič energie pro přímé použití, například v ocelářském průmyslu, a jednak k výrobě metanu, benzinu, nafty nebo parafínu.
Zdroj: h2.live, autorský článek
video