Základní informace k vodíku
Co je to vodík?
Proč vodík?
Jaká je historie využívání vodíku?
Jaké energetické vlastnosti má vodík?
Jaké využití má vodík?
Sector coupling je proces, při kterém by mělo dojít k úplné dekarbonizaci většiny odvětví (průmysl, doprava, energetika) pomocí využívání elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie. Vodík má v této strategii sehrát výraznou roli jako energetický nosič ve všech níže zmíněných oblastech.
V dopravě je vodík hlavním konkurentem bateriových elektromobilů (BEV). Vodíkové automobily (FCEV) mají delší dojezd (600 km a víc), krátkou dobu plnění (cca 5 minut), fungují lépe za chladných podmínek, kdy dochází k výrazně menším ztrátám dojezdu a zároveň mají nižší spotřebu při vyšších rychlostech. Ztráta dojezdu při vyšších rychlostech se řádově rovná spalovacím autům. Oproti bateriím je upřednostnění vodíku předpokládáno zejména u těžké nákladní dopravy, autobusové dopravy a dalších typů přepravy na delší vzdálenosti. Vodíková mobilita dnes funguje na principu palivových článků, které vyrábí elektřinu přímou elektrochemickou reakcí vodíku a kyslíku na vodu. Jako odpadní látka tak vzniká pouze demineralizovaná voda a vzduch, který je pročištěn filtry. S trochou nadsázky tak lze říct, že vodíkové automobily čistí planetu. Masovému rozvoji FCEV brání pouze vysoká pořizovací cena a malá infrastruktura plnicích stanic. Při širším uplatnění FCEV pak dojde k dramatickému snížení pořizovacích cen vlivem masové produkce.
V energetice je možné vodík využít jako uložiště energie. Vzhledem k tomu, že v sobě vodík uchovává velké množství energie (cca. 33 kWh/kg) a lze ho jednoduše velkokapacitně skladovat, je vodík ideálním médiem pro sezónní akumulaci energie (v řádech TWh). Tam, kde selhávají bateriové technologie, tedy ve vykrývání dlouhodobých nedostatků elektrické energie v přenosové soustavě, funguje vodík jako ideální alternativa. Takto uskladněný vodík, ať už v zásobnících, nebo plynové soustavě, může být následně pomocí technologie palivových článků opět přeměněn v kombinaci s kyslíkem na elektřinu.
V průmyslu může vodík nahradit fosilní paliva. V ocelářství pomocí něj lze například redukovat železo. Vodík se dnes primárně využívá k výrobě amoniaku, který je následně využíván zejména při výrobě a zpracování hnojiv. Mezi další průmyslové využití vodíku patří výroba polymerů, výbušnin, ale i v potravinářství pro ztužování tuků při výrobě margarínů. Ve světě existují také pilotní projekty, které testují využití spalování vodíku místo uhlí.
Jak se vodík vyrábí?
V současnosti je udáváno, že 96 % veškeré světové výroby vodíku pochází z fosilních paliv, a to zejména způsobem z tzv. parního reformingu zemního plynu. Jedná se o nejlevnější současnou technologii výroby vodíku. Parní reforming je chemický proces, při kterém se vodní pára o teplotě 750 – 950 °C přivádí k metanu. Směs metanu a páry následně reaguje za vzniku vodíku, oxidu uhelnatého a menšího podílu oxidu uhličitého. Následně dochází k reakci oxidu uhelnatého s další vodní parou při vzniku vodíku a oxidu uhličitého. Celková účinnost tohoto procesu se pohybuje okolo 75 %. Vzniká při něm ale velké množství CO2, na 1 kg vyrobeného vodíku se vyprodukuje až 9 – 12 kg CO2. Takto vyrobený vodík je nazýván šedým.
Přechodným způsobem výroby vodíku může být kombinace dnes již známých technologií, a těmi jsou parní reforming zemního plynu s CCS (Carbon Capture Storage). V této variantě se vzniklé emise CO2 zachytávají pomocí technologie CCS, případně CCU (Carbon Capture Utilitization) a vyrobený vodík tak je prakticky bezemisní (emise sníženy až o 95 %). Takto vyrobený vodík je nazýván modrým.
Do budoucna nejpodporovanějším způsobem výroby vodíku v Evropské unii je výroba vodíku elektrolýzou vody za použití elektrické energie z obnovitelných zdrojů energie. Bohužel, v dnešní době výroba vodíku za využití elektřiny dosahuje celosvětově cca. 4 % podílu veškeré výroby. Navíc většina tohoto vodíku je vedlejším produktem z výroby chloru technologií elektrolýzy solanky – tzn. bílý vodík (vzniklý jako vedlejší produkt k dalším chemickým reakcím).
Pokud je vodík vyráběn elektrolýzou vody a využitá elektřina pochází z obnovitelných zdrojů, tak je tento vodík nazýván zeleným. Zelený vodík je bezemisní a má největší potenciál v otázce omezování emisí skleníkových plynů. Při elektrolýze vody dochází v roztoku ke štěpení chemické vazby mezi vodíkem a kyslíkem za vzniku plynného vodíku a kyslíku. V současnosti se celková účinnost pohybuje okolo 50 – 60 % v závislosti na využití technologie elektrolyzéru. Na výrobu 1 kg vodíku je potřeba cca 9 l vody a cca 50 kWh elektrické energie.
Existují ještě další způsoby výroby vodíku, které je možné v odborné literatuře najít. V současnosti se hovoří o potenciálu výroby vodíku v nově vyvíjených jaderných reaktorech čtvrté generace za pomocí vysokoteplotní elektrolýzy vodní páry na článcích s pevnými oxidy.
Mimo to se vodík ještě klasifikuje do dalších ‚‚barev‘‘ na základě zdroje, z kterého je vyroben. Můžeme tak dále objevit hnědý vodík (vyráběn zplynováním uhlí) nebo tyrkysový vodík (vyráběn ze zemního plynu, ale vedlejším produktem je uhlík v pevném skupenství).
Jak se vodík vyrábí v ČR a jaký je u nás potenciál výroby zeleného vodíku?
Co je to elektrolýza vody?
Elektrolýza je proces, při kterém stejnosměrný elektrický proud štěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem ve vodném roztoku.
2 H2O → 2 H2 + O2
Velmi čistý vodík následně vzniká na katodě v plynné podobě, odkud je odváděn a následně skladován Nesmíme zapomínat ani na vývoj kyslíku na anodě, bez kterého by tato technologie nemohla fungovat, protože nemůžeme provádět reakci pouze na jedné elektrodě. Proces je možné provozovat i za pokojové teploty a je k němu potřebná pouze elektrická energie. Účinnost současných komerčních elektrolyzéru využívaných pro výrobu vodíku se pohybuje okolo 50 – 75 %.
Jaké máme typy elektrolyzérů?
Nejlevnější a v současnosti nejvíce komerčně rozvinutou je technologie alkalické elektrolýzy. Z hlediska atraktivnosti a technických vlastností se pro výrobu zeleného vodíku z přebytků obnovitelných zdrojů energie v současnosti nejvíce hodí technologie PEM pro její rychlé možnosti spuštění a relativně nízkou provozní teplotu. Nevýhodou PEM elektrolyzérů je jejich vyšší cena, která je dána zejména využíváním dražších materiálů při výrobě, jakými je iridium a platina společně s vysokou cenou membrány.
Kolik vody se při elektrolýze spotřebuje?
Na výrobu 1 kg vodíku a 8 kg kyslíku je potřeba 8,92 litrů demineralizované vody tzn. vody zbavené všech přítomných minerálů (ještě čistší než destilovaná voda). V praxi se ale celková spotřeba vody na 1 kg pohybuje mezi 20 - 30 litry.
Současné průmyslové procesy zpracování ropy používají o cca 40 % více vody, než je využito během její elektrolýzy. Při opětovném využití vodíku v palivovém článku navíc získáte zpět podobné množství vody, jako jste do procesu vložili.
Jakou vodu lze při elektrolýze použít?
Například proces desalinizace stojí dnes okolo 0,8 eur na 1 m3 vody. Pokud bychom přepočítali tento proces na produkci vodíku, stojí výroba vodíku z mořské vody o 0,007 eur více za 1 kg vodíku.
Skladování vodíku
Jak je možné skladovat vodík?
V současnosti se jako nejslibnější a také jako komerčně nejvyspělejší technologie pro skladování vodíku uvádí stlačování vodíku v plynném skupenství. Takto uchovaný vodík je nutné skladovat ve vhodných nádobách, kvůli velmi malé velikosti molekuly. Moderní zásobníky jsou již vyrobeny z mimořádně pevných a neprodyšných materiálů, které umožňují bezpečné uskladnění s minimálními ztrátami uloženého vodíku (méně než 1 % ročně). Oproti konkurenčním možnostem skladování vodíku má stlačování plynného vodíku nejméně nevýhod.
Stacionárně je vodík skladován ve velkoobjemových ocelových tlakových nádobách v plynném skupenství. Pro stlačení vodíku na 350 barů je potřeba cca 15 – 20 % energie v palivu. Druhou možností je převádět vodík do kapalného skupenství. Nevýhodou tohoto postupu nicméně je, že je potřeba vodík v této formě udržovat při teplotě -253 °C v kryogenních skladovacích zásobnících. Při jeho manipulaci a využívání následně dochází k únikům, které se dějí následkem vypařování vodíku, který se takto chová při vyšší teplotě než -253 °C. Pouze na samotné zkapalnění je potřeba až 30 – 40 % celkově obsažené energie v palivu.
Aplikace vodíku v mobilitě
Co jsou to palivové články?
Tato technologie se také občas nazývá reverzní elektrolýzou, protože dochází k opačným dějům než při elektrolýze vody. Průměrná účinnost palivových článků se pohybuje mezi 50 – 60 %. Z 1 kg vodíku je tak palivový článek schopen vyrobit cca 16 kWh elektřiny.
Jak fungují palivové články v elektromobilech?
Jak se odlišuje bateriový elektromobil od toho s palivovým článkem?
Automobil s palivovým článkem (FCEV) je také elektromobil. Součástí auta je baterie, elektromotor a palivový článek společně s nádrží na vodík.
Na rozdíl od bateriového elektromobilu (BEV) mají elektromobily s palivovým článkem (FCEV) malou baterii s kapacitou řádově v jednotkách kWh. Elektřina vzniklá z palivových článků se ukládá do baterie, ze které si následně elektromotor bere přímo elektřinu. Účinnost takového systému je kvůli přidání palivového článku do celého procesu nižší než u čistě bateriového systému cca o 40 – 50 %, přesto je celý proces energeticky účinnější než v případě spalovacího motoru.
Jak se vodíkový elektromobil tankuje?
Celý systém funguje vysoce automaticky a po zacvaknutí plnicí pistole se systém uzavře a zamkne. Není tedy možné, aby vodík z plnící stanice unikal do okolí. Po natankování následně plnící pistoli jednoduše „vycvaknete“, zaplatíte a jedete dál.
Kolik máme plnicích stanic v ČR?
V současné chvíli není otevřená žádná veřejně přístup plnicí stanice v ČR. Jedna plnicí stanice, která je ale využívána zejména pro výzkumné účely stojí v Neratovicích. V přípravě jsou nicméně pro rok 2021 celkem tři, které bude spravovat společnost Unipetrol – v Litvínově, Praze a Brně.
Národní akční plán pro čistou mobilitu předpokládá, že by do roku 2030 mělo v ČR fungovat celkem 80 veřejně přístupných vodíkových plnicích stanic
Jak funguje vodíkový elektromobil v chladném počasí?
Účinnost celého automobilu je v zimních podmínkách lepší než v případě bateriových elektromobilů, protože vodíkový elektromobil nepotřebuje topit vyráběnou elektřinou, ale dokáže pracovat s odpadním teplem vzniklým při fungování palivových článků. Bateriovému elektromobilu naproti tomu v zimě klesá účinnost zhruba na úroveň FCEV, který si zachovává svou účinnost i za nízkých teplot.
Nemůže odpadní voda v systému vodíkového elektromobilu zamrznout?
Systémy palivových článků a odvod vody je v současnosti navržen tak, aby k zamrznutí vody v celém systému auta nemohlo dojít.
Vývojáři vodíkového elektromobilu Hyundai Nexo například garantují, že jejich systém funguje bez jakéhokoliv problémů v rozmezí -30 až +50 °C.
Je bateriová elektromobilita lepším řešením pro dopravu než palivové články?
Dálková nákladní doprava: Vodík nabízí v současnosti větší potenciál pro přepravu zboží na delší vzdálenosti. I přes hypotetickou technologickou evoluci baterií (baterie s pevným elektrolytem) je nepravděpodobné, že do deseti let bude možné do baterií dobít takové množství energie, aby bylo možné bez větších problémů využít zvýšenou kapacitu k dojezdům nad 1000 km. Současné baterie jsou navíc velmi těžké a i při dvojnásobném navýšení energetické hustoty ze současných 260 Wh na 1 kg baterie na 500 Wh na 1 kg, byste stále potřebovali pro vzdálenou přepravu nad 1000 km baterii o minimální kapacitě 1,5 MW baterii o váze 3 tuny. Problémem je také dobíjení takto markantního množství elektrické energie. Jaký příkon by potřebovaly dobíječky pro dobití 1,5 MW přes noc mezi jednotlivými směnami? Při hypotetické představě 20 takových kamionů stojících na parkovišti v řadě se dostáváme do čísel, kvůli kterým už není možné postavit pouze silnější trafostanici, ale rovnou malou elektrárnu v blízkosti takovýchto dobíječek. Už jen z toho důvodu je nasnadě uvažovat nad tím, abychom elektřinu změnili v jiný, jednoduše skladovatelný energetický nosič, který můžeme vyrábět kontinuálně z obnovitelných energetických zdrojů. Vodík můžeme do nákladního auta dopravit i výrazně rychleji a neohrožovali bychom tím stabilitu přenosové soustavy v době dobíjení/tankování. Vodík tak nabízí v současnosti větší potenciál pro přepravu zboží na delší vzdálenosti.
Nákladní doprava ve městech: Ve městech může naopak bateriová elektromobilita hrát výraznější roli pro svou vysokou účinnost a nízké náklady. Baterie se skvěle hodí do městského provozu, kde operátoři nepotřebují vysoký dojezd. Výhoda celého řešení je navíc podpořena nízkými provozními náklady a vysokou účinností díky rekuperaci energie a nízkým rychlostem přepravy.
Osobní automobilová doprava: Trh s BEV (bateriová elektrická vozidla) je v současnosti již relativně rozvinutým trhem. Každým rokem v něm navíc probíhá výrazný pokrok směrem k dosažení jízdních vlastností spalovacích aut (dojezd, rychlost dobíjení). BEV jsou ideálním řešením pro standardní denní ježdění a nabíjení doma ze zásuvky. BEV nabízejí dnes již slušný dojezd v řádech 400 km, jsou vysoce účinné a lokálně bezemisní. Zejména pro městskou dopravu pak v současnosti ani v blízké budoucnosti nebude pro BEV existovat rovnocenný konkurent. Osobní vozidla s palivovými články (FCEV) naproti tomu nemohou v některých oblastech BEV konkurovat, přesto je jejich uplatnění možné, a to zejména s přihlédnutím k jejich specifickým vlastnostem. Nabízejí vyšší a stabilnější dojezd, a to i při vyšších rychlostech, zejména na dálnicích pak jsou svými vlastnostmi podobná spalovacím motorům z hlediska dojezdu. FCEV mohou být také vhodnou alternativou pro řidiče, kteří žijí v hustě osídlené zástavbě bez adekvátních možností dobíjení doma ze zásuvky. Rozvoji FCEV nicméně zatím brání velké pořizovací náklady a nedostatečná infrastruktura plnících stanic, které jsou navíc v porovnání s výstavbou dobíjecích míst výrazně dražší.
Autobusová doprava: Pro městskou dopravu s nájezdy v řádech desítek kilometrů je nejúčinnějším řešením bateriový autobus, podobně jako v případě městské nákladní dopravy. Vodíkové autobusy mají větší potenciál zejména v meziměstské a dálkové dopravě, neboť nabízí stabilnější a vyšší dojezd.
Vlaková doprava: Vodík má potenciál nahradit dieselovou vlakovou dopravu v částech zemí, kde neexistuje elektrifikovaná železnice. Pilotní projekty již dnes fungují po celém světě, jmenovitě například ve Francii, která plánuje od roku 2023 testovat vlaky na vodík. Podobně jako v České republice, kde by mohly vodíkové vlaky brázdit koleje zejména v severní části Čech.
Jak těžké jsou nádrže na uchování vodíku v automobilech?
Při hypotetickém uchování 4,2 kg stlačeného vodíku při tlaku 700 barů potřebujeme v automobilech nádrž, která váží okolo 135 kg. Nádrže jsou v současnosti vyráběny z vyztužených uhlíkových vláken.
V porovnání s vozidlem spalujícím benzín má vodíková nádrž 4 – 5x vyšší objem a 10x vyšší hmotnost.
Nemohl by být vodík zkapalněn a následně natankován jako standardní benzín?
Působení tepla na palivovou nádrž může být způsobeno okolním prostředím, teplem odcházejícím z motoru a dalšími aspekty. Dochází tak k velkým ztrátám (obvykle cca 3 % uložené energie za den) a zároveň se v palivových nádržích buduje nadbytečný tlak, který je pak následně nutný kompenzovat jeho upouštěním z palivové nádrže.
Je vodík bezpečný?
Všechny paliva obsahují vysokou koncentraci energie a mohou tak být za určitých podmínek nebezpečná. Vodík lze však považovat jako podobně bezpečný nebo dokonce bezpečnější než každé jiné palivo. Vodíkové nádrže jsou testovány kromě standardních crashtestů také tak, aby odolaly střelbě z odstřelovací pušky. Nádrže dokážou odolat dvojnásobnému tlaku, než kterého bude za standardních podmínek dosaženo. Podobně bezpečné jsou i plnicí stanice, které mají celou řadu systémů zaměřující se na bezpečnost při práci s vysokým tlakem.
Výhodou v bezpečnosti použití vodíku je i jeho velmi nízká hustota, kdy při proražení nádrže dojde k jeho rychlému stoupání, proto se neakumuluje v blízkosti nehody. Při požáru tak dojde k tvorbě plamene, který bude stoupat kolmo vzhůru a nedojde tak k požáru vozidla jako je tomu u kapalných fosilních paliv.
Výroba vodíku probíhá již desítky let a nedochází při ní prakticky k žádným mimořádným tragédiím. Vodík je také mimo jiné plyn, který není zdraví škodlivý, nemusíte se tak bát jeho úniku. Systémy v moderních vodíkových elektromobilech jsou navíc vyvíjeny tak, aby se v případě havárie uzavřely a nemohlo tak dojít k náhlému vzplanutí.
Ekonomika vodíku
Kolik stojí vyrobit 1 kg vodíku?
Cena se odvíjí zejména v závislosti na způsobu výroby. Pro výrobu zeleného vodíku je navíc nezbytné ještě počítat s rozdílnou cenou v jednotlivých částech světa podle toho, kolik stojí výroba elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Podle Mezinárodní agentury pro energii se cena výroby vodíku pohybuje v těchto číslech:
Parní reforming zemního plynu 1-3,5 $/kg
Zplynování uhlí 1,2 – 2,2 $/kg
Elektrolýza vody 3 – 7,5 $/kg
Kolik stojí 1 kg vodíku na plnicích stanicích?
Pro koncového uživatele je v současnosti v Německu (kde se nachází nejvíce plnicích stanic) cena vodíku za 1 kg stanovena na 9,5 eur. Při přepočtu na kilometry a průměrnou spotřebou 1 kg na 100 km vás 1 km ve vodíkovém elektromobilu vyjde na ~2,47 Kč.
V porovnání s konvenčními palivy je vodíkový elektromobil v současnosti dražší na provoz. Cena by se ale do budoucna s narůstající výrobou měla snižovat. Naplnění plné nádrže vozu Hyundai Nexo (6,3 kg) s udávaným dojezdem 666 km by vás dnes vyšlo na cca 1550 Kč.
Jak bude docíleno snížení ceny v následujících 10 letech?
Vodíková ekonomika nebude dostatečně rozvinuta bez pomoci státních subvencí. Aby došlo k snížení ceny, je potřeba investovat do výroby. V následujících letech bude v Evropě převažovat podpora nízkoemisního a bezemisního (zeleného vodíku), cílem je do roku 2030 postavit 40 GW elektrolyzérů uvnitř EU a podpořit výstavbu dalších 40 GW elektrolyzérů za hranicemi pro navýšení importu. Kromě navýšení kapacit výroby dojde k snížení ceny zeleného vodíku také technologickým pokrokem a zvyšováním účinnosti samotných elektrolyzérů.