Vodík v centru pozornosti

Má to ale i nevýhody – výroba není jednoduchá, doprava může být obtížná a neefektivní, a proto skutečné přínosy pro udržitelnost nejsou vždy jednoznačné.

Zde se podíváme na některé z nejslibnějších vodíkových technologií, jejich první uživatele, rostoucí aplikace, metody přepravy a skladování a regulační prostředí, spolu s vládními investicemi do vodíku.

Technologie výroby vodíku

Vodík je jedním z nejhojnějších prvků na Zemi. Často je však obsažen ve sloučeninách – jako je voda – které vyžadují procesy, aby se k němu dostal. Mezi klíčové procesy patří:

Elektrolýza

Elektrolýza je proces štěpení vody na vodík a kyslík pomocí elektřiny. Tato metoda, zejména pokud je poháněna obnovitelnými zdroji energie, jako je vítr nebo slunce, produkuje to, co je známé jako zelený vodík. Společnosti jako Siemens a ITM Power zdokonalují technologii elektrolýzy, zvyšují účinnost a snižují náklady.

Na první pohled to zní dobře, ale s prováděním tohoto postupu ve velkém měřítku jsou spojeny značné problémy.

Mezi klíčové problémy s výrobou zeleného vodíku patří:

1. Energetická účinnost: Současné elektrolyzéry mají účinnost 60–70 % s významnými energetickými ztrátami. Zlepšení technologie katalyzátorů a membrán je zásadní. Spoléhání se na obnovitelné zdroje energie, které jsou nepravidelné, také představuje výzvy.
2. Náklady: Vysoké počáteční kapitálové náklady a průběžné provozní náklady brání širokému přijetí. Pro snížení těchto nákladů je zapotřebí pokrok v technologiích a úspory z rozsahu.
3. Materiály a zdroje: Elektrolyzéry používají vzácné materiály, jako je platina a iridium. Výzkum alternativních katalyzátorů stále probíhá. Poptávka po vodě, ačkoli je malá, vyžaduje udržitelné hospodaření.
4. Infrastruktura: Integrace elektrolyzérů do elektrické sítě a rozvoj distribuční a skladovací infrastruktury představují významné překážky. Přeprava a skladování vodíku vyžaduje značné investice do potrubí, nádrží a dalších technologií.
5. Environmentální problémy: Celý životní cyklus výroby vodíku musí být environmentálně udržitelný. Zvýšená poptávka po obnovitelné energii pro výrobu vodíku by neměla vést k oživení fosilních paliv.
6. Technologický pokrok: Alkalické, PEM a SOEC elektrolyzéry čelí jedinečným výzvám. Zlepšení účinnosti, nákladů a trvanlivosti je zásadní. Integrace elektrolyzérů s variabilními obnovitelnými zdroji energie vyžaduje hybridní systémy a pokročilé technologie.
7. Ekonomický a politický rámec: Rozvoj stabilního trhu s vodíkem a podpůrné vládní politiky je zásadní. Dotace, daňové úlevy a mezinárodní spolupráce mohou podpořit výzkum, vývoj a zavádění vodíku.

Řešení těchto výzev je zásadní pro to, aby se vodíková elektrolýza stala životaschopným řešením pro výrobu zeleného vodíku ve velkém měřítku a podpořila přechod k nízkouhlíkové energetické budoucnosti.

Parní reforming metanu (SMR) se zachycováním a ukládáním uhlíku (CCS)

Parní reforming metanu zahrnuje reakci mezi metanem (CH₄) a párou (H₂O) při vysokých teplotách za vzniku vodíku (H₂), oxidu uhelnatého (CO) a určitého množství oxidu uhličitého (CO₂).

SMR je vysoce účinná metoda, s celkovou účinností obvykle v rozmezí 65 % až 75 %. Je to také vyspělá a dobře pochopená technologie, což z ní činí nejběžnější metodu průmyslové výroby vodíku. Infrastruktura a odborné znalosti pro SMR jsou široce dostupné. Ve srovnání s jinými metodami výroby vodíku je SMR také relativně nákladově efektivní, zejména tam, kde je zemní plyn hojný a levný.

Takže zatímco SMR má nepochybně pozitiva, související emise oxidu uhličitého a závislost na fosilních palivech představují značné výzvy.

Integrace CCS by mohla pomoci snížit dopad na životní prostředí, čímž by se SMR stalo životaschopným přechodným řešením, jelikož se svět posouvá směrem k udržitelnějším metodám výroby vodíku.

Tato metoda výroby je však určena pouze k přechodné technologii využívající stávající infrastrukturu zemního plynu.

Palivové články s pevným oxidem (SOFC)

Palivové články na tuhé oxidy (SOFC) přeměňují vodík na elektřinu elektrochemickým procesem, což je vhodné pro stacionární výrobu energie.

SOFC jsou vysoce účinná zařízení, která vyrábějí elektřinu reakcí vodíku nebo uhlovodíků s kyslíkem při vysokých teplotách (600 °C až 1,000 50 °C) za použití pevného keramického elektrolytu. Nabízejí výhody, jako je vysoká elektrická účinnost (60–XNUMX %), flexibilita paliva (vodík, zemní plyn, bioplyn) a dlouhodobá stabilita. Čelí však výzvám, jako je degradace materiálu, dlouhé doby spouštění, problémy s tepelným řízením a vysoké náklady v důsledku drahých materiálů a výrobních procesů.

SOFC jsou vhodné pro stacionární výrobu energie, průmyslové aplikace a pro dálkovou nebo námořní výrobu energie, a to díky své vysoké účinnosti a schopnosti využívat odpadní teplo. Pro širší přijetí je nezbytné překonat technické a ekonomické bariéry prostřednictvím pokroku v materiálech a výrobních technikách. Navzdory současným výzvám představují SOFC významný příslib pro udržitelnou energetickou budoucnost se sníženými emisemi skleníkových plynů.

Společnosti jako Bloom Energy jsou lídry ve vývoji SOFC a nabízejí efektivní a škálovatelná energetická řešení pro průmyslové a komerční využití.

První uživatelé a rostoucí aplikace

DOPRAVA

Osobní automobily / Vozidla na vodíkové palivové články (FCV)

Vodíková vozidla s palivovým systémem (FCV) jsou v popředí raného zavádění. Společnosti jako Toyota (Mirai) a Hyundai (Nexo) vyrábějí komerčně dostupné modely osobních automobilů poháněných vodíkem. Tato vozidla nabízejí delší dojezd a rychlejší doplňování paliva ve srovnání s bateriovými elektromobily (BEV). I když počet čerpacích stanic pomalu roste, zatím nejsou rozšířená.  

Zejména Toyota se držela své vize širokého využití vodíkových automobilů: to částečně vysvětluje, proč zaostávala ve vývoji portfolia elektromobilů.

Těžká přeprava

Vysoká energetická hustota vodíku a rychlé doplňování paliva ho činí ideálním pro těžká vozidla, jako jsou nákladní automobily, autobusy a vlaky. 

Mezi klíčové pokroky patří vodíkové nákladní vozy Nikola Motors s dojezdem až 500 km a nákladní vozy Hyundai XCIENT Fuel Cell v Evropě. Evropská města a Čína zavádějí vodíkové autobusy, zatímco v Německu jezdí vodíkový vlak Coradia iLint od společnosti Alstom. Námořní sektor vyvíjí lodě na vodíkový pohon, jako jsou trajekty společnosti Norled v Norsku, s cílem dosáhnout dopravy s nulovými emisemi. 

Růst vodíkových čerpacích stanic pro nákladní automobily se celosvětově zrychluje. Severní Amerika a Evropa rozšiřují své sítě, přičemž významné projekty od společností jako Nikola Motors a vládní iniciativy ve městech zahrnují zavádění vodíkových autobusů, čímž je zajištěna pohodlná a rozsáhlá infrastruktura pro doplňování paliva.

 Průmyslové aplikace

Vodík by teoreticky mohl být použit v mnoha průmyslových a chemických výrobních procesech. Relativní obtížnost jeho výroby, přepravy a skladování však znamená, že často nepředstavuje praktickou ani nákladově efektivní alternativu k tradičním fosilním palivům, jako je uhlí.

Výroba oceli

Ocelářský průmysl, významný producent emisí CO2, zkoumá redukční procesy na bázi vodíku pro výrobu zelené oceli. Společnosti jako SSAB ve Švédsku jsou v tomto přístupu průkopníky a jejich cílem je nahradit uhlí vodíkem.

Společnost SSAB ve spolupráci s LKAB a Vattenfall vede iniciativu HYBRIT (Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology). Cílem HYBRIT je nahradit uhlí v procesu výroby oceli vodíkem, který místo CO₂ produkuje vodu. Pilotní závod společnosti SSAB ve švédské Luleå již vyrobil první na světě vodíkem redukovanou železnou houbu.

I další společnosti, převážně v Evropě, experimentují s vodíkem namísto tradičních fosilních paliv.  

Společnost Salzgitter AG vyvíjí projekt SALCOS (Salzgitter Low CO₂ Steelmaking) s cílem dekarbonizovat výrobu oceli. Tato iniciativa zahrnuje využití vodíku pro přímou redukci železné rudy. Salzgitter navázala partnerství se společností Sunfire GmbH, aby využila jejich technologii vysokoteplotní elektrolýzy k výrobě zeleného vodíku.

Společnost ArcelorMittal zkoumá několik projektů založených na vodíku ke snížení emisí CO₂. V německém Hamburku testují zařízení na přímou redukci, které využívá vodík k výrobě přímo redukovaného železa (DRI). Tento pilotní projekt si klade za cíl demonstrovat proveditelnost vodíku jako redukčního činidla při výrobě oceli.

Společnost Tata Steel pracuje ve svém závodě v IJmuidenu na projektu HIsarna, jehož cílem je snížit emise CO₂ integrací vodíku do procesu výroby oceli. Projekt se zaměřuje na přeměnu železné rudy na železo pomocí vodíku namísto materiálů na bázi uhlíku.

Společnost Thyssenkrupp rozvíjí svůj projekt Carbon2Chem, který zahrnuje využití vodíku k výrobě oceli. Cílem projektu je zachycovat a přeměňovat emise z výroby oceli na chemikálie s využitím vodíku jako klíčové složky. Společnost Thyssenkrupp také plánuje výstavbu závodu na přímou redukci na bázi vodíku v Duisburgu.

Chemický průmysl

Zelený vodík, vyráběný elektrolýzou poháněnou obnovitelnými zdroji energie, transformuje výrobu amoniaku a methanolu, klíčových chemikálií s významným průmyslovým využitím.

Tradičně se amoniak vyrábí Haber-Boschovým procesem za použití vodíku získaného ze zemního plynu, což vede k značným emisím CO₂. Použitím zeleného vodíku se tento proces kombinuje s dusíkem ze vzduchu za vzniku amoniaku bez emisí CO₂. Tento zelený amoniak je nezbytný pro hnojiva a jako potenciální nosič energie bez emisí uhlíku.

Methanol se obvykle vyrábí ze syntézního plynu (směs vodíku, oxidu uhelnatého a CO₂) získaného ze zemního plynu nebo uhlí, přičemž také uvolňuje značné množství CO₂. Zelený vodík v kombinaci se zachyceným CO₂ může hydrogenací produkovat methanol, čímž vzniká methanol a voda. Zelený methanol slouží jako chemická surovina a palivo s mnohem nižší uhlíkovou stopou.

Zejména společnosti Yara International a Siemens-CF Industries rozvíjejí projekty zeleného amoniaku. A islandská společnost Carbon Recycling International (CRI) vyrábí obnovitelný metanol s využitím zeleného vodíku a CO₂.

Ostatní odvětví

Kromě oceli a chemikálií se vodík zkoumá v různých průmyslových procesech za účelem snížení emisí a zvýšení udržitelnosti:

1. Výroba cementu: Vodík může nahradit uhlí a zemní plyn v cementářských pecích a snížit tak emise CO₂.
2. Výroba skla: Vodík slouží jako čisté palivo pro vysokoteplotní pece.
3. Rafinerie: Přechod na zelený vodík pro hydrokrakování a odsiřování může snížit emise.
4. Potraviny a nápoje: Vodík pohání trouby a kotle, čímž se snižuje spotřeba fosilních paliv.
5. Textil a papír*: Vodík nabízí čistší alternativu pro vytápění a výrobu páry.
6. Těžební provoz: Vodíkové palivové články pohánějí těžké stroje a snižují dopad na životní prostředí.
7. Výroba elektroniky: Zelený vodík se používá při výrobě polovodičů.
8. Doprava a logistika: Vodíkové palivové články pohánějí nákladní automobily, autobusy, vysokozdvižné vozíky a manipulační zařízení.

Tento vývoj ukazuje potenciál vodíku dekarbonizovat různá odvětví s vysokými emisemi, ale zůstává nákladnější a méně praktickou možností než současný stav.

Skladování energie a výroba energie

Skladování energie v mřížkovém měřítku

Vodík může stabilizovat elektrickou síť tím, že ukládá přebytečnou energii z obnovitelných zdrojů a uvolňuje ji během špičkové poptávky. 

Během období přebytku výroby obnovitelné energie elektrolyzéry využívají tuto přebytečnou elektřinu k rozkladu vody na vodík a kyslík. Vodík se poté ukládá jako stlačený plyn, kapalný vodík nebo v chemických sloučeninách. Když poptávka převyšuje nabídku, uložený vodík se přeměňuje zpět na elektřinu pomocí palivových článků nebo spalovacích turbín. 

Palivové články vyrábějí elektřinu kombinací vodíku a kyslíku, zatímco spalovací turbíny spalují vodík k výrobě energie. Tento proces pomáhá vyvažovat nabídku a poptávku, poskytuje spolehlivý záložní zdroj energie a napomáhá regulaci frekvence. 

Systémy pro skladování vodíku jsou škálovatelné a dokáží ukládat energii po dlouhou dobu, což je činí ideálními pro integraci s obnovitelnými zdroji energie a zvýšení stability sítě. Tento přístup podporuje spolehlivější a udržitelnější energetický systém tím, že zajišťuje konzistentní dodávky energie navzdory proměnlivosti obnovitelných zdrojů energie.

Projekty jako evropský HyDeploy si kladou za cíl integrovat vodík do sítí zemního plynu s využitím stávající infrastruktury.

Záložní napájecí systémy

Vodíkové palivové články nabízejí spolehlivý a čistý záložní zdroj energie pro kritickou infrastrukturu, jako jsou datová centra. Poskytují nepřetržitý zdroj energie, dokud je dodáván vodík, a mohou se rychle spustit, aby zajistily okamžitou zálohu během výpadků. 

Palivové články, které vyrábějí elektřinu elektrochemickou reakcí, emitují pouze vodu a teplo, což je činí šetrnými k životnímu prostředí a snižují uhlíkovou stopu, zejména při použití zeleného vodíku.

Palivové články jsou vysoce účinné, modulární a škálovatelné, což jim umožňuje splňovat specifické energetické potřeby a zároveň nabízet nízkou údržbu a tichý provoz. Výroba a skladování vodíku na místě zvyšují energetickou bezpečnost, poskytují nezávislost na rozvodné síti a zajišťují stabilní dodávky paliva. 

Díky zavedení vodíkových palivových článků mohou datová centra dosáhnout spolehlivého a nepřerušovaného napájení, snížit emise a přispět k cílům udržitelnosti, což z nich činí atraktivní alternativu k tradičním dieselovým generátorům.

Společnosti jako Microsoft experimentují s vodíkovými palivovými články pro svá datová centra.

Skladování a přeprava vodíku

Skladování

Skladování vodíku je nezbytné pro jeho využití jako nosiče energie, zejména pro integraci obnovitelných zdrojů energie, dopravu a průmyslové procesy. Efektivní řešení skladování musí řešit problémy s hustotou energie, náklady, bezpečností a infrastrukturou. Mezi hlavní metody skladování vodíku patří:

Skladování stlačeného plynu

Vodík se skladuje ve vysokotlakých nádržích (350 až 700 barů). Tato vyspělá technologie je široce používána, zejména ve vozidlech s vodíkovými palivovými články (FCV). I když je relativně přímočará, hustota energie je ve srovnání s jinými metodami nižší, což vyžaduje větší skladovací objemy. Skladování pod vysokým tlakem také vyžaduje pevné a odolné materiály, což zvyšuje náklady.

Skladování kapalného vodíku

Vodík se ochladí na -253 °C a skladuje se jako kapalina v izolovaných nádobách. Tato metoda nabízí vyšší hustotu energie, díky čemuž je vhodná pro aplikace s omezeným prostorem, jako je letecký průmysl. Udržování kryogenních teplot však vyžaduje značné množství energie a specializovanou izolaci, což zvyšuje složitost a náklady. V průběhu času také dochází ke ztrátám v důsledku varu.

Skladování chemikálií

Vodík lze skladovat v chemických sloučeninách, jako jsou hydridy kovů, amoniak nebo kapalné organické nosiče vodíku (LOHC). Hydridy kovů poskytují vysokou objemovou hustotu energie a bezpečnost, ale uvolňují vodík pomalu. Amoniak má vysokou hustotu energie a zavedenou infrastrukturu, ale je toxický a korozivní. LOHC nabízejí bezpečnou manipulaci a využívají stávající infrastrukturu, ale k uvolňování vodíku vyžadují energeticky náročné procesy.

Podzemní úložiště

Vodík lze skladovat v podzemních jeskyních, solných dómech nebo vyčerpaných polích zemního plynu. Tato metoda je nákladově efektivní pro velké objemy a vhodná pro skladování v rozvodné síti, ale vyžaduje vhodné geologické formace a představuje riziko úniku a kontaminace.

Advanced Materials

Výzkum pokročilých materiálů, jako jsou metalo-organické struktury (MOF) a materiály na bázi uhlíku, stále probíhá. Tyto materiály by mohly nabídnout vysokou skladovací kapacitu při nízkých tlacích a okolních teplotách, ale stále jsou ve fázi výzkumu a čelí výzvám v oblasti škálovatelnosti a nákladů.

Potrubí

Vodík lze přepravovat stávajícími plynovody na zemní plyn s úpravami nebo novými specializovanými vodíkovými plynovody. Projekty jako European Hydrogen Backbone navrhují vytvoření transevropské vodíkové sítě do roku 2040.

Cisternové vozy

Na kratší vzdálenosti lze vodík přepravovat ve stlačené nebo zkapalněné formě pomocí cisternových vozů. Tato metoda se v současnosti používá pro průmyslové zásobování vodíkem.

Přeprava

Pro mezinárodní přepravu se vyvíjí přeprava kapalného vodíku. Společnost Kawasaki Heavy Industries uvedla na trh první přepravce zkapalněného vodíku na světě s názvem Suiso Frontier, který usnadňuje obchod s vodíkem ve velkém měřítku.

Nové metody

Objevují se také novější možnosti dopravy, často současně s přepravou klíčových materiálů v průmyslových procesech.

Například vodík může být zabudován do železné rudy pro přepravu do oceláren. To zahrnuje použití vodíku k redukci železné rudy na přímo redukované železo (DRI), což výrazně snižuje emise oxidu uhličitého při výrobě oceli. Tato metoda nahrazuje uhlík v redukčním procesu vodíkem, čímž vzniká vodní pára místo oxidu uhličitého. DRI, obsahující zabudovaný vodík, se poté přepravuje do ocelářských závodů k dalšímu zpracování pomocí elektrických obloukových pecí (EAF), které mohou být poháněny obnovitelnou energií. Tento přístup dekarbonizuje ocelářský průmysl, využívá stávající logistiku pro železnou rudu a podporuje využívání zeleného vodíku.

Regulační problémy

Bezpečnostní normy

Hořlavost vodíku vyžaduje přísné bezpečnostní normy pro výrobu, skladování a přepravu. Regulační orgány, jako je Mezinárodní organizace pro normalizaci (ISO) a Ministerstvo energetiky USA (DOE), vyvíjejí bezpečnostní pokyny pro zajištění bezpečné manipulace.

Rozvoj infrastruktury

Regulační rámce musí podporovat rozvoj infrastruktury, včetně potrubí, čerpacích stanic a skladovacích zařízení. Zásadní jsou politiky podporující partnerství veřejného a soukromého sektoru a zefektivnění povolovacích procesů.

Pobídky a dotace

Vlády zavádějí pobídky, jako jsou daňové úlevy, granty a dotace, na podporu přijetí vodíku. Například Zelená dohoda Evropské unie zahrnuje značné financování vodíkových projektů.

Vládní investice

Evropa

Evropská unie je lídrem v investicích do vodíku a jejím cílem je do roku 40 instalovat elektrolyzéry s výkonem 2030 GW. Země jako Německo, Francie a Nizozemsko mají rozsáhlé národní vodíkové strategie a investují miliardy do výzkumu, infrastruktury a pilotních projektů.

Asie

Japonsko a Jižní Korea jsou průkopníky v oblasti vodíkových ekonomik. Japonská základní vodíková strategie se zaměřuje na společnost založenou na vodíku s investicemi do vozidel na palivové články a výroby vodíku. Jihokorejský plán vodíkové ekonomiky si klade za cíl do roku 5.26 nasadit 2040 milionu vodíkových vozidel.

Severní Amerika

USA zvyšují investice do vodíku a iniciativa Ministerstva energetiky USA s názvem Hydrogen Energy Earthshot si klade za cíl dosáhnout ceny vodíku 1 dolaru za kilogram do roku 2030. Kalifornie je v tomto ohledu v čele s rozsáhlou infrastrukturou pro tankování vodíku a pobídkami pro vodíková vozidla s palivovými články. Kanadská vodíková strategie se zaměřuje na výrobu zeleného vodíku a jeho exportní potenciál.

Ukazuje potenciál, prostor pro zlepšení…

Vodík je všestranná a slibná alternativa k fosilním palivům s aplikacemi v dopravě, průmyslových procesech a skladování energie. První uživatelé v automobilovém sektoru a odvětví těžké dopravy prokazují potenciál vodíku, zatímco průmyslové aplikace nabízejí významné příležitosti k dekarbonizaci. Efektivní řešení dopravy a skladování jsou pro úspěch vodíku zásadní a vyžadují pokrok v infrastruktuře a technologiích.

Regulační rámce a vládní investice jsou klíčové pro podporu zavádění vodíku. Díky robustním bezpečnostním normám, podpůrným politikám a značnému financování může vodík hrát klíčovou roli v dosahování globálních klimatických cílů. 

Ale – a to platí již dlouhou dobu – vodík nedokázal splnit svůj slib. 

S technologickým pokrokem a realizací úspor z rozsahu by se role vodíku v energetické transformaci měla dále rozšiřovat a nabízet udržitelnější cestu vpřed.