Jak se vodíková energie používá při výrobě elektřiny

Výroba elektřiny pomocí vodíku probíhá hlavně dvěma způsoby: palivovými články a spalovacími turbínami upravenými pro použití vodíku. Technologie palivových článků vyrábí energii elektrochemickými procesy a v kombinaci se systémy rekuperace tepla může dosáhnout účinnosti přibližně 60 %. Mnohé stávající spalovací turbíny původně postavené pro provoz na zemní plyn nyní dokážou zpracovávat směsi vodíku nebo dokonce čistý vodík, což poskytuje provozovatelům sítě potřebnou flexibilitu pro udržení stabilního dodávání elektřiny. Výroba zeleného vodíku spočívá v štěpení molekul vody pomocí obnovitelných zdrojů energie, jako je vítr a sluneční světlo, prostřednictvím procesu zvaného elektrolýza. Tento zelený vodík je následně uskladněn, dokud nedojde ke snížení dostupnosti obnovitelné energie, kdy může být opět převeden na elektrickou energii. Německo je příkladem, kde několik přímořských větrných elektráren již nyní vyrábí zelený vodík. Tyto projekty se podařilo snížit závislost na uhelných elektrárnách o přibližně 40 % v určitých testovacích oblastech, i když výsledky se liší v závislosti na místních podmínkách a konkrétní realizaci.

Integrace vodíku do stávajících elektrických sítí

Vodík přispívá k čistším elektrickým sítím a zároveň udržuje jejich stabilitu. Když je k dispozici přebytečná energie z obnovitelných zdrojů, vodík ji ukládá a následně ji uvolňuje v době špičkové poptávky. Například dánští pilotní projekty zjistili, že ukládání vodíku do solných dutin snižuje ztráty energie o 15 až 20 procent ročně. Vidíme, jak se objevují tyto hybridní systémy, kde solární elektrárny spolupracují s elektrolyzéry, i když pro hladkou integraci je zapotřebí velmi sofistikovaný systém řízení energie, protože energie v systému proudí oběma směry. Podívejte se na to, co dělá Kalifornie s projektem Renewable Hydrogen Backbone – tam skutečně používají vodík k udržení stability sítě během intenzivních vln tepla, které v poslední době tak znepokojují běžný provoz.

Studie případu: Elektrárny na bázi vodíku v Německu a Japonsku

Energiepark Mainz v Německu kombinuje 6 megawattový elektrolyzér se zdroji větrné energie a ročně tak vyrábí přibližně 200 tun vodíku. Toto zařízení dokáže díky svému palivovému článku o výkonu 1,4 MW dodávat elektřinu přibližně 2 000 domácnostem v případě výpadků napájení. Na druhé straně Tichého oceánu vyvinula Japonsko ještě větší projekt známý jako Fukushima Hydrogen Energy Research Field, nebo-li FH2R. S kapacitou 10 MW jde o největší zelenou vodíkovou elektrárnu na světě. Tato instalace nejenže napájí části Tokya, ale výzkumníci ji také využívají k experimentům s přepravou vodíku přes oceány. Tyto projekty se vyznačují působivou účinností kolem 95 %. Tuto vysokou výkonnost dosahují tím, že upravují množství produkovaného vodíku podle skutečné potřeby elektrické sítě v daném okamžiku.

Výzvy při škálování vodíku pro základní zatížení

Tři hlavní překážky omezují roli vodíku při základním zatížení:

• Náklady : Pořizovací náklady na elektrolyzéry jsou stále přibližně třikrát vyšší než u plynových turbín.
• Ztráty účinnosti : Cyklický proces přeměny elektřiny na vodík a zpět má energetickou ztrátu 30–35 %.
• Infrastruktura : Méně než 15 % celosvětových plynovodů může bezpečně přepravovat směsi vodíku nad 20 %.

Průmyslová rešerše z roku 2021 zdůraznila trvanlivost palivových článků a křehnutí potrubí jako klíčové oblasti výzkumu a vývoje, přičemž odhadla potřebu investic do infrastruktury ve výši 1,2 bilionu USD do roku 2040. Ačkoli vodík doplňuje obnovitelné zdroje energie, v současnosti mu chybí cenová konkurenceschopnost pro masivní nasazení jako základní zdroj.

Vodík pro vytápění: Dekarbonizace průmyslových a bytových systémů

Role vodíkové energie při dekarbonizaci vytápěcích systémů

Podle údajů IEA z minulého roku pochází přibližně 40 procent všech emisí CO2 ze spotřeby energie na celém světě z vytápění, a proto mnozí odborníci považují vodík za skutečnou změnu pravidel pro nahrazení fosilních paliv jak v průmyslových pecích, tak v domácích kotlích. Skutečnost, že vodík hoří při teplotách dosahujících téměř 2800 stupňů Celsia, ho činí obzvláště vhodným pro těžký průmysl, jako je výroba oceli. Některé testy s mikrosoustavami kombinované výroby tepla a elektřiny s palivovými články rovněž ukázaly působivé výsledky a dosáhly účinnosti kolem 90 procent při použití v soustavách dálkového vytápění. Zajímavé je, že vodík ve skutečnosti dobře funguje v přibližně 20 procentech stávajících plynovodů bez nutnosti jakýchkoli změn infrastruktury, což by mohlo výrazně urychlit rychlost šíření této technologie napříč různými odvětvími.

Míchání vodíku szemním plynem v potrubích

Míchání vodíku do stávajících plynových sítí nabízí přechodovou cestu:

Evropské zkoušky ukazují, že směsi s obsahem 20 % by mohly snížit emise o 6 milionů tun ročně při zachování bezpečného provozu. Vzhledem k nižší objemové hustotě energie vodíku však musí být průtoky při vyšších úrovních směsi zvýšeny o 15–25 %.

Pilotní projekty ve Spojeném království a Nizozemsku využívající vodík pro vytápění domácností

Program HyDeploy ve Spojeném království se podařilo smíchat vodík do plynového zásobení pro přibližně 300 domácností na úrovni asi 20 % a většina lidí s tím byla spokojena – zhruba 8 z 10 účastníků uvedlo, že jsou spokojeni. V Nizozemsku to pak bylo ještě zajímavější díky experimentu H2Stad, kde bylo 1 500 domácností úplně přepnuto na vodíkové kotle. Výsledky byly také velmi působivé, protože oproti běžným systémům na zemní plyn došlo ke snížení emisí souvisejících s vytápěním téměř o 90 %. I když tyto testovací programy ukazují, že vodík lze použít ve větším měřítku, existují i určité obavy, které stojí za zmínku. Testy materiálů naznačují, že pokud budou potrubí provozována výhradně plným vodíkem, může se jejich užitečná životnost zkrátit mezi 12 % až 18 %. To není skvělá zpráva, ale při vhodném plánování je to stále zvládnutelné.

Otázky efektivity a bezpečnosti při vytápění na bázi vodíku

Vodíkové kotle dosahují účinnosti přibližně 85 až 90 procent, což je o něco nižší hodnota ve srovnání s zemním plynem, který má účinnost kolem 94 %. U vodíku však platí, že se mnohem snadněji vznítí, protože k jeho zapálení stačí pouhých 0,02 mJ oproti 0,3 mJ u metanu. To znamená, že potřebujeme velmi spolehlivé systémy detekce úniku, schopné zachytit i nepatrné množství plynu, možná již při koncentraci okolo 1 %. Podle některých nedávných studií společnosti DNV z roku 2023 proniká vodík polyethylenovými trubkami přibližně 30krát rychleji než běžný plyn. Z tohoto důvodu budou pravděpodobně většina starších potrubních sítí vyžadovat instalaci speciálních kompozitních vložek. A neměli bychom zapomenout ani na řádné větrání. Pokud jsou budovy vhodně rekonstruovány, samotné toto opatření dokáže snížit riziko výbuchu až o 92 %.

Vodík v dopravě: od palivových článků po leteckou dopravu

Vozidla s palivovými články na bázi vodíku jako alternativa čisté dopravy

Vozidla s palivovými články vyrábí energii prostřednictvím chemických reakcí uvnitř článku a do okolí uvolňují téměř výhradně vodní páru. Velkou výhodou je, že natankování trvá méně než pět minut a tato vozidla dokážou ujet více než 500 kilometrů, než bude nutné doplnit palivo. U dlouhých tras, jako jsou nákladní automobily nebo námořní lodě, jsou tyto články výhodnější než běžné baterie, protože umožňují uložit více energie do menšího prostoru, aniž by to příliš omezilo prostor pro náklad. Společnosti jako Toyota a Hyundai v poslední době začaly investovat značné finanční prostředky do vodíkové technologie pro své potřeby ve velkém dopravním průmyslu.

Používání vodíkových autobusů a nákladních vozidel v Kalifornii a Jižní Koreji

Kalifornský projekt H2 Frontier nasadil od roku 2023 více než 50 vodíkem poháněných autobusů ve 12 dopravních oblastech, čímž ročně snižuje emise o 1 200 tun. V Jižní Koreji provozuje přístav Ulsan 120 nákladních vozidel s palivovými články pro přepravu kontejnerů, což je podporováno elektrolyzéry napájenými offshore větrnými elektrárnami v blízkosti.

Vodíkové vlaky v Německu a Francii

Německé vlaky Coradia iLint absolvovaly v roce 2023 celkem 220 000 kilometrů bez emisí. Na francouzské lince TER Occitanie bylo nahrazeno 15 dieselových jednotek vodíkovými hybridními vlaky, které využívají palivové články umístěné na střeše k prodloužení dojezdu na neelektrifikovaných tratích.

Nové aplikace ve námořní a letecké dopravě

Námořní provozovatelé používají amoniak odvozený z vodíku jako palivo pro čtyři nákladní lodě v Severním moři, čímž snižují emise CO2 o 85 % ve srovnání s těžkým topným olejem. V letecké dopravě se očekává uvedení bezemisních regionálních letounů poháněných spalováním kapalného vodíku do provozu do roku 2035, přičemž současné prototypy již dokončily testovací lety o délce 750 km.

Problémy s infrastrukturou sítí vodíkových čerpacích stanic

Celosvětově existuje méně než 1 000 vodíkových čerpacích stanic, z nichž 42 % je v Evropě a 38 % v Asii. Ukládání za vysokého tlaku zůstává drahé – v roce 2024 za 1 800 USD na kg – a křehkost materiálů potrubí představuje výzvu pro rozsáhlou distribuci.

Výroba zeleného vodíku: Pokrok udržitelných metod

Šedý vs. modrý vs. zelený vodík: Ekologické a ekonomické kompromisy

Existuje několik různých způsobů výroby vodíku, a každý z nich má svůj dopad na životní prostředí a cenu. Šedý vodík vzniká reformováním metanu párou (SMR) a uvolňuje mezi 9 až 12 kilogramy CO2 na každý kilogram vyrobeného vodíku. Jaká je cena? Podle Mezinárodní agentury pro energii z roku 2023 okolo 1,50 až 2,80 USD za kilogram. Poté existuje modrý vodík, který využívá stejný proces SMR, ale s přidáním technologie zachytávání uhlíku. Tím se sníží emise o přibližně 80 až 90 procent, avšak zdraží se to na zhruba 2,50 až 4 USD za kilogram. A nakonec tu máme zelený vodík, který vzniká, když elektřina z obnovitelných zdrojů napájí elektrolyzéry. Tato metoda neuvolňuje žádné přímé emise a momentálně stojí mezi 3 až 5 USD za kilogram. Ve srovnání s minulostí došlo k výraznému poklesu – před pár lety byly ceny okolo 4 až 6 USD za kilogram.

Pokroky v elektrolýze zvyšují výstup energie ze zeleného vodíku

Elektrolyzéry s protonově vodivou membránou (PEM) dosahují nyní účinnosti 75–83 %, oproti 60 % v roce 2010. Alkalické systémy pracují s účinností 65–70 % a životností přesahující 60 000 hodin. Tuhé oxidové elektrolyzéry (SOEC), které pracují při teplotách 700–900 °C, dosáhly ve zkouškách účinnosti 85 %, což ukazuje jejich potenciál pro průmyslovou výrobu zeleného vodíku (ScienceDirect 2024).

Vývoj nákladů a škálovatelnost výroby vodíku pomocí obnovitelných zdrojů

Náklady na výrobu vodíku pomocí sluneční elektrolýzy prudce klesly, od roku 2015 zhruba o 62 %. V roce 2024 se ceny pohybují mezi 3 a 4,50 USD za kilogram. Na jižní polokouli v Austrálii větrné farmy ročně vyprodukuje více než 1 000 tun zeleného vodíku za cenu přibližně 3,80 USD za kg. Mezitím v Číně velkoplošné instalace elektrolyzérů každoročně snižují náklady na výrobu, a to zhruba o 18 % ročně. Do budoucna BloombergNEF předpovídá, že cena zeleného vodíku může dosáhnout pouhých 1,50 USD za kg do roku 2030. K tomu dojde, jakmile bude nadále probíhat rychlý rozvoj obnovitelných zdrojů energie, které by měly tvořit téměř 85 % veškeré nové výroby elektřiny na světě.

Často kladené otázky

Jaké jsou hlavní metody výroby elektřiny s využitím vodíku? Hlavními metodami jsou palivové články a spalovací turbíny upravené pro vodík.
Jak přispívá vodík ke stabilitě elektrické sítě? Vodík ukládá přebytečnou obnovitelnou energii a uvolňuje ji během špičkového výkonu, čímž zajišťuje stabilitu sítě.
Jaké jsou aktuální výzvy při používání vodíku pro základní výkon? Vysoké náklady, ztráty účinnosti při přeměně energie a omezení infrastruktury jsou hlavními výzvami.
Jak se vodík používá v topných systémech? Vodík může nahradit fosilní paliva v průmyslových a bytových topných systémech a nabízet tak udržitelnou alternativu.
Jaké pokroky byly dosaženy v produkci zeleného vodíku? Pokroky v technologii elektrolýzy a velkoplošné instalace výrazně snížily náklady a zvýšily účinnost.