Vodík v energetice a dopravě

Vodík v energetice a dopravě

K odpovědím na tyto otázky se pokouší přispět tento článek. Uvádí hlavní principy možných způsobů přeměn druhů energie a srovnává účinnosti akumulace včetně zpětné přeměny na požadovaný druh energie z akumulovaného stlačeného nebo kryokomprimovaného vodíku, protože zkapalnění vychází energeticky jako velice neúčinné. Ukazuje, že spoléhání na jediný preferovaný způsob akumulace v elektrických bateriích není příliš předvídavé za situace, kdy prostředky akumulace teprve vyvíjíme.

Úvod

Při hledání možných postupů dekarbonizace energetiky i mobility [1] se jako jedna z možností jeví akumulace energie z bezuhlíkových zdrojů (obnovitelných občasných zdrojů energie, tedy OZE, a jaderných elektráren) do stlačeného nebo dokonce zkapalněného vodíku. Ten je pak možno převádět zpět na elektřinu či teplo, např. pomocí palivových článků [2]. Existují však i jiné způsoby, aplikovatelné do provozu dříve. Otázkám s nimi spojeným se věnuje tento článek.

Základní definice

Ztráty v řetězci přeměny energie od primárního zdroje energie do použití vodíku je nutné pro jejich srovnatelnost normovat. Při využití energie akumulované ve vyrobeném vodíku jak pro stacionární účely, tak pro vozidla se nabízí vstupní energie vodíku v zásobníku. Při výrobě vodíku lze pro jednoduchost vyjít ze stejného základu a postupovat zpět k energii potřebné pro výrobu, např. na svorkách elektrolyzéru. Normující úroveň by měla být dána volnou entalpií vodíku, avšak pro obtíže s její jednoduchou aplikací pro následné energetické výpočty se využívá rozdíl prosté entalpie mezi vodíkem a produkty spalování. Lze použít jak spalné teplo, tak výhřevnost, neboť jde o smluvní veličinu pro otevřenou soustavu. V tomto článku je používána zásadně výhřevnost jako vztažný parametr.

Do ztrát při využití od „nádrže“ do místa spotřeby (třeba trakční energie na kolech nebo elektrická energie dodávaná do sítě, akumulovaná předtím ve vodíku) je nutno započíst ztráty při plnění „nádrže“ („nabíjení“), ztráty i zisky (rekuperace) při vlastním využití v rozsahu od nádrže na kola nebo zpět do sítě – Tank-to-Wheel (TTW). Naopak při výrobě by bylo žádoucí započíst nejen vlastní příkon výrobního a akumulačního zařízení, ale i ztráty transportu primární energie na výrobu a ztráty při distribuci vyrobeného nosiče energie (stlačení, zkapalnění, doprava potrubím nebo rozvodnou elektrickou sítí včetně transformace napětí a opatření na stabilizaci dodávky v síti) – Well-to-Tank (WTT).

V tomto článku předpokládáme stlačení nebo zkapalnění v místě výroby a ztráty v síti i při výrobě potřebné elektrické energie nezahrnujeme do výsledků. Samotný zásobník vodíku je při plnění a odběru i v době jeho klidu prakticky bezeztrátový, na rozdíl od bateriových akumulátorů se ztrátami při nabíjení, vybíjení i během samovybíjení. Při potřebě mechanické nebo elektrické energie (např. na pohon stlačovacího kompresoru) je ovšem nutno vzít v úvahu i účinnost pro získání této energie. Pro jednoduchou srovnatelnost ani zde nezahrnujeme účinnost výroby a transportu primární energie

Tato energetická celková účinnost je zcela jistě zkreslena uvedeným předpokladem nejen pro obnovitelné zdroje, neboť údaj odpovídající realitě by měl zahrnout i energii potřebnou pro výrobu elektrárny samotné, rozpočtenou na její životnost. Stejně se musí při analýze životního cyklu (LCA) zahrnout do hodnocení i energetické nároky na výrobu samotného transformátoru energie pro část TTW. Ve skutečnosti vede tato analýza dříve či později k ekonomickým parametrům, neboť se musí vzít v úvahu i spotřeba materiálů, často vzácných. Tyto úvahy jdou však mimo rámec předložené studie.

Vlastnosti vodíku a jeho současné použití

Vodík se dlouhou dobu považuje za vhodný prvek pro akumulaci elektrické energie z obnovitelných zdrojů a její transport jak potrubím (konvektivně), tak v zásobnících vozidel. Mezi jeho výhody patří vysoká hmotnostní výhřevnost a nízká dynamická viskozita – nízké vnitřní tření. Vysoký je však poměr dynamické viskozity k hustotě, tj. kinematická viskozita, což je nepříznivé.

Očekávatelně je použití vodíku spojeno s problémy spočívajícími v jeho extrémně malé hustotě v plynném i kapalném stavu (měrná plynová konstanta 4 124 J/kg/K, tedy hustota cca čtrnáctkrát menší než vzduch a 7,9krát menší než metan), což znesnadňuje skladování ve stlačeném stavu, ve velmi nízké kritické teplotě i teplotě varu za atmosférického tlaku a to vede k vysoké spotřebě energie na zkapalňování i k nutnosti velmi účinné izolace kryostatických nádob.

Vodík lze použít jako akumulátor elektrické energie pro následnou zpětnou přeměnu na elektřinu nebo teplo prostřednictvím palivových článků – u vozidel nízkoteplotních, nebo spalovacích motorů s elektrickým generátorem, které poskytují možnost kogenerace tepla a elektřiny. Pro stacionární účely lze použít v kogeneraci i vysoko­teplotní palivové články. Vodík lze samozřejmě i přímo spalovat, i když to většinou není z hlediska účinnosti využití primárního zdroje nejlepší způsob.

Chemicky je vodík silným redukčním činidlem. Je proto perspektivně použitelný v hutnictví pro redukci kovů z kyslíkatých nebo sirných sloučenin, což se již pokusně využívá.

V ČR se zejména pro použití v rafinériích ropy (hydrokrakování pro zvýšení produkce lehčích frakcí a k odsíření produktů, syntéza amoniaku) produkuje vodík ze zemního plynu v množství přes 100 kt ročně. Amoniak se průmyslově vyrábí katalytickým slučováním dusíku a vodíku (jako katalyzátor se používá houbové železo) za vysokého tlaku (20 až 100 MPa) a vysoké teploty (nad 500 °C) – Haberova–Boschova syntéza amoniaku k výrobě hnojiv i výbušnin jako prekursor kyseliny dusičné.

Energetické nároky na výrobu, skladování a zpětné využití vodíku

Výroba a skladování vodíku
Vodík se t. č. vyrábí nejčastěji parním reformingem metanu (zemního plynu) za vyšších teplot podle souhrnné reakce
CH₄ + 2H₂O → 4H₂ + CO₂
Tato výroba však emituje do atmosféry oxid uhličitý z fosilního zdroje („šedý“ vodík), pokud by se nepoužil namísto zemního plynu bioplyn.

Bylo by možné extrahovat tzv. zelený vodík i z generátorového plynu při zplyňování biomasy, kdy za nedostatku kyslíku vzniká rovnovážná směs „vodního“ plynu, tj. směs H₂ + CO₂ ←→ H₂O + CO. Směs vodíku a oxidu uhelnatého se dá však přímo použít pro Fischerovu–Tropschovu syntézu kapalných uhlovodíků, takže tento zdroj samotného vodíku není příliš perspektivní.

V budoucnu se uplatní elektrolýza vody za nízké či vysoké teploty, kdy je však spotřeba energie vždy značně vyšší než získaná potenciálně využitelná výhřevnost. Při využití elektřiny z obnovitelných zdrojů se získá vodík „zelený“, z jaderných elektráren „modrý“. Vedlejším využitelným produktem je kyslík. Existuje i odpadní vodík z elektrolýzy za jiným účelem (typicky při výrobě chloru, v ČR řádově vyšší jednotky kt/rok).

Účinnost elektrolýzy se pohybuje mezi ٦٠ a ٨٠ % podle proudového zatížení elektrod a tlaku v elektrolyzéru (kapalná voda se nesmí při nízkoteplotních procesech vařit). Z toho důvodu jsou obvyklé elektrolyzéry velmi rozměrné a investičně náročné. Kompaktnější elektrolyzér lze zkonstruovat s kation­tově (protonově) propustnou membránou, tedy s principem „obráceného“ palivového článku. Tyto elektrolyzéry by bylo možné rozmístit distribuovaně na místě spotřeby vodíku a odpadní teplo při elektrolýze by se pak dalo využít pro vytápění domácností, tedy kogenerovat při výrobě.

Pro elektrolytickou výrobu „zeleného“ nebo „modrého“ vodíku je zapotřebí zdroj elektrické energie. Účinnost této výroby, velmi nesnadno vyhodnotitelná u větrné energie (podle analogických účinností vrtulí ji lze odhadovat na méně než 50 %) a velmi nízká u fotovoltaiky (pod 20 % využití dopadajícího záření), není do této studie zahrnuta. Ovlivňuje nikoli samotnou cenu energie dodávané „zdarma“, ale souvisí s energetickými, materiálovými, a tedy i investičními náklady na výstavbu a likvidaci/recyklaci elektrárny. Je nutno též vzít v úvahu, že pro správnou funkci elektrolyzéru musí být zajištěn kontinuální provoz bez výpadků typických pro samotné obnovitelné občasné zdroje energie (OZE).

Při vyhodnocování energie na výrobu vodíku je nutno současně vzít v potaz energetické náklady na jeho skladování, protože energetická hustota jak stlačeného, tak kapalněného vodíku je ve srovnání s dalšími palivy malá. V úvahu přichází stlačení – u osobních vozidel s kompozitovými tlakovými lahvemi se používá tlak 70 MPa, u nákladních vozidel a autobusů, případně drážních vozidel pak cca 35 MPa, tedy více než pro stlačený zemní plyn (CNG). Je nutno věnovat velkou pozornost materiálům i utěsnění kvůli extrém­ně malým rozměrům vodíkových molekul a možnosti průniku atomárního vodíku do struktury materiálu, kde může způsobit tzv. vodíkovou křehkost. Proti ní jsou odolné např. slitiny niklu, ne však běžné konstrukční oceli ani hliníkové slitiny.

Další, spíše stále teoretickou možností je energeticky extrémně náročné zkapalnění (LH2) s ohledem na nízkou kritickou teplotu i velmi nízkou teplotu varu při atmosférickém tlaku. Jistým kompromisem, nejvýhodnějším z hlediska hustoty plynu samotného, je tzv. kryokomprese při teplotě poněkud nadkritické. Tlak bývá cca 25 MPa, teplota pod 60 K. Slabinou je velmi drahý tlakový kryostat, kombinující spíše nevýhody obou předchozích metod skladování. Při kompresi vodíku je třeba pro tlaky větší než cca 10 MPa brát v úvahu jeho chování jako reálného plynu. Další možnost ukládání vodíku do metalhydridových zásobníků je objemově i hmotnostně velmi náročné.

Jak již bylo řečeno, pohybuje se účinnost elektrolýzy, vztažená opět na výhřevnost vodíku, mezi 60 a 80 %. Záleží přitom na proudovém zatížení elektrod, chlazení elektrolyzéru a průtoku elektrolyzované vody, což je možné zejména u obrácených palivových článků s polopropustnou membránou. Voda má být čistá, protože jinak vznikají nežádoucí vedlejší produkty – hydroxidy alkalických kovů z rozpuštěných solí, produkty aniontů (např. chlor) atd. 

Představu o účinnosti akumulace elektrické energie ve vodíku udává graf 1 se zahrnutím zpětné transformace na elektřinu, která je popsána v následující kapitole.

Zpětná transformace energie slučováním vodíku s kyslíkem
Pro vyhodnocení účinnosti akumulace elektrické energie ve vodíku je zapotřebí rozebrat možnosti zpětné transformace chemické energie vodíku.

Nízkoteplotní palivové články s protonově propustnou membránou – PEM FC
Nízkoteplotní palivové články se intenzivně vyvíjejí od osmdesátých let minulého století díky plastovým teflonovým membránám. Pracují obvykle při teplotách na straně katody (vzduchu) do 80 °C, neboť membrána musí být zvlhčená vzniklou vodou. Princip s aktivací obou plynů (vodíku a kyslíku) pomocí Pt katalytického sycení povrchu ukazuje graf 2. Napětí článku je při zatížení cca 0,6 V, proto se řadí do série [3].

Pro zvýšení výkonové hustoty jsou články pro vozidlové použití přeplňovány elektricky hnaným kompresorem nebo turbodmychadlem s vestavěným elektromotorem. Na straně vodíku se používá recirkulační pumpa nebo ejektor.

Účinnost svazku sériově řazených článků s příslušenstvím je snížena o spotřebu energie pro pomocná zařízení a zřídka přesahuje 60 %. Nejlepší je s ohledem na sériově řazené vnitřní odpory při nízkých zatíženích, tedy zcela odlišně než u spalovacího motoru, který nejlepší účinnosti dosahuje při vysokém zatížení. Pro použití ve vozidlech je nutné článek doplnit akumulátorovou baterií, protože na změnu zatížení reaguje dosti pomalu (u typických instalací pro osobní automobily v řádu sekund). Každé vozidlo s palivovým článkem je tedy současně hybridem, který umožňuje rekuperaci trakční energie.

Cena současných palivových článků je vysoká i při srovnání s bateriemi, dosahuje cca 500–700 $/kW (Lithium-iontová baterie cca 300–600 $/kW) , a to jak kvůli obsahu platiny a dalších vzácných prvků, tak kvůli náročné technologii. Na druhé straně je spotřeba energie na výrobu palivového článku ve srovnání s Li-ion baterií zanedbatelná.

Platinový katalyzátor je citlivý na otravu oxidem uhelnatým, tedy také na přítomnost uhlovodíků. Na čistotu vodíku i vzduchu jsou proto kladeny vysoké nároky, pro dostatečnou životnost je nutno nečistoty držet v řádu ppm molárních zlomků. I vzduch nasávaný ze silničního prostředí musí být účinně čištěn absorpcí na aktivním uhlí.

Ve výpočtech zpětné konverze elektřiny z vodíku byla v tomto příspěvku použita realistická účinnost 50 %. Proti samotné účinnosti článku s příslušenstvím nebo spalovacího motoru je třeba vzít v úvahu, že spalovací motor dodává mechanickou energii na kole jen prostřednictvím převodů s účinností cca 92–95 %, zatímco u palivového článku je nutno počítat s účinností výkonové elektroniky a elektromotoru, což v provozu i s uvážením rekuperace činí 80–90 %. U energetických aplikací je účinnost alternátoru a elektroniky cca 90–95 % podle velikosti. Tyto účinnosti nebyly do diagramu v grafu 1 započteny, v úvahu se nebralo ani využití odpadního tepla, které je dobře možné s ohledem na teploty spalin a chladicí tekutiny jen u spalovacích motorů.

S těmito omezeními zajišťují palivové články snížení dráhové spotřeby energie (kWh/100 km) o cca 33 % (osobní automobil střední třídy cca 60 kWh/100 km s naftovým motorem, 75 kWh/100 km s benzinovým motorem, ale jen cca 45 kWh/100 km s palivovým článkem podle simulací, tj. úspora 45/60 = 75 %, resp. 45/75 = 60 % [4]. U autobusů je rozdíl až 50 %.

Výsledná účinnost přeměny energie na energii stlačeného nebo (pro vozidlo) zkapalněného vodíku, vztaženou na výhřevnost vodíku, je v grafu 1. Výsledná účinnost bere v úvahu zpětnou transformaci na elektrickou energii na vstupu do elektromotoru vozidla nebo do sítě s použitím palivového článku pod vyšším zatížením s účinností 55 %. Křivky pro vozidlové použití jsou nejpříznivější pro 35 MPa a 75 MPa, následuje kryokomprese a zkapalnění. Křivky pro uskladnění v tlakovém plynojemném zařízení vykazují nejvyšší účinnost pro 1 MPa, následovaný 5 a 10 MPa. Druhou stránkou věci je objem plynojemu, který – spolu s rozměrem válce o stejné výšce a průměru – ukazuje graf 3 v závislosti na velikosti zásoby, vypočtené v hodinách z průměrné hodinové spotřeby motorové nafty podle její roční spotřeby v ČR (viz dále). Stupnice jsou logaritmické! Skutečný tlakový plynojem by byl ovšem realizován systémem tlakových lahví, nikoli jedinou tlakovou nádrží.

Výroba tepla
První je využití vodíku pro výrobu tepla, tedy prosté spalování, a to čistého vodíku nebo jeho směsi se zemním plynem nebo biometanem. Údaje o této účinnosti lze získat z diagramu grafu 1 přenásobením převrácenou hodnotou účinnosti zde nepoužitého palivového článku, tedy zhruba dvěma, a přenásobit účinností ohřevu. V případě využití kondenzace spalin ve výměníku zdroje tepla je nutno ještě účinnost přenásobit poměrem spalného tepla a výhřevnosti.

Co se týče směsí s metanem, je sice výhřevnost u vodíku cca 2,5krát vyšší, ale plynová konstanta, nepřímo úměrná hustotě, je osmkrát vyšší. Výsledkem je, že hustota směsi obou paliv při zvyšujícím se obsahu vodíku klesá rychleji, než roste výhřevnost, takže objemová hustota energie klesá. S tím je třeba počítat při vyhodnocování kapacity úložišť.

Pro hořáky samotné je nutno vzít v úvahu podstatně jinou hustotu nového paliva, tedy změnu Wobbeho indexu plynu. Pro směšovače řízené průřezovým odměřováním s využitím podtlaku v místě míšení vzniknou proti metanu chyby v přebytku vzduchu až 60 %, je tedy třeba upravit průřezy hořáků.

Spalovací motory a chudé směsi
Vodík i jeho směsi se zemním plynem lze spalovat bez větších problémů v zážehových motorech, samozřejmě po úpravách průřezů směšovače nebo vefukovače plynu.

Překvapivější výsledky byly dosaženy i na mírně upravených vznětových motorech ve dvojpalivovém provozu, kde lze vodíkem nahradit přes 80 % motorové nafty [5–8]. Nízké teploty plamene v chudé směsi přitom omezují nutnost použití drahých selektivních katalyzátorů oxidů dusíku, používajících jako redukční činidlo močovinu. S ohledem na ideologizovaný odpor Evropské komise k jakémukoli spalování je perspektiva těchto slibných motorů, dosahujících účinnosti na brzdě přes 40 % a nevyžadujících navíc velmi čistý vodík, u evrop­ských výrobců automobilů zatím nejistá.

Příklady energetické bilance s vodíkem

Předchozí odstavce ukázaly důvody navýšení spotřeby primární elektrické energie při různém využití vodíku s ohledem na jeho akumulaci a zpětnou konverzi. Příkladem zvýšení energetických nároků může být úplná náhrada fosilních paliv pro dopravu, tedy motorové nafty a benzinu, s uvážením shora uvedených rozdílů ve spotřebách při provozu.

Výsledky jsou uvedeny pro údaje o průměrných spotřebách z let 2016 a 2018 bez korekce na tranzit v grafu 4 a grafu 5, konkrétně pro 4 620 kt/rok u nafty (tj. cca 5 500 000 000 dm³ – bez tranzitu by to bylo cca 4 000 kt/rok) a 1 700 kt/rok benzinu (2 280 000 000 dm³, bez tranzitu cca 1 430 kt/rok).

Při srovnání s údaji v tab. 1, kde je předpokládána nejmenší energetická náročnost s účinností elektrolýzy 75 %, je zřejmé, o jak veliké energetické nároky by šlo jen v případě motorové nafty. Zejména při použití obnovitelných zdrojů jsou nároky na instalovaný výkon s jeho časovým využitím při podmínkách ČR cca 12 % (u větru by to bylo cca 21 %) zcela extrémní – při plnění zásobníku nahrazujícího naftu po celý rok by šlo o instalovaný výkon FVE mezi 59 a 73 GW (!) pro stlačení vodíku na 10 MPa a účinnosti elektrolýzy mezi 60 a 75 %. Stlačení na distribuční hodnotu tlaku by bylo třeba započítat zvlášť.

Využití vodíku pro výrobu syntetických paliv

Autor v této oblasti dosud neprovedl vlastní výpočty. Podle údajů z University of Bath ve Spojeném království lze odhadovat, že u bateriových úložišť, vodíku s palivovým článkem nebo u syntetického uhlovodíkového paliva se spalovacím motorem lze odhadovat poměr využití elektrické energie na svorkách nabíječky nebo výrobního zařízení v poměru 69 : 26 : 13. Výsledky pro baterie a palivové články se vcelku shodují se simulacemi podle autora této zprávy, u spalovacích motorů v hybridních vozidlech lze předpokládat poněkud zvýšenou provozní účinnost. Hlavní slabinou syntetických paliv je nutnost využití zdroje obnovitelného oxidu uhličitého. Přímá extrakce z atmosféry je energeticky velice náročná, vratná změna vyžadovala izotermickou kompresi z parciál­ního tlaku 0,0004 bar, odpovídajícího molár­nímu zlomku oxidu uhličitého v atmosféře 400 ppm, na 1 bar, tedy tlakový poměr cca 2 500. Reálný absorpční proces bude mít proti vratné změně ztráty navyšující spotřebu energie cca 2,5násobně [9].

Jako kompromisní cesta se jeví japonský systém zachytávání oxidu uhličitého ze spalin elektráren na fosilní paliva a recyklace CO₂ do kapalných paliv, tedy místo zachytávání a ukládání oxidu uhličitého (carbon capture and storage – CCS) jeho použití (carbon capture and use – CCU), což je energeticky méně náročné s ohledem na molární zlomek a parciální tlak CO₂ ve spalinách v řádu vyšších jednotek procent, tedy tlakových poměrů pro rekompresi v řádu větších desítek. Následovat musí elektrolýza CO₂ na CO. Jiná cesta je syntéza i jinak použitelného amoniaku („chemická komprese“ vodíku), který lze vyrábět v místech s velkou intenzitou slunečního záření a celkem snadno transportovat s následným přímým spalováním. Tady se musí zajistit denitrifikace spalin, obsahujících velká množství oxidů dusíku, selektivní katalytickou redukcí s přímým využitím části amoniaku. Také pro tuto cestu se dosud provádějí optimalizační výpočty.

Závěr

Podrobné energetické bilance použití vodíku ukazují stejně jako u bateriových vozidel výhody i nevýhody. Výhodou je akumulace elektrické energie z obnovitelných zdrojů, pokud se zajistí nepřerušovaný přívod energie během výroby. Vodík představuje levnější alternativu ve srovnání s akumulátorovými bateriemi, a to zejména pro případy zvládnutých spalovacích procesů v hořácích nebo spalovacích motorech. Zejména kogenerační jednotky poskytující jak elektřinu, tak teplo s vysokou úrov­ní využití potenciálu chemické energie ve vodíku jsou relativně výhodné. Čerpání vodíku do vozidel umožňuje rychlé obnovení zásoby energie v protikladu proti bateriím, které i po (dosud teoreticky) možném navýšení nabíjecího výkonu budou představovat těžko zvládnutelné výkonové špičky pro lokální síť.

U vodíku lze začít s pilotními lokálními projekty právě zde. Přidávání vodíku do metanových paliv je v principu možné, ale vyžaduje velkou opatrnost z hlediska seřízení hořáků i bezpečnosti potrubního systému proti únikům. Nezanedbatelný je i nárůst objemu přepravovaného směsného plynu s poklesem jeho objemové výhřevnosti.

Masivnější nasazení palivových článků je dosud nemožné z cenových i infrastrukturních důvodů a vyžádá si nejméně dalších deset let vývoje. Vybudování potřebné infrastruktury by mohlo být motivováno použitím dvoupalivových spalovacích motorů, které mohou být provozovány i na fosilní nebo obnovitelné kapalné palivo. Transformace energetické struktury nebude v žádném případě levnou záležitostí a její aplikace je iluzorní v rozvojových zemích, produkujících nyní většinu skleníkových plynů na Zemi. Situaci může nepříznivě ovlivnit i dostupnost platiny, pokud se ji nepodaří nahradit levnějším kovem, a evrop­ské tažení proti fluorovaným polymerům (zde Nafion, založený na teflonu). Nanejvýš nutný je v tomto případě holistický přístup a posouzení celého životního cyklu bez ideologické předpojatosti, stejně jako ve všech případech zamýšlených změn v energetice a mobilitě.

Paralelní vývoj různých cest směřujících k obnovitelnosti zdrojů energie, umožňující evoluci a srovnání všech dopadů, je namístě i v případě vodíku. Ideologizovaný přístup „jednoho jedině správného řešení“ je při současných neznalostech všech dopadů velmi riskantní a technicky nesmyslný.