Nejstarší, nejhojnější a nejlehčí ze všech chemických prvků vesmíru – vodík (i slunce je tvořeno z více než devadesáti procent vodíkem) – může sehrát klíčovou roli v přeměně světa k lepšímu. V roce 2020 se spolková vláda usnesla ve své vodíkové strategii, že Německo bude usilovat o pozici lídra ve vodíkových technologiích, a to rovnou ve světovém měřítku. K tomu účelu nasměrovala také okolo devíti miliard eur.

Našlápnuto má tedy vodík hodně dobře, zažívá právě skoro neuvěřitelnou renesanci, ale táhne s sebou také celý pomyslný ranec nejistot.

Nyní se ještě o zeleném vodíku mluví trochu posměšně jako o „šampaňském mezi plyny“, ale možná se blíží doba, kdy se stane stejně tak hojným a obyčejným jako voda a vzduch. Bude ho totiž zapotřebí obrovská množství v průmyslu, dopravě, teplárenství i výrobě elektřiny.

Je to také závod s časem, protože Německo si stanovilo téměř utopický cíl stát se „klimaticky neutrální zemí“ do roku 2050, a mezitím si ještě pod sebou podřezává jadernou a uhelnou větev energetiky… a zatím není zdaleka jasné, zda a čím je nahradí, a to zejména v teplárenství – největším „koláči“ německé energetiky, kde je Energiewende v plenkách.

Obr. Běžná solárně-termální elektrárna (CSP) ve španělské Andalusii

Hledá se levná a efektivní výroba zeleného vodíku

Už před skoro dvěma sty léty v roce 1839 experimentoval fyzik William Robert Grove s elektrolýzou vody a zároveň vynalezl první jednoduchý vodíkový palivový článek. Položil tak první základy pro vodíkový věk. Průmyslová výroba zeleného vodíku probíhá již asi sto let – a to v Norsku pomocí vodní energie, se kterou se tam vyrábí téměř veškerá elektřina. Přírodní podmínky Norska jsou ovšem unikátní a nelze je srovnávat například s Německem nebo s Českem.

V Německu se při výrobě zeleného vodíku elektrolýzou vody zjevně nelze spoléhat jen na přebytky obnovitelných energií. Ty totiž vznikají jen velmi nahodile, nespolehlivě a dohromady jen zhruba 200 hodin ročně – tedy pouhých osm dnů v roce! Náhradní technologie jsou zatím drahé, ale pracuje se intenzivně na jejich optimalizaci.

Solárně – termický proces zkoumá DLR

V Jülichu nedaleko Cách zkoumá Německé centrum pro leteckou a kosmickou dopravu DLR solárně-termický proces na principu tzv. „umělé fotosyntézy.“ Profesor Christian Sattler a jeho tým k tomu využívají nejvýkonnější simulátor slunce na světě – systém Synlight. Hlavním úkolem projektu je výzkum solární výroby vodíku a syntetických paliv. Celkem 149 vysoce výkonných reflektorů – umístěných v hale – s celkovým příkonem 300 kW, se nasměruje do malé komory. V ohnisku přitom dosahují desetitisícového násobku intenzity slunečního světla, dopadajícího na zemský povrch a teplot až 3000 °C. Ve speciálním reaktoru válcovitého tvaru se pak voda rozkládá na vodík a kyslík jen pomocí těchto koncentrovaných paprsků umělého slunce. Laboratorní zkoušky dopadly přiznivě, proto je na řadě testování v běžných solárně-termálních elektrárnách pod širým nebem, které umožňují ztrojnásobení až zpětinásobení měřítka zkoušek v reálných podmínkách. V Jülichu mají k tomu účelu na ploše deseti hektarů více než dva tisíce pohyblivých zrcadel – heliostatů, které mohou u těchto elektráren mít vlastní jednotlivou plochu až kolem sto metrů čtverečních. Ty koncentrují světlo do malých ohnisek ve dvou věžích. Hustota záření resp. energetická hustota v těchto malých ohniscích může dosáhnout až čtyřnásobku energetické hustoty, dosažitelné na trubce výparníku uhelných tepelných elektráren.

Pro průmyslovou výrobu ale budou zapotřebí podstatně větší zařízení, dosahující výkonu v řádu stovek megawatt. Každá tato solárně-termální elektrárna se stovkami tisíc heliostatů pokryje plochu daleko nad dvěma miliony metrů čtverečních. Přesto bude disponovat jen zhruba desetinovým výkonem ve srovnání s průměrnou německou uhelnou elektrárnou o výkonu 2000 MW. Náhrada fosilní energetiky tedy nebude snadná ani levná. Solárně-termální elektrárny jsou svým charakterem předurčeny především pro  oblasti s hojným slunečním svitem a velkými nevyužitými plochami. Z pohledu EU třeba pro Španělsko.

Obr. Schéma projektu 10 MW elektrolyzéru PEM v areálu rafinérie Weseling

Výroba zeleného vodíku v rafinérii Wesseling

V největší německé rafinérii na výrobu pohonných hmot ve Wesselingu nedaleko Bonnu byla letos zahájena vlastní výroba zeleného vodíku. Projekt REFHYNE je zacílen hlavně na krytí vlastní spotřeby vodíku pro průmyslové procesy při výrobě pohonných hmot v rafinérii, ale také pro elektromobilitu. Základem je tzv. PEM (Proton Exchange Membrane) elektrolýza pomocí elektřiny z obnovitelných zdrojů.  Zařízení o celkovém výkonu 10 MW je největším tohoto druhu v Evropě.

Rafinérie Wesseling spotřebuje ročně 180 tisíc tun vodíku. Zatím kryje projekt REFHYNE s denní výrobou asi čtyř tun zeleného vodíku jen necelé jedno procento její spotřeby. Proto se plánuje další – desetkrát větší zařízení, které by pokrylo asi sedm procent spotřeby rafinérie, tedy zhruba 13 tisíc tun vodíku. I to však zdaleka nestačí ani pro samotnou rafinérii…

Vodík krátkodobě není řešením pro osobní auta v Německu

Podle německého automobilového experta Dr. Stefana Bratzla se potýkají elektromobily, vybavené vodíkovým palivovým článkem (FCEV) s poměrně velkými ztrátami energie a jejich celková efektivnost se pohybuje jen kolem 30 procent. Ve srovnání s tím dosahují bateriové elektromobily BEV efektivnosti v cyklu „well-to-wheel“ až 70-80 procent, pokud není dostatek obnovitelné energie v energetickém mixu. Přesto některé asijské země – hlavně Japonsko, Jižní Korea a v poslední době i Čína – sázejí na vodíková auta. Hyundai investuje 6,7 miliardy eur do roku 2030 do palivočlánkových technologií a hodlá vyrobit v tomto období asi 700 tisíc palivových článků! Vodíkové pohony hodlá aplikovat také v další produkci koncernu – například při výrobě lodí. Také japonská Toyota věří v budoucnost hybridních a v delším časovém horizontu vodíkových pohonů. K bateriové elektromobilitě je spíše skeptická, i když je pro Evropu vyvíjí.

Také německé automobilky si ponechávají vodíkové pohony v hledáčku. BMW představil na letošním IAA v Mnichově prototyp svého vodíkového SUV BWM iX5 Hydrogen s výkonem 275 kW a dojezdem zhruba pěti set kilometrů. Vedoucí palivočlánkových technologií BMW Dr. Jürgen Guldner uvedl, že v druhé polovině roku 2022 bude vyrobena malá série těchto vozů, zatím určená pouze pro podrobné testování a optimalizaci vývoje. A dodal: „Se sériovou produkcí lze počítat v druhé polovině dvacátých let, pokud to tržní podmínky umožní.“ Zároveň se bude dále budovat vodíková infrastruktura. Počátkem roku 2021 bylo v Německu 91 vodíkových plnících stanic a dalších 8 bylo ve zkušebním provozu. Cena vodíku činí 9,50 €/kg, což je v přepočtu nákladů na 100 kilometrů přibližně stejně jako u benzínu nebo dieselu. Přes čtyřicet procent vodíku v německých vodíkových stanicích je ale stále ještě vyráběno standardně ze zemního plynu, 30 procent tvoří vodík jako vedlejší produkt chemického průmyslu.

Město Hürth provozuje 11 vodíkových autobusů

V Hürthu u Kolína n. Rýnem se už od roku 2010 nalézá první veřejná vodíková plnící stanice v Severním Porýní-Vestfálsku. Její kapacita je dvanáct plně natankovaných autobusů denně. Do autobusu se vejde asi 38 kg vodíku, což stačí k dojezdu přibližně 350 kilometrů. Autobusy a nákladní auta používají vodík s tlakem 350 bar, protože nádrže na vodík se nesmí z bezpečnostních důvodů zahřát na více než 85 stupňů Celsia a s rostoucím tlakem roste i teplota během tankování. Přitom není zapotřebí chlazení vodíku. U vodíku pro osobní auta s tlakem 700 bar je vodík chlazen na minus 40 stupňů Celsia. Město Hürth se rozhodlo pro používání vodíkových autobusů už v roce 2011. Aktuálně provozuje 11 vodíkových linkových autobusů, čímž patří k evropské špičce.

Vodík je vhodný i pro námořní lodě

Kontejnerové lodě potřebují až 250 tun standardního paliva denně a jejich světová flotila ročně emituje celkem asi miliardu tun CO2. Také proto se výrobce lodních motorů MAN Augsburg už déle intenzivně věnuje vývoji motorů na syntetická paliva, vyrobená s pomocí vodíku. Vzhledem k relativně nízké energetické hustotě samotného vodíku při spalování se pozornost soustřeďuje zejména na alternativní syntetická paliva nebo amoniak. V září 2021 MAN představil světovou premiéru kontejnerové lodi ElbBLUE, vybavené duálním osmiválcovým motorem na syntetický zkapalněný zemní plyn LNG tedy na bázi syntetického SNG. Základem je zelený vodík, vyrobený elektrolýzou a  využitím CO2 ze vzduchu. Celý proces je tedy CO2 neutrální, i když se syntetický LNG spaluje. Syntetické palivo se vyrábí v dolnosaském Werthe na zařízení Power to Gas – P2G. Potřebná elektřina se vyrábí pomocí větrných turbín a CO2 dodává bioplynová stanice. Jen na trase z Hamburku do St. Petersburgu ušetřila loď ElbBLUE pomocí takto vyrobeného syntetického LNG 56 tun emisí CO2. Tím bylo prokázáno, že se syntetická paliva mohou velmi dobře uplatnit v lodní dopravě, protože principiálně jsou tato paliva nejen emisně neutrální CO2, ale celkově téměř bezemisní.

Také v letecké dopravě má vodík ambice

Už v roce 2009 představil DLR svůj první letecký vodíkový program – projekt ANTARES. V roce 2016 vzlétlo poprvé na světě čtyřmístné letadlo s lidskou posádkou HY4, poháněné pouze vodíkovým palivovým článkem v kombinaci s bateriemi. Od té doby je letadlo se dvěma trupy průběžně vylepšováno až do současné šesté generace s doletem až 1500 km, přitom proběhlo už více než třicet letů s délkou až dvě hodiny. Na vodíkových koncepcích samozřejmě pracuje už také Airbus. Odhaduje se, že tato technika může být do deseti let (!) nasazena i komerčně do běžného provozu. Existují i úvahy o spalování zeleného vodíku v plynových turbínách letadel k dosažení delších doletů i u letadel s více než sto pasažéry.                                                                                                 

Obr. Vize možné konstrukce 40místného vrtulového letadla s vodíkovým palivočlánkovým pohonem podle DLR. Nádrže na vodík jsou umístěny v zadní části trupu (modré) a palivové články ve střední části trupu dole (zelené)

Pilotní vodíkový projekt sídliště v Esslingenu

Ve švábském Esslingenu má být do roku 2022 dokončen projekt nového klimaticky neutrálního sídliště Weststadt se zhruba 500 novými byty, kancelářemi, obchody a vysokou školou. Je to projekt pilotního charakteru – poprvé má být využit zelený vodík ve formátu sídlišťního bloku. Projekt je mimořádně komplexní a investičně náročný – ale někdo musí být první a cestu prošlapat. Pomocí fotovoltaiky se na sídlišti bude vyrábět zelený vodík – asi 85 tun ročně pomocí vlastní alkalické elektrolýzy.  Zásobník vodíku má kapacitu asi 29 kg vodíku při tlaku max. 11 bar. K výrobě tepla by byl tento vodík příliš drahý. K vytápění prostor s celkovou plochou 250 tisíc metrů čtverečních se proto používá hlavně odpadní teplo z procesu elektrolýzy, čímž se efektivnost celého projektu využívání vodíku zvyšuje ze šedesáti až na devadesát procent. Je to zatím ojedinělý projekt i z hlediska Evropy. Každý obyvatel průmyslového Esslingenu produkuje průměrně okolo devíti tun CO2 ročně – cílem tohoto projektu také ve spojení s elektromobilitou je snížení emisí u obyvatel tohoto sídliště na pouhou jednu tunu! Vodík je rentabilní, pokud se dosáhne určitá jeho prodejní cena. V dopravě se kilogramové ceny vodíku. V Německu pohybují od 9 do 12 eur, v průmyslu je rozpětí ještě větší od 4 do 12 eur. Sektor výroby tepla je zvláště velkou výzvou kvůli silné konkurenci tepelných čerpadel a kogeneračních jednotek (souběžné výroby elektřiny a tepla), které tlačí ceny tepla dolů.

Obr. Loď ElbBLUE s nosností 1000 kontejnerů při plavbě Kielským kanálem

Pozoruhodné – osmkrát více vodíku ze stejného množství elektřiny

V Troisdorfu u Bonnu ve firmě Iplas Innovative Plasma Systems GmbH probíhá zatím v laboratorním měřítku výzkum jednoduché místní výroby zeleného vodíku bez nutnosti jeho dopravy na velké vzdálenosti. Dr. Ralf Spritzel a jeho tým zkoumají výrobu vodíku z metanu na tzv. mikrovlnném plazmovém zařízení. Samotný proces štěpení metanu není nic nového, ale použití mikrovlnného zařízení je zcela novým procesem a jeho výhoda tkví v podstatně nižších teplotách, které jsou potřebné. Proces probíhá na bází termického rozkladu, tedy pyrolýzy zemního plynu. Ale je to ještě trochu důmyslnější, protože mikrovlnné plazma je velmi efektivní poměrně snadno navoditelný proces bez elektrod. Na základě vysoké stimulační frekvence se dají v plazmatu stimulovat jen elektrony, a tím se nemusí zbytečně zahřívat celý plyn, čímž většinou dochází ke zbytečným ztrátám energie. Metan je tedy rozložen na své složky – plynný vodík a pevný uhlík. Samotné plazma je udržováno mikrovlným generátorem. Poté co je molekula metanu rozložena, pokračuje směs plynu a pevného uhlíku do filtrů, vodík je jímán k dalšímu použití. Velmi čistý „Carbon Black“ – pevný uhlík může být dále použit v průmyslu např. při výrobě pneumatik, plastických hmot, kosmetice atd. Tato metoda „methan cracking“ je díky nízké spotřebě energie asi momentálně nejvýhodnější a klimaticky šetrnou metodou výroby zeleného vodíku. Tím, že se při ní metan nespaluje, je tento proces bez emisí CO2. Elektřina ze zásuvky v Německu ale obsahuje – kvůli aktuálnímu mixu zdrojů na její výrobu – emise asi 400 gramů CO2 na kilowatthodinu. Pokud se tedy zařízení provozuje z běžné elektrické sítě, zanechává jistou menší uhlíkovovu stopu. V metanu není ale vodík v tak pevné vazbě jako ve vodě. Proto lze ze stejného vloženého množství elektřiny pomocí mikrovlnného plazmatu získat osmkrát větší množství plynného vodíku než klasickou elektrolýzou z vody! Aby se taková rozumná technologie skutečně prosadila i bez výhradního využití obnovitelných zdrojů, bylo by zapotřebí zbavit se rigorózní ideologie, která aktuálně nařizuje, že jediným uznávaným a subvencovaným vodíkem je ten stoprocentně zelený.

Německo bude nadlouho odkázáno na dovoz vodíku

Podíl obnovitelných zdrojů dosáhl u výroby elektřiny – která ale tvoří jen asi pětinu německé spotřeby energie (!) – v Německu v říjnu 2021 zhruba 47 procent. I tak Německo zjevně nebude schopné vlastními silami zajistit dostatečné množství vodíku pro nutnou transformaci své energetiky a hospodářství. Výpočty zatím odhadují, že v roce 2030 bude muset být importováno kolem deseti milionů tun zeleného vodíku. Při dopravě z potenciálně dodavatelských zemí jako jsou Austrálie, Kanada nebo Chile musí být vodík asi zkapalněn, čímž dochází k velkým energetickým ztrátám – kvůli chlazení na mínus 253 stupňů Celsia. Samotná doprava na velké vzdálenosti ve speciálních plavidlech také nepřispívá k ekologickému charakteru takového počínání. Lepším řešením se jeví výroba v jižní Evropě např. ve Španělsku a pomocí vodíkových plynovodů transport do Německa a dalších zemí. V každém případě bude zapotřebí i vlastní infrastruktura pro distribuci v Německu. Zahájena bude ve dvou spolkových zemích: v Severním Porýní-Vestfálsku a v Dolním Sasku. Do roku 2030 tam mají vzniknout nové „vodíkovody“ v celkové délce až 1200 kilometrů.

Optimalizace cest k vodíkové budoucnosti se nachází mnohde teprve na začátku, jak je ostatně doloženo v tomto článku. Vše ale nasvědčuje, že bez pomocníka typu vodíku nelze reálně zpomalit klimatické změny ani uskutečnit zásadní energetickou a hospodářskou transformaci.

Obr. na úvod: Světová premiéra: poprvé na světě let čtyřmístného letadla s lidskou posádkou HY4 s vodíkovým palivočlánkovým pohonem proběhl 29. září 2016 – záběr krátce po přistání na letišti ve Stuttgartu

Zdeněk Fajkus, Mnichov

Pramen: ntv

Zdroj: časopis CzechIndustry 4/2021