Chcete ve jménu dekarbonizace zvýšit spotřebu energie? Pořiďte si vodíkovou energetiku
Komentář
Energetická účinnost přeměny elektřiny na vodík a zpět je zatím velmi nízká. Dokud se nezlepší, bude využívání vodíku v energetice znamenat plýtvání energií.
Ztráty provází veškerou akumulaci energie. U vodíku a syntetických paliv jsou však energetické ztráty výrazně vyšší, než u konvenčních elektrických úložišť, jako jsou baterie nebo přečerpávací elektrárny.
To neznamená, že vodík je nežádoucí – poskytuje jedno z mála čistých řešení sezónní akumulace pro firmy nebo i domácnosti. Zároveň je vodík potřeba v dalších oblastech průmyslu, například pro výrobu hnojiv. Něco jiného ale je, pokud se s vodíkem počítá jako s palivem pro energetiku na úrovni států nebo dokonce Evropy, jehož cílem je snižování emisí skleníkových plynů. Zde sázka na vodík jako ekologické palivo a priori nevychází.
Bezemisní vodík je převlečená čistá elektřina
K výrobě čistého vodíku jsou potřeba dvě suroviny – voda a elektřina (a případně teplo) z bezemisních zdrojů. Vody je pro tento účel dostatek a navíc se při spalování vodíku obnovuje. Hlavním limitem pro výrobu bezemisního vodíku tak je dostupnost čisté elektřiny, tedy elektřiny z obnovitelných zdrojů nebo z jádra. Pokud bychom použili elektřinu z jiného zdroje, vznikne sice z chemického hlediska úplně stejný vodík, ale při jeho výrobě budou vznikat nežádoucí emise skleníkových plynů, čímž celé vodíkové hospodářství pozbyde smysl.
Z pohledu energetiky státu nebo Evropy naráží vodík na základní problém: Čisté elektřiny pro výrobu vodíku je – a ještě dlouho bude – nedostatek. A to ze dvou důvodů:
I. Vysoké energetické ztráty při výrobě, skladování a využívání vodíku
Vodík není zdroj energie, je to jen nosič, akumulátor elektřiny. Vodík proto do energetiky žádnou energii nepřidává, naopak. Jak praví nadpis tohoto článku, výroba a využívání vodíku zvyšuje spotřebu energie. Proč?
Vodík se na Zemi téměř vždy vyskytuje navázaný ve sloučeninách, nejčastěji ve vodě. Chceme-li z vody získat vodík, je třeba vynaložit energii. Vyrobíme tedy elektřinu z obnovitelných zdrojů a 100 % jí využijeme na elektrický rozklad vody – elektrolýzu. Účinnost tohoto procesu je 70–80 %, tedy při výrobě vodíku ztratíme 20–30 % vložené elektřiny. Takové ztráty nejsou vysoké, výsledkem elektrolýzy ovšem není energie, nýbrž vodík.
Abychom mohli vyrobený vodík využívat, musíme ho nejprve koncentrovat a uskladnit. Nejběžnější metody skladování vodíku jsou stlačení na 300–700 barů nebo zkapalnění při podchlazení na −253 °C. Obě metody stojí poměrně dost energie – tím více, čím více vodík koncentrujeme. Energetické ztráty se pohybují 10–15 % energie pro stlačení, a až 40 % pro zkapalnění. Nemluvě o finančních nákladech na precizně těsné vodíkové úložiště, které by zvládlo pojmout mega až gigawatthodiny energie.
Abychom z vodíku získali zpět energii, ať už elektrickou nebo tepelnou, musíme vodík spálit. Nejperspektivnější způsoby jsou dva - kombinovaný paroplynový cyklus nebo palivové články. Obě dvě technologie dosahují účinnosti přeměny vodíku na elektřinu 45 % – 60 %. Pokud vezmeme ty nejlepší, tedy vzácné a (momentálně) drahé technologie, dostaneme z vodíkového hospodářství zpět až 40 % elektřiny. Vzhledem k počtu kroků a náročnosti přeměny energie to není špatné číslo, nicméně i při těch nejlepších technologiích ztratíme 60 % elektřiny.
To znamená, že to celé stálo obří peníze, použili jsme špičkové technologie, a přesto většinu čisté elektřiny vyhodíme. Použijeme-li dostupnější technologie (nebo stlačíme vodík na vyšší tlak), účinnost klesne na 30 %, tedy akumulací do vodíku vyplýtváme 70 % původní čisté elektřiny.
Do budoucna se toto číslo určitě zlepší. V dohledné době však platí, že chceme-li do vodíku uložit určité množství elektřiny, potřebujeme jí vyrobit dvakrát až třikrát tolik. A výroba dvoj až trojnásobného množství elektřiny vyžaduje dvoj až trojnásobné množství zdrojů. To je dvakrát až třikrát více fotovoltaiky nebo větrníků, tedy několikrát více materiálů, peněz, odpadu, práce a dopravy. Výsledek je sice bezemisní, ale těžko se takové plýtvání nazývá ekologií.
Kdybychom místo vodíku využívali řiditelný zdroj, který nevyžaduje akumulaci, nebo bychom použili akumulaci s vyšší účinností, stačilo by nám pro získání určitého množství energie instalovat zdrojů polovinu nebo ještě méně.
Další možnost, jak z celého procesu získat více energie, je využívat vodík v kogeneraci, tedy při spalování vodíku využívat i teplo. Tím se účinnost celého procesu dostane zhruba na 60 %, což je na dlouhodobou akumulaci skvělý výsledek. Ale i kdybychom pracovali s touto účinností, pořád nám to neřeší druhý problém, kterým je:
II. Rostoucí spotřeba elektřiny
Dekarbonizace nejčastěji znamená elektrifikaci. Místo spalovacích motorů elektromobily, místo spalovacích zdrojů tepla tepelná čerpadla, místo průmyslových pecí na fosilní paliva pece elektrické a další. Dává to smysl, elektrické alternativy v součtu spotřebují méně energie – elektromotor je mnohokrát účinnější než motor spalovací, tepelné čerpadlo je účinnější než plynový kotel. Ale zároveň tyto alternativy spotřebují více elektřiny. Do spotřeby elektřiny se tak významně promítnou sektory, které dosud stály převážně mimo elektroenergetiku – vytápění a doprava.
Aby toho nebylo málo, přicházejí úplně nové spotřebiče, které budou spotřebu elektřiny dále zvyšovat – například superpočítače pro těžbu kryptoměn, autonomní dopravu, práci na dálku a digitalizaci všeho. V rámci TZB to budou častější klimatizace, řízené větrání, stínění, zabezpečení a vůbec chytré budovy. Všude platí, že snížení celkové spotřeby energie je vykoupeno vyšší spotřebou elektřiny.
A když si v době rostoucí poptávky po elektřině odstavíme její hlavní zdroj – fosilní paliva – budeme v první řadě potřebovat mnohem více čisté elektřiny na pokrytí běžného provozu a rostoucí spotřeby. O to méně čisté elektřiny zbyde na akumulaci – a tedy i na sezónní ukládání vodíku. Přebytků bude málo. A z předchozího bodu víme, že z těchto přebytků nám navíc zbyde jen třetina elektřiny. Snaha se cení, ale takové řešení bezemisní energetice trn z paty nevytáhne. Jinak řečeno, vodíku pro zimní zálohu bude málo.
Jiný než zelený vodík?
A co jiné zdroje vodíku než obnovitelné zdroje? Jádro, biomasa, nebo i ropa a zemní plyn s ukládáním CO2 – to jsou bezpochyby relevantní zdroje bezemisní nebo nízkoemisní energie. Z těchto zdrojů jsou pak odvozené další „barevné kategorie“ vodíku (modrý, šedý, růžový...). Nemohly by tyto zdroje Evropě pomoci s výrobou dostatečného množství vodíku pro dekarbonizaci energetiky?
Technicky samozřejmě mohly, koneckonců fosilní paliva jsou dnes hlavním průmyslovým zdrojem vodíku. Z pohledu energetiky, ekonomiky a ekologie to ale nedává smysl. Jaderné palivo, biomasa i fosilní paliva jsou – na rozdíl od vodíku – zdroje energie a je ekonomicky, energeticky i ekologicky nejvýhodnější je využívat přímo. Úspora bude hned dvojí – jednak se vyhneme ztrátám energie při přeměně daného zdroje na vodík a jednak nebude nutné přecházet na vodíkové spotřebiče a infrastrukturu, tzn. budeme moci používat přístroje a sítě, které už máme. Tím ušetříme energii, peníze i životní prostředí.
Všechny jmenované zdroje jsou navíc schopné dodat elektřinu v každou denní i roční dobu. Nepotřebujeme energii z nich ukládat na později, už ji uloženou máme – v biomase, ropě, zemním plynu nebo v jaderném palivu.
Pokud se rozhodneme při výrobě vodíku z fosilních paliv zachytávat CO2, můžeme ho zachytávat rovnou ze spalování fosilních paliv, nemusíme ztrácet další energii a peníze tím, že budeme z těchto paliv vyrábět vodík.
Mezi alternativními zdroji zbývá odpadní vodík z průmyslových procesů, takzvaný „bílý vodík“, jehož využívání je sice ekologické, ale je ho k dispozici omezené množství. Takový vodík se bude při dekarbonizaci určitě hodit, ale energetika se na něm postavit nedá.
Dekarbonizace je žádoucí, ale vyšší spotřeba energie není ekologická
Dvoj až trojnásobná spotřeba elektřiny při vodíkové akumulaci znamená, že si u dekarbonizace dvakrát až třikrát zvedáme laťku. Vzhledem k tomu, že už si při rostoucí spotřebě odstavujeme hlavní zdroj elektřiny – elektrárny na fosilní paliva – myslím, že nemáme vyšší obtížnost zapotřebí. Než se účinnost výroby, skladování a spalování vodíku významně zlepší, představuje využívání vodíku v energetice plýtvání čistou elektřinou.
Vodíková akumulace je v paradoxní situaci. Na jednu stranu snižuje emise skleníkových plynů, na druhou stranu výrazně zvyšuje spotřebu energie. Je něco takového ekologické?
Odpověď závisí na více faktorech, například:
- rozsah akumulace a velikost zdroje,
- životnost technologií,
- porovnání s alternativami.
Nejspíš se dají najít kombinace těchto faktorů, kdy vodíková akumulace z hlediska životního prostředí smysl dává. Na úrovni firem, obcí nebo lokalit s nízkou spotřebou a s dobrými podmínkami pro využití OZE může být vodíkové hospodářství schůdnou a bezemisní cestou k energetické soběstačnosti. Na základě výše uvedeného si ale neumím představit, že by vodíková energetika na úrovni států, tedy plýtvání energií ve velkém, představovala ekologické řešení.
