Bude vodík palivom budúcnosti?

0
606
hydrogen
Hydrogen_NPP to vehicle

Vodík je najľahším a zároveň najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. V ostatných rokoch sa o ňom hovorí čoraz častejšie ako o palive budúcnosti, ktoré nám môže pomôcť pri dekarbonizácii priemyslu, dopravy, energetiky i stavebníctva. Dá sa využiť ako surovina, palivo alebo na prenos a skladovanie energie. Vodík už má v Európskej únii aj svoju stratégiu pre klimaticky neutrálnu Európu. O jeho produkcii a využití v blízkej budúcnosti sme sa rozprávali s prof. Vladimírom Slugeňom z Ústavu jadrového a fyzikálneho inžinierstva Fakulty elektrotechniky a informatiky Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.

Znie to pomerne jednoducho: vyrobíme vodík pomocou nízkouhlíkových zdrojov a máme perfektne čisté palivo, ktoré má široké využitie. Je riešenie skutočne také jednoduché?

Pre energetické využitie sa vodík javí naozaj ako veľmi výhodný. Má veľmi vysokú výhrevnosť – najvyššiu zo všetkých organických zlúčenín – 141,7 MJ/kg, čo je 6-krát viac ako zemný plyn. Jeho veľkou nevýhodou ale je, že sa v prírode samostatne nevyskytuje a musí sa vyrábať. Na výrobu vodíka sa v súčasnosti využíva väčšinou zemný plyn (48%) alebo uhlie, čo je však ekologicky neprijateľné. Pri takejto výrobe sa uvoľní ročne len v EÚ až 100 mil. ton skleníkových plynov – CO2 aj metánu. Ekologická budúcnosť vodíka môže byť zabezpečená udržateľným spôsobom len v prípade jeho výroby elektrolýzou z obnoviteľných zdrojov (dnes na úrovni 4%) alebo v jadrových reaktoroch a jeho prepravy v existujúcej infraštrukúre plynovodov.

 V súlade s Európskou zelenou dohodou bude EÚ v najbližších rokoch podporovať inštaláciu elektrolyzérov pre výrobu až jedného milióna ton vodíka ročne z obnoviteľných zdrojov. Budeme mať na to dostatok energie?

Výroba takého objemu vodíka vyžaduje skutočne veľké množstvo elektrickej energie – až 60 TWh. Pre lepšiu predstavu, dva bloky v JE Jaslovské Bohunice alebo Mochovce s kapacitou 1000 MW vyrobia v priemere 7,5 TWh za rok. Ak teda chceme zabezpečiť výrobu jedného milióna ton vodíka prostredníctvom elektrickej energie, je potrebné vybudovať aspoň 8 nových jadrových elektrární s takýmto výkonom. Uvádzam len počet jadrových elektrární, pretože tie vedia vyrobiť energiu na relatívne malej ploche v porovnaní s fotovoltaikou a zabezpečujú spoľahlivú dodávku elektriny počas celého roka, bez ohľadu na vplyv počasia. Slovenské elektrárne majú fotovoltaickú elektráreň vo Vojanoch  s inštalovaným výkonom 1 MW na takmer 3 ha, kde je koeficient využitia cca 12 %. Vyrobiť 60 TWh elektrickej energie ročne prostredníctvom fotovoltaiky by teda zabralo viac ako milión hektárov plochy.

Máme na Slovensku tiež nejaký plán, koľko vodíka by sme mali vyrobiť, aby sme dekarbonizovali hospodárstvo v súlade s plánom EÚ?

Na Slovensku bola vypracovaná a v marci 2021 Vládou SR aj schválená „Národná vodíková stratégia“ s podnadpisom „Pripravení na budúcnosť“. Tento materiál predpokladá, že výroba vodíka bude zabezpečovaná elektrolýzou: do roku 2030 sa predpokladá ročná spotreba 178 kt a do roku 2050 až 400-1740 kt vodíka ročne.

Národná vodíková stratégia predpokladá výrobu vodíka z obnoviteľných zdrojov energie (OZE). Z materiálu však priamo aj nepriamo vyplýva, že OZE nie sú vhodné na žiadnu samostatnú výrobu elektrickej energie. Problém je v tom, že výroba elektriny pomocou veternej energie alebo slnečných panelov má ročné využitie maxima (load factor) iba 11-20%. Navyše, kvôli neustálemu prerušovaniu vetra a slnečného žiarenia by potrebná elektrolýza musela tiež pracovať prerušovane a to by do ekonomiky vnieslo ďalšie problémy.

Oveľa väčší zmysel má preto využívanie jadrovej energie, jedinej plne dekarbonizovanej primárnej energie, kde sú jadrové elektrárne schopné masívne vyrábať distribuovateľnú elektrinu a optimalizovať tak prerušované nasadenie obnoviteľných zdrojov.

Európska zelená dohoda stanovila ciele extrémne vysoko; zdá sa však, že niektoré členské štáty by mohli mať problém ich splniť.

Zoberme si prípad Nemecka, ktorý ukazuje na výrazné obmedzenia súvisiace s rozmiestnením  nestabilných obnoviteľných zdrojov energie. Stratégia Energiewende, ktorá je nákladná (25 miliárd € dotácií ročne na obdobie 20 rokov, čo zodpovedá približne 1000 € na rodinu ročne), má z hľadiska dekarbonizácie prakticky nulový dopad. Vietor a slnko vyrábajú iba 4,3% primárnej energie. Výsledkom ich rozsiahleho nasadenia  je buď nadmerná alebo nedostatočná výroba elektrickej energie v porovnaní s dopytom. V prípade nedostatku, ku ktorému dochádza po väčšinu času, sa Nemecko, pri jeho postupnom vyraďovaní jadrovej energie, spolieha na fosílne palivá – hnedé alebo čierne uhlie, alebo dovážaný ruský plyn, čo vysvetľuje nízky dopad stratégie na dekarbonizáciu. V ideálnom prípade by bolo potrebné  pri nadmernej výrobe zabezpečiť  prostriedky na masívne ukladanie „zelenej“ obnoviteľnej elektriny na jej neskoršie použite. Ale na uskladnenie elektriny vyrobenej z veternej energie a solárnych panelov počas obmedzenej doby, kedy pracujú, existuje iba zopár spôsobov: batérie, vodné prečerpávacie elektrárne, alebo použitie vloženého nosiča energie, ako je vodík.

Ako sa vodík vlastne vyrába a aká je účinnosť pri jeho výrobe a následnom využití?

V súčasnosti je verejnosti známa predovšetkým výroba vodíka elektrolýzou z vody alebo – ešte efektívnejšie – z vodnej pary pri vysokých teplotách. S rastúcou teplotou potrebujeme oveľa menej elektrickej energie pre napájanie elektrolyzérov.

Pre pripomenutie, účinnosť výroby elektrickej energie v tepelných elektrárňach je približne 35%. Takto vyrobenú elektrickú energiu použijeme na výrobu vodíka v elektrolyzéroch z vody, kde účinnosť výroby vodíka je asi 60 %. Ďalšia potreba energie na distribúciu a prípadnú kompresiu znižuje celkovú účinnosť výroby vodíka na hodnotu 30 až 40 %. Ak sa bude vodík následne používať na jednoduché spaľovanie, bude to cenovo nevýhodné. Dnešné využívanie vodíka v palivových článkoch jeho energiu ďalej degraduje, lebo len 50 % sa využije na reálnu prácu, ostatných 50 % predstavujú tepelné straty.

Na výrobu 1 kg vodíka elektrolýzou je potrebných 9 l vody a 60 kWh elektrickej energie. Elektromobil potrebuje na 100 km približne 20kWh elektrickej energie a automobil využívajúci vodík potrebuje 1kg vodíka, teda cca 60 kWh elektrickej energie, čo znamená, že jeho náklady na energiu sú trikrát vyššie ako v prípade elektromobilu.

Oplatí sa nám potom vyvíjať vodíkové technológie a autá, keď elektrická energia, ako vysoko kvalitná forma energie,  je lacnejšia? Alebo vieme vyrobiť vodík aj iným spôsobom a efektívnejšie?

Áno, vieme. Vo svete sú aj iné technológie ako vyrábať vodík z vody. Riešením sú vysokoteplotné jadrové reaktory. Žiaľ, spojenie jadrového reaktora a výroby vodíka  je v Európskej únii nepochopené, a teda zatiaľ aj neakceptovateľné, hoci výsledky analýzy Európskeho výskumného centra JRC neuvádzajú žiadne vedecky podložené dôkazy o tom, že jadrová energia škodí viac ľudskému zdraviu alebo životnému prostrediu ako iné technológie na výrobu elektriny.

Vysoká výstupná teplota z vysokoteplotného reaktora umožňuje efektívne vyrábať vodík prostredníctvom známych technológií vysokoteplotnej elektrolýzy. Ďalší spôsob výroby vodíka  je termochemickou cestou tzv. jódovodíkovým kyselino-sírnym cyklom (IS cyklus), s účinnosťou celého výrobného cyklu v rozmedzí 40-50 %. V porovnaní s elektrolýzou má vyššiu účinnosť, pretože vyrobené teplo nie je nutné meniť na elektrickú energiu so značnými stratami. Vysokoteplotný reaktor umožňuje kombinovanú výrobu vodíka a elektrickej energie, kde účinnosť celého cyklu značne rastie.

V osobnej doprave sa vodíkové autá zatiaľ neoplatia. Kilogram vodíka na plniacich staniciach v Nemecku, kde už existuje sieť čerpacích staníc, stojí 9,50 eur. 100 km jazdy osobným autom stojí približne 10 eur. Ak však požadujete výhradne zelený vodík z OZE, bude to asi 3x drahšie. Trochu lepšie možnosti dáva nákladná doprava.

Sú takéto vysokoteplotné reaktory už niekde na svete postavené a otestované?

Tento spôsob výroby vodíka je prakticky overený v Japonsku vo výskumnom ústave JAEA v Oarai, kde je prevádzkovaný reaktor HTTR s  výkonom 30MWt a demonštruje efektívnu výrobu vodíka pri teplote 850°C.  Túto teplotu sa darí dosahovať vďaka využitiu hélia ako primárneho chladiva reaktora.

Podobný vysokoteplotný, héliom chladený reaktor bol nedávno sprevádzkovaný na Inštitúte technológie jadrovej energetiky Univerzity Tsinghua v Číne a dva skúšobné modulárne reaktory HTR-PM s tepelným výkonom 250 MWt a 210 MWe generátorom sa stavajú v čínskej provincii Shandong.

Aktívna zóna tohto reaktora je veľmi špecifická a tvorí ju palivo guľového tvaru s časticami TRISO. V klasických ľahkovodných reaktoroch je palivo uložené v palivových prútikoch. V tomto type reaktora je palivo guľového tvaru s priemerom 6 cm a pozostáva z množstva malých častí obalených grafitom a kremíkom. Čína má  zvládnutú aj technológiu výroby tohto špecifického typu paliva.

Aktívna zóna reaktora má priemer 3 m a výšku 11 m, pričom nádoba reaktora má priemer 5,7 m a výšku 25 m. Každý reaktor má 3 tri slučky. Aktívna zóna reaktora je konštruovaná s negatívnym teplotným koeficientom reaktivity, s cieľom zvýšenia bezpečnosti.

Máme v pláne niečo podobné aj v krajinách EÚ?

V EÚ by mohol byť reprezentantom vysokoteplotnej technológie prototyp reaktora ALLEGRO, jeden zo šiestich typov reaktorov IV. generácie. Ide o héliom chladený reaktor s rýchlym spektrom neutrónov, ktorý umožňuje vyrobiť vysokoparametrické teplo s možnosťou rôznych aplikácií, akými sú výroba vodíka, dodávka tepla pre energeticky náročné chemické technológie alebo výroba elektrickej energie s vysokou účinnosťou. Výstupná teplota z aktívnej zóny reaktora môže byť až 850 °C. Reaktor ALLEGRO je v súčasnosti predmetom výskumu a vývoja  zoskupenia Francúzska a krajín V4. Otázka výstavby tohto typu reaktora v Európe je na rozdiel od čínskeho reaktora stále otvorená.

Ak aj Európa túži po vodíkových technológiách, môžeme s plnou vážnosťou konštatovať, že technológie na výrobu vodíka v EÚ nie sú ani zďaleka konkurencieschopné v porovnaní s ostatným svetom.  Aj autá poháňané vodíkom ponúkajú predovšetkým zatiaľ len výrobcovia mimo EÚ (Honda FXC Clarity, Toyota Mirai, Hyundai Nexo).

Čo by ste teda odporučili, aby sme naplnili ambiciózne ciele Európskej zelenej dohody?

Je nespochybniteľné, že dopyt po vodíku využiteľnom v doprave a v priemysle bude na celom svete neustále narastať. Dnes je priemyselná výroba vodíka takmer úplne založená na fosílnych palivách. Množstvo energie potrebnej na rozklad vody pre takéto aplikácie je možné zabezpečiť priamym teplom vyrobeným v plne dekarbonizovaných vysokoteplotných jadrových reaktoroch. Výskum a demonštrácia takýchto reaktorov prebieha ale mimo Európy – v Číne, Japonsku a USA.

Európska vodíková stratégia predpokladá, že podiel vodíka v energetickom mixe EÚ vzrastie zo súčasných necelých 2 % na 13-14 % do roku 2050. Ak sa chce Európska komisia, ale aj vláda SR, vyhnúť geopolitickému vytesneniu inými regiónmi, kde je takýto vývoj na dennom poriadku, mala by sa tejto téme dôkladne venovať, ale predovšetkým do tejto technológie zmysluplne investovať. Ak je skutočný záujem vyrábať vodík v spomínanom množstve, bez jadrových elektrární to nebude technicky možné.

Výhodou jadrových technológií je trvalo udržateľná a spoľahlivá výroba a tiež veľmi dlhá životnosť jadrových reaktorov. Reaktory, ktoré sú v súčasnosti vo výstavbe majú plánovanú životnosť 60 rokov s možnosťou predĺženia až na 80 rokov.