Vodíkové technológie zažili cykly nadmerných očakávaní, po ktorých nasledovala dezilúzia. Čoraz viac dôkazov však naznačuje, že práve tieto technológie tvoria atraktívnu možnosť hlbokej dekarbonizácie systémov v energetike. Zaťažovanie technológií na báze fosílnych palív zvyšovaním emisnej dane vo forme rastu ceny emisných povoleniek v kombinácii so znižovaním nákladov na vodíkové technológie čoraz viac zvyšujú ich ekonomickú životaschopnosť.

Ministerstvo hospodárstva SR nedávno deklarovalo podporu využívania vodíka, myslíme si, že by nebolo vhodné, aby sa zámery ohľade využívania vodíka sústredili iba na využívanie v doprave. Opakované presadzovanie zmien zdrojov energie pre pohon automobilov by mohlo skôr uškodiť rozbehnutej kampani v prospech zavedenia elektromobility, zvlášť keď systémy na vodíkový pohon v SR úplne absentujú, zatiaľ čo elektromobily sa na Slovensku úspešne vyrábajú. Vzhľadom na to, že považujeme vodík za významný zdroj „čistej“ energie, rozhodli sme sa prispieť do debaty prehľadom problematiky využívania vodíka v zahraničí a upozorniť na možnosti vhodného využívania na Slovensku. Keďže problematika je pomerne rozsiahla a téma je zaujímavá, bude to v prípade záujmu seriál viacerých príspevkov. 

Prehľad využívania vodíka a palivových článkov v zahraničí 

Hodnotenie súčasného stavu využívania vodíka a schopnosti naplniť jeho potenciál vzbudzuje optimizmus. Potenciálne úlohy, ktoré by vodík (H₂) mohol mať pri zásobovaní elektrinou a teplom v priemysle a komunálnej sfére alebo pri akumulovaní energie v nízkouhlíkovej energetike a doprave, je rozsiahly. Vozidlá na vodík sú komerčne dostupné v niekoľkých krajinách a predalo sa viac ako 200-tisíc systémov na zásobovanie domácností teplom na báze palivových článkov. To predstavuje skokovú zmenu oproti situácii v uplynulom desaťročí. Súčasná revízia problematiky ukazuje, že stále pretrvávajú problémy spojené s nákladmi a výkonnosťou. Aby bol vodík skutočne konkurencieschopný, sú stále potrebné značné zlepšenia. Ale v strednodobom horizonte sa takáto konkurencieschopnosť zdá reálnou perspektívou, na ktorú plne oprávňuje rastúci záujem a politická podpora týchto technológií vo svete. Vodík a palivové články pravdepodobne utrpeli „stratené desaťročie“, keď sa nesplnili veľké očakávania po roku 2000. Opätovný rast odvetvia umožňujú najmä tieto skutočnosti:

• vylepšenia technológií súvisiacich s výrobou spôsobili, že systémy, ktorých cena v roku 2005 bola 60-tisíc dolárov, je v súčasnosti 10-tisíc dolárov.
• komerčné produkty sú čoraz viac dostupné a v určitých odvetviach ako mikrokogenerácia v Japonsku alebo výroba vysokozdvižných vozíkov pre manipuláciu v priestoroch obchodných centier v USA znamenajú kontinuálny rast využívania  vodíka ako zdroja energie bez emisií.
• posilnené globálne odhodlanie zmierňovať zmenu klímy v spojení s rastúcim uvedomovaním si, že samotná čistá energia je nepostačujúca z dôvodu zložitosti dekarbonizácie energie v mobilite.

Aj keď existujú silné dôvody domnievať sa, že „vodík a palivové články“ môžu mať podobnú trajektóriu využitia ako „fotovoltické systémy a batérie“, v záujme splnenia vytúženého cieľa ľudstva o bezemisnom individuálnom zásobovaní teplom a bezemisnej mobilite mnohí veria, že práve tento zdroj je najbližšie k prekonaniu všetkých výziev a „vodík a palivové články“ naplnia očakávaný potenciál.

Úvod do problematiky využívania vodíka

Pred tridsiatimi rokmi bol vodík najskôr označený za „nevyhnutný prvok“ dekarbonizovaného, udržateľného „systému energetiky“, ktorý bude zdrojom bezpečnej, nákladovo efektívnej a neznečisťujúcej energie. Neskôr sa vyjadrenia lídrov európskej energetiky zmenili: „Vodík je životaschopné alternatívne palivo, ktoré sľubuje veľa a dáva veľmi málo“. Vo „futuristických“ predstavách energetiky s nízkym obsahom uhlíka by vodík ako zdroj energie mohol hrať dôležitú úlohu:

• Pri vyvažovaní „mixu“ zdrojov výroby elektriny, ako nosič energie s nulovým obsahom uhlíka, ktorý možno pomerne jednoducho  akumulovať a prepravovať,
• Pri dosiahnutí vyššej bezpečnosti systémov energetiky s nižšou závislosťou od fosílnych palív,
• Ako všestranný ušľachtilý zdroj energie, prirovnávaný k elektrine slúžiaci v odvetviach dopravy, vykurovania a klimatizácie, v komunálnom sektore, ale aj elektroenergetike.

Tieto tri oblasti sumárne predstavujú dve tretiny globálnych emisií CO₂.

Hoci sa zdá, že je jednoduché dekarbonizovať sektor energetiky hlavne vďaka zníženiu nákladov na využívanie obnoviteľných zdrojov energie (OZE), nemali by sme zabúdať ani na potreby odvetvových priemyselných technológií a dopravy, pre ktoré má priame využívanie veternej a solárnej energie nepostačujúcu koncentráciu. Úlohou dneška je získať médium schopné koncentrovať vyrobenú  energiu na báze OZE a vykonávať rolu vhodného nosiča energie pre mobilné technológie. 

Technológie na produkciu zeleného vodíka a palivové články ponúkajú porovnateľnú individuálnu „voľnosť“ využívania energie po prechode na nízkouhlíkové hospodárstvo s veľmi podobnou disponibilitou a agilitou výkonu zariadení, ktoré umožňujú takmer identické správanie spotrebiteľov pri ich používaní ako pri súčasných zariadeniach na báze fosílnych palív. Poskytujú tiež získanie stratenej bezpečnosti, spoľahlivosti a ochrany životného prostredia pri riešení nasledujúcich problémov súčasných zdrojov energie:

• problémy so sekvestráciou uhlíka (zachytávanie a ukladanie CO₂  – CCS) pri fosílnych palivách,
• zálohovanie predikovateľných výpadkov – veľký sezónny rozdiel v dĺžke trvania dňa a noci mimo tropického pásma pri využívaní slnečných systémov,
• zálohovanie nepredikovateľných výpadkov spojených s počasím pri veternej a vodnej energii,
• environmentálne obmedzenia pri využívaní biomasy v bioenergetike (výroba biopalív) a využívanie hybridných tepelných čerpadiel.

Tieto problémy sa ukazujú ako neriešiteľné bez konverzie a následnej koncentrácie energie OZE do iných nosičov umožňujúcich následnú mobilitu „odpojeného“ spotrebiteľa.

Vodík a palivové články zaznamenávajú opätovný záujem

Spustila sa hromadná výroba vozidiel s palivovými článkami a tisíce domácností sú už v súčasnosti zásobované energiou z palivových článkov. Kľúčovým rozdielom od posledného „vodíkového humbugu“ po roku 2000 je to, že výroba sa zvýšila a zníženie nákladov naznačuje, že sa vodíkové palivové články komercializujú v niekoľkých odvetviach, od prenosnej elektroniky a záložného napájania až po vysokozdvižné vozíky.

Obrázok 1 Vysokozdvižné vozíky na vodík pre použitie v interiéri obchodných komplexov

Trinásť medzinárodných spoločností založilo Radu pre vodík s cieľom umiestniť vodík medzi kľúčové riešenia prechodu na „čistú energiu“, čo vyžaduje zložitosť, rozmanitosť a univerzálnosť média:

• Vodík je možné vyrábať z mnohých východiskových surovín, viacerými procesmi s rôznou úrovňou emisií skleníkových plynov a ostatných zdraviu škodlivých emisií, ale aj s rôznymi požiadavkami na infraštruktúru.
• Vodík sa dá využiť mnohými spôsobmi, aj bez palivových článkov, zároveň palivové články môžu pracovať s inými palivami ako vodík.
• Vodík a palivové články môžu prispievať mnohými spôsobmi v sektore energetiky.
• Vodíková infraštruktúra zrejme bude nákladná, ale môže využívať mnohé  existujúce systémy.

Britské centrum pre vodík a palivové články uverejnilo bielu knihu, ktorá systematicky hodnotí súčasný stav a vyhliadky pre vodík a palivové články v budúcich systémoch energetiky.

Politické akčné nariadenia pre vodík a palivové články

Politická podpora využívania vodíka a palivových článkov v systémoch energetiky súvisí so zvyšovaním spoľahlivosti, efektívnosti a bezpečnosti energetiky a znižovania negatívnych vplyvov na životné prostredie, rozvojom nových nízkouhlíkových priemyselných odvetví či s nimi spojených pracovných príležitostí a zručností. Potenciál technológií na báze vodíka a palivových článkov je prispievať k udržateľnému rozvoju z environmentálnej, sociálnej a ekonomickej stránky a oprávňuje tým ich dlhodobú systematickú a politickú podporu.

Klimatické zmeny, prírodné katastrofy, vojny a chyby v kybernetickej bezpečnosti môžu mať extrémny dosah na dodávateľské reťazce energie. Technológie vodíka a palivových článkov môžu podporiť elektrizačnú sústavu pri vyrovnávaní odchýlok v dostupnosti OZE spôsobených vplyvom rotácie a zmeny sklonu zemskej osi (slnečná energia), zmenou počasia (veterná energia), čím využívanie vodíka môže zlepšiť národnú, ale aj európsku dostupnosť zdrojov energie (sebestačnosť), pretože má viaceré zdroje energie a rôzne spôsoby jej výroby. Vodík sa môže vyrábať kdekoľvek, čo ho robí zvlášť atraktívnym pre krajiny s nedostatkom ropy ako jedno z hlavných alternatívnych palív so značným potenciálom pre dlhodobú náhradu fosílnych palív, napr. ropy a zemného plynu.

Vodík a palivové články sú v súčasnosti vo väčšine aplikácií drahšie ako ich konkurenti s nízkym obsahom uhlíka. Má však nadradené vlastnosti oproti týmto konkurentom, čo by mohlo pomôcť verejnej prijateľnosti dekarbonizácie, napr. individuálnej a mobilnej potreby energie. Výrazné zníženie nákladov pozorované pri palivových článkoch v Ázii naznačuje, že programy na podporu výskumu, vývoja a zavádzania môžu významne ovplyvniť ekonomickú životaschopnosť technológií. Významné príklady v zahraničí sú: japonská Rada pre stratégiu implementácie vodíka a palivových článkov (Hydrogen and Fuel Cell Strategy Council, Japan), americký program využívania vodíka a palivových článkov DOE (Department of Energy, USA); európsky spoločný podnik pre vodík a palivové články, FCH, J.U. (Fuel Cells and Hydrogen, Joint Undertaking) a Úloha vodíka a palivových článkov v globálnom systéme energetiky, Spojené kráľovstvo (The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system, UK).

Závery pre využívanie vodíka

Vodík sa od ropných šokov v 70. rokoch intenzívne skúmal ako možné riešenie situácie, ale jeho využívanie bolo zavrhnuté a stalo sa okrajovou možnosťou z pohľadu zdroja energie pre sektor energetiky. V súčasnosti sa však vodík a palivové články objavujú ako bežné produkty vo firmách Honda, Toyota a Hyundai, ktoré uviedli na trh prvé sériovo vyrábané vozidlá na vodíkové palivové články a naviac palivové články v súčasnosti zásobujú teplom už  aj domácnosti. Investori do projektov z oblasti využívania vodíka najmä v Japonsku to vidia ako lukratívnu príležitosť na export.

Možnosť využívania vodíka v komunálnej energetike

Viacero odborníkov naznačuje možnosť efektívneho využívania vodíka v komunálnej energetike, a tak práve systémy CZT môžu zohrať kľúčovú úlohu pri praktickom využívaní vodíka na Slovensku. Priebeh potreby tepla v komunálnej sfére v dennom mesačnom aj ročnom rastri súvisiaci so zemepisnou polohou Slovenska a klimatickými podmienkami kontinentálnej klímy, ktoré umožňujú využívať výkon centrálnych zdrojov kombinovanej výroby elektriny a tepla (KVET) v čase denného, ale aj sezónneho útlmu. Priebeh potreby tepla závisí nielen od klimatických podmienok, ale aj od počasia, a preto sa v rámci roka zhoduje s využitím zariadení na živelné obnoviteľné zdroje energie. Zdroje KVET majú takmer rovnaké využitie inštalovaného výkonu ako veterné elektrárne v Nemecku (2 300 h/rok). Finančné zdroje viazané na vybudovanie potrebného inštalovaného výkonu hradia vo fixnej cene tepla predovšetkým odberatelia tepla (obyvateľstvo). Prevádzka zdrojov KVET v oblasti hospodárneho výkonu by mohla zasa šetriť časť palivových nákladov v porovnaní s jej premenlivým priebehom. Výhodou nasadenia technológií do komunálnej energetiky je fakt, že centrálne zdroje KVET so systémami CZT reálne existujú a ich podpora by bola efektívna. Opatrenia na strane odberateľov, zatepľovanie objektov, termostatizácia, ale hlavne útlm potreby tepla pre priemysel a občiansku vybavenosť znižujú využitie inštalovaného výkonu centrálnych zdrojov, naproti tomu náhrada akumulačného ohrevu TÚV prietokovým ohrevom znižuje využívanie inštalovaného výkonu. Na ilustráciu uvádzame priebeh potreby tepla v meste s 50 tisíc obyvateľmi v hodinovom rastri, ktorý sa skladá s 365 typických denných diagramov s dvoma výkonovými špičkami v tvare veľkého písmena „M“ s väčšou rannou a menšou večernou výkonovou špičkou. Ak by bolo možné zdroj tepla prevádzkovať s rovnomerným výkonom, došlo by k úspore paliva, ktorá by sa mohla efektívne využiť na výrobu vodíka.

Obrázok 2 Priebeh potreby tepelného výkonu v zdroji KVET pre SCZT

Obrázok 3 Priebeh potreby tepelného výkonu v zdroji KVET pre SCZT

Ing. Július Jankovský, PhD., energetický audítor

Prof. Ing. Jozef Víglaský, CSc., TU Zvolen