Ilustrační foto (zdroj: Pixabay.com)
Cílem článku je informovat o stávajícím stavu a potenciálním využití vodíkových technologií v energetickém sektoru.
Běžně používané vodíkové technologie lze rozdělit na základě provozní teploty na nízkoteplotní (60–100 °C) a vysokoteplotní (600–1100 °C). Dalším kritériem, které lze využít ke kategorizaci vodíkových technologií, je použitý elektrolyt. Z tohoto hlediska můžeme využívané vodíkové technologie rozdělit na alkalické (AEC), s polymerní membránou (PEM) a s pevnými oxidy (SOC).
Principem elektrolýzy je rozklad vody na vodík a kyslík pomocí elektrické energie. Opakem této technologie je palivový článek (PČ), kde dochází k přímé přeměně energie chemické na energii elektrickou. Palivové články produkují minimální množství emisí ve srovnání se stávajícími technologiemi využívání fosilních paliv. Typickým zdrojem energie palivového článku je vodík. Produktem přeměny vodíku v PČ je voda.
Alkalická elektrolýza (Obrázek 1A) se řadí mezi nízkoteplotní technologie. Elektrolyt je tvořen roztokem hydroxidu draselného o koncentraci 20–40 hm. %, který slouží k transportu OH- iontů mezi elektrodami. Elektrody jsou zpravidla tvořeny perforovanou ocelí s katalyzátory na bázi niklu, kobaltu nebo železa. Elektrodové prostory jsou odděleny diafragmou, aby nedošlo k mísení vznikajících plynů – kyslíku a vodíku. Alkalická elektrolýza je již komerčně zralá a poměrně levná technologie. V literatuře je uváděna účinnost 62 – 82 % [1]. Oproti ostatním technologiím elektrolýzy však produkuje nejméně čistý vodík a je poměrně energeticky náročná.
Vodíková elektrolýza s polymerním elektrolytem (Obrázek 1B) je technologie, které je v současnosti věnováno mnoho pozornosti, kvůli jednoduchosti a dobrým dynamickým vlastnostem. Základem PEM technologií je pevný elektrolyt – polymerní membrána, která odděluje elektrodové prostory elektrolytické cely, a především slouží k transportu H+ iontů mezi elektrodami. K elektrochemickým reakcím dochází v katalytické vrstvě plynově propustných elektrod, které jsou tvořeny porézními uhlíkovými materiály. Katalyzátor je tvořen nanočásticemi platiny na uhlíkovém nosiči. Užití drahých kovů zapříčiňuje do značné míry vysokou cenu PEM elektrolyzérů. Další nevýhodou je citlivost na kvalitu vodíku. Výhodou je vysoká čistota produkovaných plynů a kompaktní design. Účinnost PEM elektrolýzy je v rozmezí 67 – 82 % [1]. Podobně, jen v obráceném směru, funguje PEM palivový článek. Výzkum a vývoj v oblasti PEM je zaměřen především na snižování obsahu drahých kovů a zvyšování životnosti, nebo na vývoj PEM elektrolyzéru a palivového článku v jednom zařízení.
Vysokoteplotní elektrolýza (SOC, viz (Obrázek 1C) představuje v současnosti nejméně vyspělou vodíkovou technologii, která ale skýtá mnohé výhody. Využívá pevný elektrolyt, který je tvořen oxidy zirkonu stabilizované yttriem, které slouží k transportu O2- iontů mezi elektrodami. Vysoká provozní teplota má výhodu, že část energie, která je potřebná k proběhnutí elektrochemických reakcí, je dodána pomocí tepla, které je typicky levnější než elektrická energie. Proto je vysokoteplotní elektrolýza často zmiňována jako obzvláště výhodná ve spojení s procesy, při kterých vzniká větší množství odpadního tepla. Díky tomuto efektu dosahuje SOC technologie vysoké účinnosti, napěťová účinnost je uváděna pod 110 % [2]. Náběh na provozní teplotu však obvykle trvá dlouho, typicky 12 hodin.
Zajímavým rysem SOC technologie je, že po dosažení provozní teploty umožňuje „přepínat“ mezi módem elektrolýzy a módem palivového článku, tj. jedno zařízení je možné využívat jak pro elektrolýzu, tak pro palivový článek. Tuto vlastnost lze využít ke střídavé produkci a spotřebě elektrické energie podle momentálních potřeb. Další výhoda SOC je možnost tzv. ko-elektrolýzy, tedy společné elektrolýzy vody a oxidu uhličitého za vzniku chemických látek (více v dalším textu).
Mikro-kogenerační jednotky
Mikro-kogenerační jednotky na bázi palivového článku představují poměrně novou technologii, která v případě zlevnění může nahradit plynové kotle. Jako „mikro CHP“ jsou dále v textu označovány kogenerační jednotky na bázi palivového článku, s elektrickým výkonem do 50 kW. Zařízení s kapacitou do 5 kW jsou často využívány v obytných budovách, případně menších komerčních budovách (muzea, nemocnice, školy, sportovní haly, …). Mikro CHP mají celkovou účinnost přeměny energie okolo 90 %. Elektrická účinnost u jednotek s PEM palivovými články je 32 %, tepelná účinnost dosahuje 57 %. Jednotky využívající SOC palivové články vykazují obvykle elektrickou účinnost 37 % a tepelnou účinnost 46 % [4].
PEM palivové články jsou navzdory nižší elektrické účinnosti běžnější, díky dobrým dynamickým vlastnostem. Produkovaný proud je stejnosměrný, zařízení proto musí obsahovat invertor na střídavý proud. Dalšími komponentami jsou například tepelné výměníky, recirkulace plynu a zásobníky na teplou vodu. PEM palivové články musí navíc obsahovat tzv. reformér, ve kterém dojde k dehydrogenaci uhlovodíků ze zemního plynu na vodík.
Technologie mikro-CHP je atraktivní a poskytuje řadu benefitů, aby však bylo dosaženo jejího masového uvedení na trh, je třeba ji zpočátku dotačně podpořit.
Pionýrem v této oblasti se stalo Japonsko, které se na vodíkové technologie orientuje dlouhodobě. Japonsko bylo po zásahu zemětřesením v roce 2011 v kritickém stavu s častými výpadky dodávek elektřiny, vláda proto zavedla dotace na domácí mikro kogenerační jednotky. Díky tomu bylo do konce roku 2012 v Japonsku postaveno přes 25 000 jednotek. Do konce roku 2014 to bylo přibližně 138 000 mikro CHP, z nichž 85 % je založeno na technologii PEM a zbytek na SOC [5]. K začátku roku 2019 se již jedná o 292 654 kusů [6]. Jednotky mohou být napájeny zemním plynem, vodíkem, LPG nebo kerosinem. Teplota vody, kterou jednotka poskytuje, dosahuje 60 °C.
Rozšíření mikro CHP v Japonsku bylo zaštítěno projektem Ene-Farm. V rámci tohoto projektu bylo na přelomu let 2019 a 2020 dosaženo milníku, kdy ceny PEM palivových článků klesly natolik, že již nebylo třeba jejich nákup dotovat. Pro rok 2020 byla tako částka stanovena zhruba na $ 7 100 tedy tak, aby se zákazníkovi investice vrátila do osmi let od pořízení. Do roku 2030 by měla cena klesnout na hodnotu odpovídající návratnosti do 5 let. Pro jednotky s SOC palivovými články jsou dotace stále dostupné [6].
V rámci EU funguje program PACE, jež má za cíl do roku 2021 instalovat napříč Evropou 2 800 jednotek mikro CHP do domácností. Tento dotační program poskytuje dotaci ve výši až 15 % pořizovací ceny [7]. V Evropě je tahounem zelených technologií Německo, které má mimo projektu PACE vlastní národní programy Kfw433 a KWK. První z nich je zaměřen na poskytování dotací na nákup mikro CHP ve výši 40 % ceny na jednotky do kapacity 20 kWEL [8]. Druhý program nabízí dotaci v rozmezí 1 900 – 3 500 € v závislosti na výkonu zařízení [9]. Díky nařízení o kogeneračních jednotkách z roku 2016 mohou provozovatelé mikro CHP v Německu dostávat zaplaceno za elektřinu, kterou dodávají do sítě [9].
Palivové články s výkonem nad 200 kW
Ve světě již existuje řada aplikací velkokapacitních palivových článků (nad 200 kW), ať již jako zdrojů elektrické energie, nebo jako kogeneračních jednotek. Do roku 2018 tyto aplikace čítaly kumulativní kapacitu 800 MW (elektrický + tepelný výkon). Většina z nich se nachází v Jižní Koreji a USA, až 95 % [10]. Toto je s největší pravděpodobností důsledek dlouhodobých problémů s distribuční sítí v těchto zemích. Státy v Asii se orientují na kogenerační výrobu, zatímco v USA slouží palivové články především jako záložní zdroje elektrické energie. V Evropě je velmi málo velkokapacitních PČ, což je pravděpodobně dáno spolehlivou elektrickou síti s minimem výpadků a nízkými cenami elektřiny. Jak bylo diskutováno v předchozí kapitole, v Evropě je rozvinutý trh s mikro-CHP.
V oblasti velkokapacitních PČ dominují tři technologie, všechny jsou vysokoteplotní: palivové články s pevnými oxidy (tj. SOC), palivové články s taveninou uhličitanů a palivové články s kyselinou fosforečnou. Na každou technologii se zaměřuje jiný výrobce. Palivové články jsou napájeny zemním plynem nebo bioplynem, často z čistíren odpadních vod.
Jižní Korea
Podobně jako v případě mikro-CHP je zatím stále potřeba nákup velkokapacitních PČ dotovat. V Jižní Koreji poskytuje vláda dotace na instalace PČ až v hodnotě 80 % pořizovací ceny [10]. Rozvoj PČ je podporován také nařízeními, podle kterých musí být ve veřejných budovách určitý podíl energie z obnovitelných zdrojů energie (OZE). Energetické společnosti musí budovat distribuční síť tak, aby vyhovovala standardům energie z OZE. Rozvoj PČ v Koreji byl možný také díky kvalitní distribuční síti zemního plynu. Teplo z PČ je využito v teplárenských soustavách.
Spojené státy americké
Ve Spojených státech se až polovina instalací PČ nachází ve dvou státech, v Kalifornii a onnecticutu. Využívají se především v nemocnicích, data centrech, skladištích, na námořních základnách a dalších místech.
V Kalifornii se na PČ zaměřili z důvodu dlouhodobých problémů s distribuční sítí. Do roku 2017 byly ve státě instalovány PČ o celkovém výkonu 188 MW, z čehož 142,7 MW tvoří zařízení pouze na produkci elektřiny a 45,5 MW na CHP [11]. Instalace je v Kalifornii dotována. Dotace jsou v současnosti 1 200 $/kW pro PČ na bioplyn a 600 $/kW pro PČ na zemní plyn [10]. V Connecticutu platí nařízení, podle kterého musí poskytovatelé elektřiny získávat určitý podíl elektrické energie z OZE. Palivové články jsou v Connecticutu automaticky považovány za obnovitelné zdroje bez ohledu na použité palivo. Je také žádoucí, aby byly vyrobeny ve státě (v Connecticutu sídlí dva výrobci PČ).
Spojení vodíkových technologií se zdroji energie
Vodíkové technologie lze kombinovat jak s konvenčními, tak s OZE. Elektrolýzu je vhodné využít v době momentálního přebytku elektrické energie, palivový článek zase pro produkci elektrické energie v dobách její vysoké ceny.
Významné budoucí synergie očekáváme u spojení vodíkových technologií s pokročilými jadernými reaktory. Některé z vyvíjených konceptů modulárních malých reaktorů pracují s teplotou páry 700 - 1000 °C. Pára o takto vysoké teplotě je přímo využitelná jako vstup do vysokoteplotních elektrolyzérů - v principu však lze použít i páru o teplotě okolo 200 °C, v případě výhodnějšího alternativního využití vysokopotenciálové páry. Aplikace vysokoteplotních elektrolyzérů také může zamezit nežádoucím změnám výkonu jaderných reaktorů.
Malé jaderné reaktory ve spojení s vysokoteplotní elektrolýzou tak budou mít v budoucnu potenciál pokrýt nejen poptávku po páře a elektrické energii, ale také zajistit výrobu základních chemických látek ze surovin běžně dostupných. Například ko-elektrolýzou vody a oxidu uhličitého bude možné získávat syntézní plyn (výroba dalších paliv), methanol (výroba celé řady chemických látek), nebo methan (injektáž do stávající distribuční sítě zemního plynu). Při stále vyšším tlaku na čistotu elektrárenských spalin lze očekávat, že bude možné přímo ko-elektrolyzovat odprášené spaliny s vodní párou, takovou možnost již indikují první experimenty v laboratorních podmínkách [12]. Společnou elektrolýzou vody a dusíku je možné vyrábět amoniak, což je základní surovina pro výrobu dusíkatých hnojiv [13]. Rozvoj vysokoteplotní elektrolýzy do stadia zralé a komerčně dostupné technologie očekáváme současně s nástupem pokročilých jaderných reaktorů.
Neméně zajímavá a intenzivně studovaná je oblast propojení elektrolýzy a intermitentních OZE, čímž se produkuje „zelený“, tedy téměř bezemisní vodík a zároveň odpadá nutnost vyvedení výkonu OZE do distribuční sítě. Zelený vodík je zajímavý především pro dopravní aplikace, kde se ze strany uživatelů vodíkových automobilů očekává zájem a ochota zaplatit zvýšenou cenu. V současné době se budují demonstrační jednotky, využívající PEM elektrolýzu, řada projektů však ukázala, že je možné využít i vysokoteplotní elektrolýzu.
Ve světě již existují velmi zajímavé demonstrační projekty. Jedním z nich je továrna na Islandu, která z CO2 a H2 vyrábí methanol [14]. Roční kapacita je 4000 t methanolu, což odpovídá spotřebě 5,6 t emisí CO2. Elektřinu na nízkoteplotní elektrolýzu vody pro výrobu H2 dodává přilehlá geotermální elektrárna ve Svartsengi, která je i zdrojem CO2. V Evropě se jedná například o projekt GrInHy [15], využívající SOC elektrolyzér od firmy Sunfire, který lze v nedostatku elektrické energie přepnout do režimu palivového článku (jako palivo lze použít H2 i zemní plyn). Vyrobený vodík je využíván na žíhání v ocelárně v Saltzgitteru.
Závěr
Vodíkové technologie mají významný potenciál budoucího využití v sektoru energetiky. Vodík může do určité míry nahradit zemní plyn, malé vodíkové kogenerační jednotky mohou zvýšit míru energetické soběstačnosti domácností a velké vodíkové kogenerační jednotky mohou doplnit stávající bateriové parky, například při spojení s obnovitelnými zdroji energie.
Anna Tocháčková, Martin Šilhan
Centrum Výzkumu Řež s.r.o.
Hlavní 130
250 68 Husinec
Poděkování
Presentované výsledky byly finančně podpořeny Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy - projekt LQ1603 Výzkum pro SUSEN. Práce byla realizována na velké infrastruktuře Udržitelná energetika (SUSEN) vybudované v rámci projektu CZ.1.05/2.1.00/03.0108 a CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_008/0000293.
Reference
[1] M. Carmo, D. L. Fritz, J. Mergel, and D. Stolten, “A comprehensive review on PEM water electrolysis,” International Journal of Hydrogen Energy. 2013, doi: 10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
[2] O. Schmidt, A. Gambhir, I. Staffell, A. Hawkes, J. Nelson, and S. Few, “Future cost and performance of water electrolysis: An expert elicitation study,” Int. J. Hydrogen Energy, 2017, doi: 10.1016/j.ijhydene.2017.10.045.
[3] S. Schiebahn, T. Grube, M. Robinius, V. Tietze, B. Kumar, and D. Stolten, “Power to gas: Technological overview, systems analysis and economic assessment for a case study in Germany,” Int. J. Hydrogen Energy, 2015, doi: 10.1016/j.ijhydene.2015.01.123.
[4] E. R. Nielsen and C. B. Brag, “Learning points from demonstration of 1000 fuel cell based micro-CHP units,” 2017.
[5] H. R. Ellamla, I. Staffell, P. Bujlo, B. G. Pollet, and S. Pasupathi, “Current status of fuel cell based combined heat and power systems for residential sector,” J. Power Sources, vol. 293, pp. 312–328, 2015, doi:https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.05.050.
[6] M. Klippenstein, “FCW Exclusive: Tokyo Fuel Cell Expo 2019,” 2019. [Online]. Available: https://fuelcellsworks.com/news/fcw-exclusive-tokyo-fuel-cell-expo-2019-300000-ene-farms/. [Accessed: 18-Mar-2020].
[7] J. Pritchard, “How PACE Loans Work,” 2019. [Online]. Available: https://www.thebalance.com/pace-loans-financing-for-upgrades-4124071. [Accessed: 19-Mar-2020].
[8] “German Government Launches FC Subsidy Program,” 2016. [Online]. Available: https://www.h2-international.com/2016/11/01/german-government-launches-fc-subsidy-program/#more-2121. [Accessed: 18-Mar-2020].
[9] “Financial Support for Efficient Heating Systems,” 2016. [Online]. Available: https://www.h2-international.com/2016/10/28/financial-supportfor-efficient-heating-systems/. [Accessed: 18-Mar-2020].
[10] R. O. Cebolla, J. Davies, and E. Weidner, “Global deployment of large capacity stationary fuel cells.” Publications Office of the European Union, 2019, doi: 10.2760/372263.
[11] Fuel Cell and Hydrogen Energy Association, “2016 State Policy Wrap Up – Fuel Cells & Hydrogen,” 2017.
[12] Y. Zheng, J. Zhou, L. Zhang, Q. Liu, Z. Pan, and S. H. Chan, “High-temperature electrolysis of simulated flue gas in solid oxide electrolysis cells,” Electrochim. Acta, 2018, doi: 10.1016/j.electacta.2018.05.117.
[13] I. A. Amar, C. T. G. Petit, G. Mann, R. Lan, P. J. Skabara, and S. Tao, “Electrochemical synthesis of ammonia from N2 and H2O based on (Li,Na,K)2CO3-Ce0.8Gd0.18Ca0.02O2- composite electrolyte and CoFe2O4 cathode,” vol. 44, no. 0, pp. 1–29.
[14] Carbon Recycling International, “George Olah Renewable Methanol Plant.” [Online].
Available: https://www.carbonrecycling.is/projects#project-goplant. [Accessed: 06-Feb-2020].
[15] “GrInHy 2.0 Project website.” [Online]. Available: https://www.green-industrialhydrogen.com/. [Accessed: 15-Jan-2020].
