Projekty zeleného vodíku, přestože jsou slibné, se stále potýkají s technologickými a geopolitickými nejistotami, finančními omezeními a obavami o životní prostředí.
Ve zkratce
- Zelený vodík má potenciál hrát hlavní roli v zeleném přechodu
- Technické, ekologické nebo regulační problémy by mohly vykolejit nové projekty
- Globální hráči jako EU, Čína a USA se liší ve svých rozvojových strategiích
Čistý vodík má potenciál pomoci snížit emise uhlíku, zejména v odvětvích, která se obtížně dekarbonizují, jako je těžká výroba a energeticky náročná průmyslová odvětví, jako je ocel nebo chemický průmysl. Objevuje se také jako klíčové řešení pro skladování elektřiny, řešící problémy s přerušováním větrné a solární energie. V současnosti je však jeho primární využití v tradičních rafinérských a průmyslových aplikacích. Vyrábí se většinou za použití fosilních paliv, což nenabízí žádné skutečné a udržitelné klimatické výhody.
Potenciál vodíku jako čistého zdroje energie
V roce 2021 činila celosvětová poptávka po vodíku 94 milionů tun, což představuje asi 2.5 procenta světové spotřeby energie. Mezinárodní energetická agentura (IEA) předpověděla v roce 2022, že tato poptávka vzroste do roku 115 na pouhých 2030 milionů tun, přičemž z nových aplikací budou méně než 2 miliony tun. Do roku 2050 by však globální trh s vodíkem mohl vzrůst a dosáhnout 600–650 milionů tun, což by potenciálně uspokojilo více než 20 procent globálních energetických potřeb.
Do roku 2030 mají jak poptávka, tak produkce vodíku mírný růst, který potenciálně vyrovná spotřebu 14 miliard metrů krychlových zemního plynu ročně, 20 milionů tun uhlí a 360,000 12 barelů ropy denně. Ročně by se mohlo vyvézt přibližně 30 milionů tun vodíku. K dosažení plánované výroby čistého vodíku 1 milionů tun z dnešního čísla méně než 170 milion tun je zapotřebí investice ve výši XNUMX miliard USD do elektrolyzérů a projektů zachycování, využití a skladování uhlíku (CCUS).
V roce 2020 tento autor zdůraznil rizika vnímání vodíku jako okamžitého všeléku kvůli současné neefektivitě elektrolýzy a energeticky náročnému procesu přeměny vodíku na syntetická paliva. Výroba vodíku vede k 45-60% ztrátě energie v procesu dodavatelského řetězce. Přeměna elektřiny na vodík má za následek 25procentní ztrátu energie a energie ve vodíku je zhruba o 60 procent méně účinná ve srovnání se zkapalněným zemním plynem kvůli jeho nižší energetické hustotě.
Národní a regionální vodíkové strategie
Do roku 2020 Německo i Evropská unie uznaly, že jejich vodíkové strategie budou vyžadovat značný dovoz. V roce 2022 EU zdvojnásobila svůj cíl výroby obnovitelného vodíku do roku 2030 z 5 milionů tun na 10 milionů tun a také plánuje do roku 10 dovézt dalších 2030 milionů tun. Dovoz tohoto množství vyžaduje téměř 500 terawatthodin obnovitelné elektřiny, což odpovídá 14 procentům celou spotřebu elektřiny v EU.
Fakta a čísla
Projekce globálních dodávek zemního plynu a vodíku ve scénáři s nulovými čistými emisemi
Mimo Evropu národy jako Japonsko a Austrálie v rámci svého projektu Hydrogen Energy Supply Chain (HESC) ukázaly preference nejen pro zelený vodík – odvozený z obnovitelných zdrojů a elektrolýzy – ale také pro „čistý“ modrý vodík, který obsahuje CCUS. Komerční životaschopnost a vhodnost těchto projektů vzhledem k vyšším přepravním nákladům však zůstává prozatím nejasná.
Zvládnou stávající plynovody vodík?
Výzkum evropského plynárenského průmyslu ukazuje, že současné sítě plynovodů lze z velké části přeměnit pro přepravu vodíku. Použití těchto stávajících potrubí může snížit investiční náklady o 50–80 procent ve srovnání s výstavbou nových. Evropa očekává, že do roku 2040 bude mít přibližně 39,700 XNUMX km rozšířené infrastruktury vodíkových potrubí, která spojí nákladově efektivní výrobní oblasti s exportními destinacemi.
Kromě toho konsorcium plynárenských společností z Německa, Rakouska a Itálie plánuje 3,300 kilometrů dlouhý plynovod spojující severní Afriku s Itálií, Rakouskem a Německem. Španělsko a Francie se zabývají projektem H2Med – podvodním potrubím pokrývajícím jejich země, které má přepravovat vodík ze Španělska do Francie přes Středozemní moře.
Více od Franka Umbacha
Energie 30. března 2023
Bezpečnost dodávek LNG v Evropské unii
je vedoucí výzkumu na EUCERS/CASSIS, University of Bonn.
Energie 16. března 2023
Zajištění dodávek elektřiny do EU
je vedoucí výzkumu na EUCERS/CASSIS, University of Bonn.
Nedávná německá studie hodnotila přes 30 ocelí a zjistila, že jejich výkon při přepravě vodíku za standardních provozních podmínek v sítích pro dodávky plynu se neliší od výkonu zemního plynu. Směšovací poměr 20 procent vodíku by mohl vést k 6procentnímu snížení emisí CO2.
Nedávná americká studie, která se ponořila do mísení vodíku se zemním plynem a zvažovala různé materiálové, ekonomické a provozní faktory, však nabádá k opatrnosti. Naznačil potenciální úskalí a poznamenal, že vodík může snadno pronikat pevnými kovy, takže ocel potrubí je náchylnější k praskání.
Výzvy při přepravě kapalného vodíku
Pokud jde o přepravu nízkouhlíkového paliva, vodík může být přepravován jako kapalný vodík (LH2), čpavek (NH3) nebo jako kapalný organický nosič vodíku (LOHC) na různé vzdálenosti. McKinsey odhaduje, že z předpokládaných 660 milionů tun požadovaných do roku 2050 k dosažení cílů EU v oblasti klimatu bude 400 milionů tun vyžadovat přepravu na dlouhé vzdálenosti. U tras přesahujících 2,000 2,500–XNUMX XNUMX kilometrů se námořní doprava jeví jako nákladově nejefektivnější volba.
Ve srovnání se zemním plynem se kapalný vodík snadněji skladuje, ale představuje více technologických problémů, včetně potřeby udržovat teplotu -253 stupňů Celsia, aby se zabránilo vyvaření, což je výrazně nižší teplota ve srovnání s -162 stupni Celsia u LNG. Přeprava na velké vzdálenosti může vést ke ztrátě více než 30 procent energie a v některých případech – například na 9,000 40 kilometrů dlouhé lodní trase – může dojít ke ztrátě až XNUMX procent kvůli varu a spotřebě paliva pro pohon, což je údaj, téměř devětkrát vyšší než u přepravy LNG.
Další energetické ztráty ve výši asi 5 procent nastávají během dodávky a zpětného zplynování na terminálech pro dovoz vodíku. Země jako Japonsko, Austrálie a Saúdská Arábie silně sázejí na čpavek jako praktičtější nízkouhlíkové palivo kvůli jeho mírnějším požadavkům na chlazení (-33 stupňů Celsia) a stávajícím možnostem dopravy. Japonsko podporuje přechod v zemích jihovýchodní Asie od uhlí k čpavku, aby snížilo emise uhlíku bez uzavření stávajících uhelných elektráren. Vysoké náklady spojené se značnými rychlostmi spoluspalování čpavku však omezují jeho současnou proveditelnost.
Finanční omezení a investiční strategie
Vývoj zeleného vodíku vyžaduje rozšíření solárních a větrných elektráren pro proces výroby elektrolytického vodíku, což vyžaduje značné náklady. Například dovybavení terminálu LNG pro manipulaci s čpavkem vyžaduje o 11–20 procent vyšší investice než výstavba nového, zatímco zásobník vodíku může stát o 50 procent více než jeho protějšek na LNG.
V Africe, kde je většina místních energetických firem finančně omezena, jsou zásadní zahraniční investice. Afrika Green Hydrogen Alliance, zahrnující země jako Egypt a Jižní Afrika, potřebuje do roku 450 odhadem 900–2050 miliard dolarů na vodíkové projekty. Technologické nejistoty přiměly investory k opatrnosti, ačkoli nedávné iniciativy, jako jsou nové daňové úlevy vlády Spojených států na projekty čistého vodíku a „vodíková banka“ navržená Evropskou komisí usiluje o posílení důvěry investorů a podporu rozvoje vodíku.
Fakta a čísla
Globální délka vodíkového potrubí ve scénáři s nulovými čistými emisemi
Obavy z nedostatku vody
V EU jsou pro produkci zeleného vodíku optimální slunečné regiony jako Španělsko a Itálie, stejně jako severní Afrika. EU rozšířila své vodíkové „partnerství rovných“ do zemí Afriky a Jižní Ameriky. Snaží se diverzifikovat své budoucí dovozy vodíku, aby zabránila novým geopolitickým závislostem, respektovala dekarbonizační zájmy svých partnerských zemí a vyvarovala se koloniálních chyb – na rozdíl od čínského „neokoloniálního uchvacování zdrojů“. Rozsáhlá výroba zeleného vodíku by však mohla zhoršit stávající problémy s nedostatkem vody v Africe a na Středním východě a potenciálně poškodit zemědělskou produkci, zejména ve vnitrozemských oblastech.
Pobřežní státy začleňují do svých vodíkových projektů odsolovací zařízení, ale ty jsou nákladné a energeticky náročné, což může způsobit další ekologické problémy v okolních vodách. V současné době se více než 70 procent plánovaných projektů zeleného vodíku nachází v oblastech s nedostatkem vody, včetně USA (33 projektů plánovaných vodíkových uzlů), na Středním východě a v Africe, což představuje zásadní výzvu pro udržitelnou výrobu vodíku.
Scénáře
Technologický vývoj
V posledních letech se díky technologickému pokroku stala výroba, skladování a zavádění vodíku ekonomičtější. Některé prognózy uvádějí, že čistý vodík by mohl do roku 2050 pokrýt téměř čtvrtinu celosvětových energetických potřeb. Očekává se, že do roku 2030 bude zelený vodík cenově srovnatelný s modrým vodíkem, přičemž náklady mohou klesnout o 60 procent oproti hodnotám z roku 2020. Spekulovaná kapacita instalovaného elektrolyzéru 134–240 GW do roku 2030 bude klíčová pro pohon rozšířených dodavatelských řetězců po roce 2030.
Známky této zelené revoluce jsou již patrné. Například první dodávka kapalného vodíku byla doručena z Austrálie do Japonska počátkem roku 2022. Inovace v leteckém průmyslu naznačují, že do roku 2025–2026 by se mohla objevit letadla s dodatečným vybavením vodíkem, která by využívala motory poháněné přímo vodíkem.
V Austrálii byla vyvinuta nová technika elektrolýzy, která by mohla zvýšit účinnost ze 75 procent na ohromujících 95 procent. To by mohlo učinit zelený vodík ekonomicky konkurenceschopným s modrým vodíkem dříve, než se předpokládá v roce 2030. Počáteční známky ukazují, že gigatovárna na elektrolýzu může zahájit provoz do roku 2025, což naznačuje klesající ceny kapacity elektrolýzy.
Strategie Číny
Zatímco EU, Japonsko, Austrálie a USA ambiciózně prosazují vodík, čínské předpovědi vývoje vodíku se zdají být odměřenější a diverzifikují své energetické možnosti. Budoucí projekce Pekingu předpokládají 5 procent vodíku do roku 2030, přičemž do roku 10 vzrostou na 2050 procent jeho celkové spotřeby energie. Do roku 2035 počítá s komplexním průmyslem vodíkové energetiky. Do roku 2030 Čína předpokládá téměř ztrojnásobení svých solárních a větrných elektráren na 3.3 terawatthodin, což již představuje 30 procent celosvětové instalované solární kapacity prostřednictvím strategického snižování nákladů a dotací.
Ačkoli se očekává, že vývoj vodíku v Číně do konce tohoto desetiletí postupně poroste o přibližně 11–20 procent, jeho tempo se může ve 2030. letech 90. století zrychlit a do roku 2060 se potenciálně vyšplhat až na XNUMX milionů tun, aby bylo v souladu s její ambicí nulových čistých emisí. Na rozdíl od EU zahrnuje budoucí přístup Číny pragmatickou směs vodíkových projektů, které využívají své zásoby uhlí pomocí CCUS. S kontrolou nad kritickými surovinami životně důležitými pro elektrolýzu, jako je nikl a kovy ze skupiny platiny, by čínská pozice mohla ovlivnit globální závislosti a svázat je blíže k jejím ekonomickým a politickým cílům.
Regulační překážky
Globální nadšení pro vodík je hmatatelné, ale v těchto projekcích se vlády a průmysl mohou přiklonit k umírněnější perspektivě. Mnoho evropských vodíkových iniciativ zůstává nejistých kvůli nejasným předpisům a rozdílným normám v celé Evropě. Nedostatek standardizace na celém světě může působit jako překážka pro mezinárodní obchod s vodíkem. IEA doporučuje vládám, aby se zaměřily na standardizované procesy, aby se zabránilo fragmentaci trhu a urychlila průmyslová dekarbonizace. V současné době byla zprovozněna pouhá 4 procenta celosvětově ohlášených nízkoemisních vodíkových projektů, nebo byla schválena závěrečnými investičními uzly, které tyto překážky zdůrazňují.
Zaregistrujte se k odběru novinek
Získejte informace od našich odborníků každý týden do vaší schránky.
Čistý vodík je nabízen jako budoucí palivo EU a slibuje, že do roku 2030 dodá dostatek uhlíkově neutrální energie. Bude pohánět nákladní vozidla na dlouhé vzdálenosti, letadla, výrobu oceli a vytápění domácností, říkají zastánci. Ekologové jsou ale k těmto zeleným ctnostem skeptičtí.
„Nemůžeme řešit klimatickou krizi spotřebou stejného množství energie a spalováním různých paliv. Úspory energie, měnící se spotřeba energie a elektrifikace co největšího množství vytápění, dopravy a průmyslu by měly být jádrem našich energetických plánů,“ řekla Silvia Pastorelli, aktivistka za klima a energii v Greenpeace.
Elektrolyzérů potřebných k štěpení vody na kyslík a vodík je málo a obnovitelná elektřina potřebná k jejich napájení zatím není dostačující. Evropská komise odhaduje, že k tomu, aby zelený vodík mohl v roce 180 tvořit 470–13 % energetického mixu EU, bude zapotřebí 14 až 2050 miliard EUR.
Ale věci se rychle hýbou s novými vodíkovými demonstračními projekty, které se spouštějí každý den. Země připravují strategie pro budování trhů s ekologickým vodíkem. Start-upy a výzkumní pracovníci pracují napříč celým hodnotovým řetězcem vodíku.
Jeden takový start-up, Kubagen, si klade za cíl zlepšit skladování vodíku a jeho zakladatel a generální ředitel David Antonelli je přesvědčen, že vodík tu zůstane. „Každý den slyším nové věci, ale větrné elektrárny v Texasu jsou nyní v porovnání s naftou velmi blízko nákladově efektivním a očekává se, že se budou dále zlepšovat. Spolupracujeme také s fotovoltaickými společnostmi, které instalují zelené vodíkové elektrárny po celé EU – hodně se velmi rychle mění,“ řekl Antonelli.
Tráva je vždy zelenější
USA zahájily plán, jak do roku 1 snížit cenu 1 kg zeleného vodíku na 2030 dolar, zatímco Německo se spojilo s Austrálií a Namibií, aby vytvořily globální dodavatelské řetězce vodíku.
Za posledních 20 let bylo oznámeno téměř 450 nízkouhlíkových vodíkových demonstračních projektů a podle databáze Mezinárodní energetické agentury tento seznam stále roste.
Technologie výroby zeleného vodíku se však teprve rodí a celý proces je drahý. Zelený vodík dnes nemůže konkurovat jiným zdrojům energie, ani šedému vodíku vyráběnému z fosilních paliv.
V mnoha národních strategiích se počítá s prozatímním krokem využití methanu k výrobě vodíku, ale zachycování uhlíku, čímž se produkuje takzvaný modrý vodík. To je považováno za čistší alternativu k jeho šedému protějšku a způsob vývoje aplikací a pomoci při budování trhů s vodíkem.
Technicky jsou emise uhlíku zachycovány, ale nedávná studie vědců z Cornell a Stanford University říká, že modrý vodík může být pro životní prostředí až o 20 % horší než přímé spalování metanu. „Technologie zachycování a ukládání uhlíku používaná při výrobě tohoto fosilního vodíku je extrémně drahá a dosud neprokázaná v rozsahu, který by byl vyžadován,“ řekl Pastorelli.
V průmyslu panují neshody. V srpnu Chris Jackson, předseda britské Hydrogen and Fuel Cell Association, přední průmyslové skupiny, odešel den předtím, než země odhalila svou vodíkovou strategii, s odkazem na obavy ze spoléhání plánu na modrý vodík, který nazval „drahým rozptýlením“. . Jackson, který je generálním ředitelem specialisty na udržitelnou energii Protium, byl zvolen do čela teprve na konci června.
Propagátoři modrého vodíku říkají, že to není dlouhodobá odpověď, ale spíše odrazový můstek. Zelený vodík je konečným cílem a úloha, kterou hraje modrý vodík, do značné míry závisí na schopnosti průmyslu dodávat, řekl Jorgo Chatzimarkakis, generální ředitel Hydrogen Europe, největší vodíkové asociace v EU. „Pokud vůbec někdy, modrý vodík by se měl používat pouze v přechodném období, aby se daly uplatnit další technologie, jako je mobilita. Měla by však být povinná vysoká míra dekarbonizace ve výši 90 %.
Starý produkt, staré problémy
Není to poprvé, co byl vodík oslavován jako palivo budoucnosti. Poháněl první spalovací motor v roce 1806. V roce 1970 byl termín vodíková ekonomika vytvořen poté, co zpráva amerického akademika Lawrence Jonese odstartovala v zemi vodíkový humbuk, který nakonec v 1980. letech utichl.
Dnes se vodík vyrobený z fosilních paliv, bez zachycování uhlíku, používá hlavně v chemickém a rafinérském průmyslu. Je zodpovědný za 830 milionů tun emisí CO2 ročně, což odpovídá ročním emisím Spojeného království a Indonésie dohromady.
Zatímco zelený vodík se tomuto znečištění vyhne, zůstává mnoho starých problémů, zejména jak jej bezpečně skladovat. Zatímco je vodík méně toxický a snadněji se rozptyluje než zemní plyn, má ve vzduchu široký rozsah hořlavých koncentrací a nižší zápalnou energii než benzín nebo zemní plyn, což znamená, že se může snadněji vznítit.
V současné době vyžaduje skladování vodíku extrémně vysoký tlak, a proto je příliš drahé a neefektivní pro široké použití ve vozidlech.
Kubagen pracuje s novými sloučeninami základních kovů, které jsou levné a snadno se syntetizují, aby umožnily skladování vodíku při pokojové teplotě a mírném tlaku. Společnost tvrdí, že její materiály dokážou uložit čtyřikrát více vodíku ve stejném prostoru než současné systémy, a to za 25 % nákladů.
„To znamená, že můžeme získat čtyřnásobný dojezd při nižších nákladech než současný 700 barový sklad, což otevírá dveře aplikacím pro vozidla na dlouhé vzdálenosti. Náš materiál tedy zjevně mění hru, zejména u vozidel na dlouhé vzdálenosti, kde jsou lithiové baterie nepraktické a současných 700 barů nesplňuje požadavky, to znamená, že nádrž by byla na nákladním vozidle příliš velká, než aby byla praktická,“ řekl Antonelli.
Navzdory tomuto pokroku zůstávají zelené skupiny skeptické ohledně celkového potenciálu vodíku a nazývají jej nebezpečným odváděním pozornosti od lepších alternativ, jako je přímá elektrifikace. „Vodík není žádná stříbrná kulka a bude i nadále vzácným zdrojem, zejména obnovitelným vodíkem. Protože vodík není primárním zdrojem energie, ale nosičem, a kvůli velkým ztrátám při přeměně je obnovitelný vodík méně účinný než přímá elektrifikace a přestavba vytápění a dopravy, což by mělo zůstat prioritou,“ řekl Pastorelli. “Obnovitelný vodík by měl být zaměřen na průmyslové procesy, kde je obtížnější dosáhnout dekarbonizace, jako je výroba oceli.”
Jasnost vede k akci
Vodíková strategie EU ji v roce 2020 postavila na cestu k vodíkové ekonomice. Od té doby Evropská komise koordinuje investice s průmyslem prostřednictvím aliance Clean Hydrogen Alliance. Existuje také rámec umožňující přeshraniční vodíkové projekty s pomocí volnějších pravidel státní pomoci.
Komise společně s průmyslem investuje do vodíku od roku 2008, kdy zahájila první vodíkové partnerství veřejného a soukromého sektoru. Nejnovější verze iniciativy, která se nyní plně zaměřuje na zelenou verzi plynu, má být spuštěna v nadcházejících měsících, kdy členské státy EU dají partnerství souhlas.
Průmysl přivítal plány Komise, ale vyčkává na jasnější pravidla trhu, aby podpořila poptávku. “ V první řadě je hlavním úzkým hrdlem nedostatek jasného a koherentního legislativního rámce upravujícího trh s vodíkem a aspekty a pobídky související s infrastrukturou,“ řekl Chatzimarkakis.
Jakmile se zjednoduší legislativa a vznikne dostatečná poptávka, lze výrobu vodíku rozšířit, včetně zelené verze plynu, říká Chatzimarkakis. S dostatečnou poptávkou a zvýšenou výrobní kapacitou budou ceny klesat, čímž se vodík stane konkurenceschopným vůči současně dominantním znečišťujícím formám energie. Tento posun závisí na snížení nákladů na obnovitelné zdroje energie a na zvýšení nákladů na uhlík.
Tři podmínky správného tržního prostředí, podpůrná politika a zvýšená výrobní kapacita mohou „zajistit konkurenceschopnost a vzhledem k současným očekáváním by většina aplikací měla být do roku 2030 cenově konkurenceschopná s jejich fosilními alternativami,“ řekl Chatzimarkakis.
Globální rasa
Spojené království nedávno oznámilo, že plánuje přilákat investice ve výši 4 miliard liber na spuštění celostátní vodíkové ekonomiky, zatímco USA navyšují finanční prostředky na snížení nákladů na čistý vodík o 80 % v nadcházejícím desetiletí. Mezitím nový čínský pětiletý plán předpokládá, že se vodík stane jedním ze šesti průmyslových odvětví budoucnosti v zemi.
Pro Evropu to znamená závod. Chatzimarkakis říká, že je nezbytné, aby si EU udržela vedoucí postavení v oblastech, jako jsou technologie elektrolýzy a vodíkové čerpací stanice. V oblastech, kde mají ostatní vedoucí postavení, jako jsou palivové články, je životně důležité držet krok s konkurencí.
Cílem by mělo být vyhnout se opakování příběhu o solární energii, když se Čína po silném startu v Evropě stala největším světovým výrobcem a trhem pro fotovoltaiku, řekl Chatzimarkakis.
Pro ekologické skupiny existuje jiný problém, který spočívá v tom, aby se energetické systémy po celém světě nestaly závislými na modrém vodíku. „Několik příštích let je pro klima zásadních: pokud se zdržíme, nebo ještě hůř, uzavřeme se do dalšího toxického systému, ztratíme šanci vyhnout se nejhorším dopadům klimatického zhroucení,“ řekl Pastorelli.
Nikdy nezmeškejte aktualizaci od Science|Business: Přihlášení k odběru novinek
