Průmysl fosilních paliv propaguje vodík všeho druhu jako nízkouhlíkovou náhradu pro všechny druhy použití fosilních paliv – od pohonu vozidel a těžkého průmyslu až po vytápění budov. Ve skutečnosti nás mnoho vodíkových projektů zablokuje pouze k dalšímu využívání fosilních paliv a dalším investicím do infrastruktury fosilních paliv.
Sierra Club podporuje pouze používání zeleného vodíku—vodík vyrobený elektrolýzou, který je poháněn obnovitelnou energií. I v případě zeleného vodíku musí být splněny další podmínky, aby jeho použití bylo dobrým nápadem:
1. Zelený vodík je slibným řešením pouze pro použití, která se jinak nemohou přímo spoléhat na čistou elektřinu, která je mnohem efektivnější.
2. Zelený vodík by neměl být používán k ospravedlnění výstavby zařízení, která jinak zvyšují znečištění nebo spotřebu fosilních paliv.
3. Pokud se používá zelený vodík, cílem by měl být přechod na 100% zelený vodík, jakmile bude technologie dostupná. Neměli bychom podporovat projekty, které se označují za „udržitelné“, protože jejich palivový zdroj obsahuje malý zlomek vodíku, když lví podíl na něm tvoří frakovaný plyn.
Jak se vyrábí vodík?
Průmysl fosilních paliv vzbuzuje velký zájem o vodík, představuje jej jako řešení klimatické krize a spojuje zelený vodík vyrobený z
obnovitelné zdroje s vodíkem vyráběným z fosilních paliv. V současné době více než 99 procent ročních dodávek vodíku ve Spojených státech, asi 10 milionů metrických tun,
pochází téměř výhradně z fosilních paliv prostřednictvím „parního metanového reformování“ (SMR), což je energeticky náročný proces, při kterém se metan rozkládá na vodík a oxid uhličitý. Vodík vyráběný prostřednictvím SMR je produkt s vysokými emisemi, který dostal název „šedý vodík“. Naproti tomu „zelený“ vodík se vyrábí štěpením vody na vodíkové a kyslíkové složky elektrolýzou, která je poháněna obnovitelnými zdroji energie. Zatímco průmysl propaguje vodík jako „čistý“
řešení je globálně pouze 0.02 procenta současné produkce vodíku zelených. Výroba „modrého“ vodíku využívá zachycování a sekvestrace uhlíku (CCS) k odstranění oxidu uhličitého (CO2), který se uvolňuje při výrobě vodíku.
Nejběžnější typy vodíku, jejich suroviny a související emise CO2 z výroby jsou uvedeny v tabulce níže. Zelený vodík je jediný typ
že by Sierra Club zvážil podporu, ale i projekty zeleného vodíku by měly být hodnoceny případ od případu.
1) Pro účely této zprávy „obnovitelná energie“ zahrnuje větrnou, solární nebo geotermální energii. Průmyslové skupiny také používají termín „zelený“ vodík k zahrnutí elektrolýzy poháněné biomasou nebo bioplynem, které poškozují klima a veřejné zdraví.
2) Existuje další proces, který lze použít místo SMR, a to autotermální reformování (ATR). ATR se již používá při výrobě čpavku a metanolu a navrhuje se jako náhrada za SMR, protože umožňuje zachycování uhlíku vyšší rychlostí než konvenční SMR a při nižších nákladech. Viz: Gorski, Jan, Jutt, Tahra, Wu, Karen T., „Intenzita uhlíku produkce modrého vodíku“ (Pembina Institute, srpen 2021).
K čemu se používá vodík?
Jakmile se vodík vyrobí, existují v podstatě dvě možnosti jeho využití k výrobě bezuhlíkové elektřiny: prostřednictvím palivových článků nebo spalovacích turbín. Obě metody
mají klady a zápory v závislosti na aplikaci. Palivové články mají větší hustotu energie (tj. menší nároky na prostor), ale jsou obvykle dražší. Při použití v palivovém článku jsou jedinými vedlejšími produkty vodíku teplo a vodní pára. Vodík lze také spalovat, podobně jako plyn, k výrobě elektřiny, což má za následek vodní páru a oxidy dusíku (NOx), škodlivé znečišťující látky. Existují také návrhy na využití vodíku k výrobě syntetických paliv (tj. pro námořní palivo nebo pro letectví).
Současné použití
Rafinérie ropy jsou největším spotřebitelem vodíku v USA, spotřebovávají asi 60 procent veškerého domácího vodíku jako vstup do výroby nafty. Dalších 30 procent spotřebuje výroba čpavku, který se používá jako surovina pro chemická hnojiva. Zbývajících 10 procent se používá k výrobě syntetických uhlovodíků, které se používají v různých palivech a na chemických trzích. Tato stávající použití vodíku by měla být převedena na zelený vodík. Vodík by však nikdy neměl být používán k ospravedlnění expanze infrastruktury fosilních paliv, jako jsou ropné rafinerie.
budovy: Vodík není rozumnou náhradou plynu v topných a kuchyňských spotřebičích v budovách. Elektrifikace je lepší varianta; je již k dispozici, je účinnější, nákladově efektivnější a poskytuje čistší vnitřní vzduch než plyn. Plynové spotřebiče zvládnou přimíchávání vodíku pouze v množství 5 až 20 procent objemu, což výrazně omezuje potenciál pro snížení emisí (jak je uvedeno níže). Spotřeba vodíku v budovách nad touto úrovní by vyžadovala instalaci všech nových zařízení pro bezpečnost a kontrolu emisí. Vodík je také extrémně hořlavý a může se vznítit i v malých koncentracích. Jedna studie zjistila, že pokud by se vodík používal v domácnostech jako náhrada plynu, roční předpokládaný počet výbuchů by se více než zčtyřnásobil, což by následně zvýšilo počet zranění.
Elektrotechnický sektor: Vodík by se ve velké míře neměl používat k výrobě elektřiny. V současné době dokáže technologie turbín zpracovat 5 až 20 procent vodíku smíchaného s plynem, přičemž novější technologie, které se blíží komercializaci, dosahují 30 procent. Při těchto nízkých rychlostech přimíchávání se emise uhlíku používáním vodíku snižují jen minimálně, vzhledem k nízké hustotě energie vodíku (více níže). Zatím neexistují žádné komerčně dostupné elektrárny, které by dokázaly spalovat 100 procent vodíku. Spalování směsi plyn/vodík by pravděpodobně zvýšilo emise NOx (více níže). Obnovitelná energie by se měla používat přímo, kdykoli je to možné. Vodík, dokonce ani zelený vodík, by se neměl používat k maskování stávajících plynáren jako „čistých“ ani k ospravedlnění investic do nových plynáren.
Zelený vodík má určité potenciální využití jako možnost dlouhodobého (např. vícedenní až sezónní) skladování energie. Mohlo by se vyrábět v obdobích přebytku obnovitelných zdrojů za použití jinak omezeného výkonu a pak by se mohlo použít v palivových článcích k vyrovnání sítě bez emisí CO2 nebo NOx. Takto použitý zelený vodík by mohl doplňovat baterie jako způsob bez CO2 k nahrazení plynových špiček a zároveň snížit frakování a emise metanu, které pocházejí z výroby a přepravy plynu.
Doprava: Vodík by se neměl používat k pohonu většiny vozidel. Možnosti elektrických vozidel jsou dostupné, efektivnější a levnější na nákup a provoz než vozidla na vodík. To platí zejména pro lehká užitková auta. Vzhledem k pokroku v technologii elektrických vozidel by automobilové společnosti měly investovat do elektromobilů, nikoli do aut na vodík. Školní autobusy, tranzitní autobusy a kamiony, které udržují kratší trasy, by také měly být elektrické, nikoli na vodíkový pohon. Státy by se měly zaměřit na dotování infrastruktury elektrických vozidel, nikoli vodíkové infrastruktury pocházející z metanu.
Možná použití: Existuje několik způsobů, jak by používání zeleného vodíku mohlo být součástí dosažení nulových emisí v celé ekonomice, ale pravděpodobně jsou nejvhodnější pro odvětví, která se obtížně dekarbonizují, jako je nákladní doprava na dlouhé vzdálenosti. Zelený vodík má potenciál pomáhat ukládat přerušovanou energii z obnovitelných zdrojů; být přeměněn na palivo s „nulovými emisemi“ pro námořní dopravu a letectví; být používán ve vysoce tepelných průmyslových procesech, které nelze jinak elektrifikovat; nebo se používá jako surovina v některých průmyslových procesech, jako je výroba oceli.
Vodík je neefektivní využití čisté elektřiny
Vždy je efektivnější využívat obnovitelnou energii přímo, než přeměňovat obnovitelnou energii na vodík pro použití jako zdroj energie. To platí napříč sektory a koncovými použitími. Využití obnovitelných zdrojů k výrobě vodíku je asi o 20 až 40 procent méně účinné než přímé využití obnovitelné energie, pokud je přímé využití možné. Z tohoto důvodu by Sierra Club vždy preferoval přímé využívání obnovitelné elektřiny, pokud je to možné. Potenciální využití zeleného vodíku by mělo být omezeno na případy, kdy nelze obnovitelnou energii přímo využít nebo efektivně skladovat.
Výhody vodíku pro klima jsou omezené
Zelený vodík neprodukuje skleníkové plyny, takže pokud se použije k nahrazení jiných zdrojů energie, které produkují, může mít klimatický přínos. Potenciální klimatický přínos řešení zeleného vodíku musí být posouzen oproti jiným rozumným alternativám. Například vstřikování malého množství zeleného vodíku do proudu metanu snižuje malé množství metanu, který by se jinak spálil, a následný dopad tohoto metanu na klima. Nahrazení tohoto proudu metanu elektrifikací konečného použití (tj. elektrifikovanými budovami) by však pro snížení emisí oteplování planety udělalo mnohem více.
Plynárenský průmysl nabízí „modrý vodík“ jako řešení šetrné ke klimatu, protože teoreticky se oxid uhličitý odstraňuje a ukládá během procesu výroby vodíku. Nedávný výzkum však ukazuje, že výroba modrého vodíku ve skutečnosti nesnižuje emise do klimatu ve srovnání s používáním metanu. Ve skutečnosti použití vodíku vyrobeného z plynu s nebo bez CCS v elektrárně ve skutečnosti produkuje více emisí než samotné spalování plynu v této elektrárně, a to kvůli intenzitě emisí při vytváření modrého nebo šedého vodíku. I když se únik sníží na 1.5 procenta (optimistický předpoklad), jedna studie zjistila, že používání modrého vodíku stále vytváří více emisí než používání plynu. To znamená, že jak elektrárna používá rostoucí množství modrého vodíku smíchaného s plynem, její emise během životního cyklu se ve skutečnosti zvýší.
Vodík při konečném použití neprodukuje uhlíkové emise. Pokud je vodík smíchán s metanem v elektrárně, emise uhlíku z této elektrárny budou nižší. Vodík má však nižší hustotu energie než plyn, což znamená, že k zajištění stejného energetického vstupu jako stejný objem plynu je zapotřebí větší objem smíšeného vodíku a metanu. Z tohoto důvodu má směs 30 procent vodíku a 70 procent objemu plynu za následek pouze 13procentní snížení emisí uhlíku při konečném použití.
Kromě toho by jakýkoli únik vodíku mohl podkopat výhody zeleného vodíku a zvýšit emise během životního cyklu jiných typů vodíku, protože vodík je nepřímý skleníkový plyn – což znamená, že se kombinuje s dalšími sloučeninami v atmosféře a způsobuje oteplování – který je pětkrát účinnější než oxidu uhličitého v časovém horizontu 100 let.
Vodík produkuje znečištění
Při spalování vodíku nevznikají emise uhlíku, ale emise NOx jsou až šestkrát horší než ty, které se uvolňují spalováním metanu. NOx může způsobit vážné zdravotní účinky, včetně astmatu a zvýšené pravděpodobnosti respiračních infekcí; NOx je také prekurzorem pevných částic a ozónu, které poškozují dýchací systém. I když existují metody kontroly emisí NOx v plynových elektrárnách, tyto technologie jsou účinné pouze při kontrole NOx při směsi 30 procent vodíku nebo méně.
Vodík používaný v palivových článcích nemá za následek emise uhlíku, ale pouze elektřinu, vodu a teplo. Výroba vodíku prostřednictvím parního metanového reformingu (SMR) produkuje emise, o kterých je známo, že jsou škodlivé, včetně NOx, pevných částic, oxidu uhelnatého a těkavých organických sloučenin (VOC).
Jak se vodík skladuje a přepravuje?
Potrubí: Asi 96 procent stávajících plynovodů v USA je ocelových. Ocel je citlivá na „vodíkové křehnutí“, což je ztráta pevnosti kovu v důsledku vstupu vodíku do malých prostorů v kovu, což způsobuje praskání trubky. To činí téměř všechna současná přepravní potrubí v USA nebezpečná pro přepravu vodíku ve velkých objemech. Výzkumníci odhadují, že vodík může tvořit pouze asi 20 procent objemu nebo 7 procent energetického obsahu, než vytvoří bezpečnostní rizika v neupravených potrubích. Bezpečná přeprava vodíku vyžaduje buď plastové potrubí s povlakem zabraňujícím úniku vodíku, nebo podstatnou úpravu ocelových trubek. Plastová potrubí dnes tvoří velmi malou část stávajícího přenosového potrubního systému, ale více než polovina distribučních potrubí je plastová. V současné době existuje v USA 1,600 3 mil vodíkových potrubí (především podél pobřeží Mexického zálivu); pro srovnání, existují XNUMX miliony mil plynovodů na metan. Nahrazení stávajících potrubí novou infrastrukturou, která je bezpečná pro vodík, by byla velmi nákladná. Současné systémy detekce úniků jsou navíc navrženy pro plyn, nikoli pro vodík, a musely by být modernizovány, aby detekovaly vodík, bezbarvý plyn bez chuti a zápachu.
Skladování: Vodík má menší hustotu než plyn, což ztěžuje jeho skladování. Vodík lze skladovat ve velkém v solných jeskyních, které jsou omezeny na několik míst v USA. Pro dlouhodobé skladování musí být vodík přeměněn na kapalinu, což je proces, který může být dražší než výroba samotného vodíku. Skladování vodíku jako plynu vyžaduje vysokotlaké nádrže a jeho skladování jako kapaliny vyžaduje udržování kryogenních (velmi nízkých) teplot. Pokud by vodík nahradil plyn v globální ekonomice, vyžadovalo by to 3 až 4krát více skladovací infrastruktury s cenou 637 miliard USD do roku 2050, aby byla zajištěna stejná úroveň energetické bezpečnosti, jakou by svět měl s plynem.
Některé projekty navrhují přeměnu vodíku na kapalný čpavek pro skladování a přepravu a poté přeměnu čpavku zpět na vodík v místě výroby energie. Energie pro tento proces je přibližně stejná jako při chlazení a zkapalňování vodíku, ale existuje mnohem více infrastruktury pro bezpečnou manipulaci, přepravu a skladování čpavku.
Další infrastruktura: Protože vodík je méně hustý než plyn, přidávání vodíku do plynu vyžaduje větší celkové objemy, aby se vyrobilo stejné množství energie. Dodatečný objem znamená další kompresorové stanice pro přesun srovnatelného množství energie potrubním systémem, což má za následek celou řadu ekologických, zdravotních a klimatických problémů. Přimíchávání vodíku by také znamenalo náklady na vytvoření různých systémů měření na úrovni městské brány a obytných budov.
Kolik vody spotřebuje vodík?
Generování 1 kilogramu (kg) vodíku elektrolýzou spotřebuje 9 kg vody. Pro kontext, dodávka vodíku pro 288megawattovou elektrárnu využívající 100 procent vodíku by vyžadovala ekvivalent olympijského bazénu s vodou každých 12 hodin. Elektrárna by potřebovala další vodu pro chlazení, čímž by se celková spotřeba vody zvýšila na 15 až 20 kg vody na kg vodíku. I když se jedná o velké množství vody a mohlo by to být problematické pro oblasti s nedostatkem vody, požadavky na vodu vodíku jsou mnohem menší než množství vody potřebné pro těžbu a zpracování fosilních paliv dnes.
Vodík a environmentální nespravedlnost
Mnoho stávajících a navrhovaných vodíkových projektů se nachází v blízkosti stávajících ropných, plynárenských a chemických zařízení, která jsou neúměrně umístěna v barevných komunitách. Nové vodíkové projekty musí být vyhodnoceny, aby bylo zajištěno, že nejsou pouhým pokusem podpořit průmysl fosilních paliv nebo prodloužit životnost projektů fosilních paliv. Produkce, doprava a spalování ropy a zemního plynu má významný dopad na environmentální spravedlnost a hromadění vodíku nesmí tyto dopady zhoršovat. Je třeba zvážit bezpečné skladování (buď čpavku nebo vodíku), zejména v rekonstruovaných zařízeních. A konečně žádný projekt, který navrhuje spalování vodíku, nesmí zvyšovat emise NOx a další znečištění v oplocených komunitách.
Vodík je drahý ve srovnání s čistou elektřinou
„V současné době stojí konvenční fosilní vodík ve Spojených státech mezi 1.25 dolary/kilogram a 2 dolary/kilogram, zatímco zelený vodík stojí mezi 2.50 dolary/kilogram a 4.50 dolary/kilogram. Tři skupiny analytiků — z BloombergNEF, Wood Mackenzie a McKinsey — nedávno zjistily, že zelený vodík by se mohl stát nákladově konkurenceschopným do roku 2030, protože úspory z rozsahu snižují náklady na elektrolyzéry a cena větrné a solární energie bude nadále klesat. Průmysl prosazuje vývoj modrého vodíku s pochybným argumentem, že investice do suboptimální (nebo škodlivé) vodíkové infrastruktury dnes mohou umožnit nasazení zeleného vodíku v budoucnu. Ve skutečnosti budou náklady na zelený vodík klesat na základě pokroku v technologii elektrolyzérů a pokračujícího snižování nákladů na větrnou a solární energii, nikoli na základě vývoje šedého nebo modrého vodíku.
