Proč není vodíková energie budoucností?

Plynný vodík je perspektivní jako čistý zdroj energie, ale jeho výrobní metody nejsou vždy šetrné k životnímu prostředí.

Publikováno: 30. srpna 2023 02:01 EST

Je plynný vodík nejlepší volbou pro čistou energii?

Získejte denní přehled nejnovějších zpráv v oblasti techniky, vědy a technologie, který bude doručen přímo do vaší poštovní schránky. Přihlaste se k odběru.

Přihlášením k odběru souhlasíte s našimi Podmínkami použití a Zásadami. Z odběru se můžete kdykoli odhlásit.

• Vodík sám o sobě je čistý a udržitelný zdroj energie, ale výroba vodíku vyžaduje hodně energie.
• Pokud tato energie pochází z fosilních paliv, znamená to, že vodík je mnohem méně udržitelný.
• Ale každý den se vyvíjejí nová řešení.

Vodík je čistý a obnovitelný zdroj energie, který má velký příslib jako udržitelná alternativa k fosilním palivům.

Ale zatímco vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru, není na Zemi vždy snadno dostupný v použitelné formě. I když je vodík přítomen ve vodě (H2O) a v organických sloučeninách (jako jsou uhlohydráty a uhlovodíky), aby jej bylo možné použít jako zdroj energie, musí být z těchto sloučenin extrahován v čisté, plynné formě.

Zatímco samotný vodík je palivo s téměř nulovými emisemi, proces těžby může vyžadovat značné množství energie – většina z nich pochází z fosilních paliv. To vyvolává obavy ohledně udržitelnosti a dopadu používání vodíku na životní prostředí.

• Zelený podnikatel spustí první britskou leteckou společnost na vodíkový pohon
• Japonští vědci našli jednoduchý a cenově dostupný způsob skladování vodíku
• Tato technologie může vyrábět vodík na vyžádání pomocí účinnějších zinkových baterií

Stane se tedy vodík skutečně čistým zdrojem energie nové generace?

Vodík jako čisté palivo

Vodík není přímo zdrojem energie, ale spíše nosičem energie. To znamená, že působí jako prostředník v energetických systémech, uchovává a přenáší energii z bodu A do bodu B. V tomto procesu může být bod A jak látkou obsahující vodík, tak energií použitou k oddělení vodíku od ostatních prvků v ta chemická sloučenina.

Jakmile je vodík vyroben, může být spalován s kyslíkem nebo použit v palivových článcích k výrobě tepelné a elektrické energie pouze s vodní párou (H2O) jako vedlejším produktem.

Palivové články přeměňují chemickou energii paliva, jako je vodík, na elektřinu a teplo, bez spalování a bez vedlejších produktů spalování, jako je CO2.

Ve vodíkovém palivovém článku je vodík přiváděn k anodě a vzduch je přiváděn ke katodě. Katalyzátor na anodě rozděluje molekuly vodíku na protony a elektrony. Elektrony procházejí vnějším obvodem a vytvářejí tok elektřiny. Protony migrují přes elektrolyt ke katodě, kde se spojují s kyslíkem a elektrony za vzniku vody a tepla.

Vodík lze spalovat i přímo ve spalovacích motorech, kde reaguje s kyslíkem a vzniká teplo a vysokotlaké plyny. Tyto plyny rychle expandují a tlačí píst uvnitř motoru. Pohyb pístu se přeměňuje na mechanickou energii, která pohání kola a produkuje pouze vodu a malé množství oxidů dusíku (NOx) jako vedlejší produkty.

Způsoby výroby vodíku

Vodík je vysoce reaktivní prvek. Ve svém nejvzdálenějším obalu má pouze jeden elektron, což je také jeho první a jediná energetická hladina. V důsledku toho se přirozeně snaží dosáhnout stabilní elektronové konfigurace, a proto má tendenci snadno vytvářet chemické vazby s jinými prvky. To je důvod, proč se na Zemi běžně nevyskytuje ve své čisté formě a je třeba jej vyčistit, aby se mohl používat jako zdroj energie.

Mezi běžné způsoby čištění vodíku patří:

• Elektrolýza, kdy elektrický proud štěpí molekuly vody na vodík a kyslík;
• Parní reformování metanu, které extrahuje vodík ze zemního plynu (CH4); a
• Zplyňování biomasy, které vyrábí vodík z organických materiálů získaných z rostlin a zvířat.

Elektrolýza vyžaduje hodně energie. To může pocházet buď z fosilních paliv, nebo z obnovitelných zdrojů energie, jako je větrná, solární nebo vodní energie. Pokud je napájen z obnovitelných zdrojů, je vodík považován za „čistou“ energii a obecně se označuje jako zelený vodík.

Zelený vodík lze také vyrábět pomocí zplyňování biomasy. Tato metoda má nízkou uhlíkovou stopu a může podporovat opětovné využití odpadních materiálů. Spoléhá se však na konzistentní dodávky suroviny biomasy, které jsou omezené zásoby a mají nízkou energetickou hustotu.

Z těchto důvodů je nejběžnější metodou výroby vodíku parní metanové reformování (SMR), které se obecně provádí pomocí stávající infrastruktury zemního plynu.

Při reformování pára-methan reaguje metan s párou pod tlakem a v přítomnosti katalyzátoru. Tato metoda produkuje vodík, oxid uhelnatý a malé množství oxidu uhličitého. Vyžaduje také energii ve formě tepla, aby reakce probíhala.

Celkově je SMR nákladově efektivní, protože extrahuje vodík z levné suroviny na zemní plyn. Zemní plyn však není obnovitelný zdroj a tento proces uvolňuje skleníkové plyny ve formě oxidu uhelnatého a oxidu uhličitého jako vedlejší produkty, takže z dlouhodobého hlediska nejde o udržitelnou metodu výroby vodíku. Proto se vodík vyrobený touto metodou označuje jako šedý vodík.

Jedním ze způsobů, jak minimalizovat uvolňování skleníkových plynů z tohoto procesu, je jeho použití v kombinaci s technologiemi zachycování a ukládání uhlíku (CCS). Toto však není úplné řešení, protože SMR je složitější a dražší. Vodík vyrobený pomocí SMR ve spojení s CCS se označuje jako modrý vodík.

Jiné způsoby výroby

Kromě tří hlavních typů extrakce a čištění vodíku popsaných výše (zelená, šedá a modrá) existují další:

• Zplyňování je termochemický proces, který extrahuje vodík z materiálů bohatých na uhlík, jako je biomasa nebo uhlí. V obou případech se uvolňuje oxid uhličitý. V případě biomasy je však uvolněný CO2 poněkud kompenzován tím, že biomasa je tvořena oxidem uhličitým, který byl dříve z atmosféry odstraňován rostlinami. Zplyňování uhlím však není kompenzováno, a tak vodík vyrobený touto metodou nejvíce zatěžuje životní prostředí a označuje se jako hnědý nebo černý vodík.
• Vodík vyrobený elektrolýzou poháněnou jadernou energií se nazývá růžový vodík. Podle francouzské banky Lazard dokáže elektrolýza na jaderný pohon vyrobit o 63 % více vodíku než elektrárny na zelený vodík. Růžový vodík však nemusí být tak udržitelný, jak se zdá, protože má nízkou tepelnou účinnost.
• Elektrolýza, když je poháněna sluneční energií, produkuje takzvaný žlutý vodík. Jedná se o velmi čistý způsob výroby vodíku, který je však omezen dostupností solární energie.

• Bílý vodík označuje přirozeně se vyskytující vodík nacházející se na Zemi, konkrétně v podzemních ložiscích. Má se za to, že je vzácný a v současnosti je primárně dostupný přes frakování – metoda, která je extrémně kontroverzní, protože je náročná na zdroje a je spojena s kontaminací podzemních vod, znečištěním ovzduší, degradací půdy a indukcí zemětřesení, mezi jinými negativy.
• Tyrkysový vodík označuje produkt metody známé jako pyrolýza metanu. Stejně jako SMR pyrolýza metanu rozkládá molekuly zemního plynu za vzniku vodíku. Tato reakce se však typicky provádí při vysokých teplotách, obvykle nad 1000 °C, v nepřítomnosti kyslíku. Výsledkem je, že jeho vedlejším produktem není oxid uhličitý (CO2) jako u SMR, ale pevný uhlík. Jedná se o slibnou možnost, pokud a) lze uhlík bezpečně skladovat nebo používat, aniž by se dostal do atmosféry; a b) lze-li jej vyrobit z obnovitelných zdrojů energie.

Jak čistý je vodík, opravdu?

Vodík ve skutečnosti není sám o sobě zdrojem energie, ale nosičem energie, který závisí na výrobních, skladovacích a dopravních metodách, aby se stal použitelným. A rozhodně nemůže být zdrojem zelené energie, pokud energie potřebná k výrobě, skladování nebo přepravě pochází z fosilních paliv.

Od nynějška se vodík může stát skutečně čistým zdrojem energie pouze tehdy, bude-li vyráběn pomocí obnovitelných energií. Výzkum ukazuje, že většina vodíku, který se dnes vyrábí, je ve skutečnosti šedý a hnědý vodík.

Kromě toho může modrý vodík ve skutečnosti obsahovat mnohem méně CCS, než uvádějí jeho výrobci (12 % oproti 80–90 %). Výkon technologií CCS bude pravděpodobně přeprodán výrobci modrého vodíku, protože výroba modrého vodíku nakonec využívá infrastrukturu zemního plynu. To také dává průmyslu fosilních paliv dokonalou záminku, aby pokračoval ve vrtání a budování této infrastruktury.

Existují však návrhy na zlepšení výroby vodíku. Například Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) nedávno představil metodu výroby čistého vodíku založenou na solárním štěpení vody, což je typ umělé fotosyntézy. To zahrnuje použití materiálu, který může absorbovat sluneční světlo, aby zahájil štěpení molekul vody na vodík a kyslík.

Jednou výhradou je, že metody výroby vodíku na bázi vody vyžadují hodně čisté vody, která se po procesu stává odpadní vodou, a čištění této odpadní vody může uvolňovat ještě více emisí CO2.

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