Vodík ako riešenie pre sebestačnosť a udržateľnosť v oblasti energetiky budov
Časopis TZB Haustechnik 
V súčasnosti sa produkcia energie spaľovaním uhlia pohybuje na úrovni zhruba 140 TWh/rok, pričom túto energiu bude nutné čo najskôr nahradiť. Česká republika sa prihlásila k úplnému ukončeniu využívania uhlia do roku 2033, čo znamená, že v nasledujúcich rokoch môže v jej energetickom mixe práve tých 140 TWh energie ročne chýbať.
Primárnou cestou, ako túto stratu nahradiť, sú plynné palivá. Pojmom plynné palivá mienime v tomto prípade zemný plyn, biometán a vodík, pričom zemný plyn bude postupne nahradený čiastočne biometánom, ale predovšetkým vodíkom.
Vodík ako súčasť energetického reťazca
Je vysoko pravdepodobné, že vodík bude súčasťou energetického reťazca, a to v celkovom procese od získania energie až po jej spotrebu. Historicky ľudstvo využívalo niekoľko zdrojov energie, ktoré možno podľa skupenstva rozdeliť na pevné, kvapalné a plynné palivá. K týmto zdrojom sa v posledných rokoch pridal zdroj energie okolitého prostredia.
V prípade pevných, kvapalných a plynných palív ide v princípe o stabilné zdroje, tzn. časovo nezávislé a dlhodobo bezstratovo skladovateľné, čo zaisťuje aj stabilizáciu stálej možnosti spotreby.
To viedlo k mylnému záveru, že podobne bude fungovať aj ďalší zdroj, teda energia okolitého prostredia s nestabilnou a nepredvídateľnou možnosťou výroby, a že na dosiahnutie prechodu bude stačiť iba výmena zdroja. Prax však ukazuje, že kombinácia energie okolitého prostredia a spotreby energie vo forme elektriny alebo tepla nie je schopná optimálne a stabilne pokryť celý reťazec. Primárnym problémom je práve nemožnosť vyváženia výroby a spotreby, teda skladovateľnosť energie.
Transparentný príklad bol dokumentovaný v Nemecku, kde bol v stredu 15. 5. 2024 o 13.00 hodine vytvorený nový rekord vo výrobe solárnej elektriny s hodnotou 51,2 GW. Ten deň bol však na väčšine územia výnimočný (teplota v noci 10 – 15 ° C, cez deň 24 – 27 ° C, stabilný vietor 5 – 7 m/s, bez dažďa, 10 až 15 hodín slnečného svitu). Uvedené údaje ukazujú ideálne podmienky pre maximálnu produkciu energie z obnoviteľných zdrojov, ktorú však, najmä o 13.00 hodine, nikto nepotrebuje, a teda nespotrebuje.
Vlastnosti vodíka
Z hľadiska fyzikálnych vlastností ide o najrozšírenejší prvok v nami známom vesmíre, prvok s najväčšou kilogramovou výhrevnosťou na úrovni zhruba 33 kWh/kg (119 MJ/kg). Nevýhodou je veľmi nízka hustota, zhruba 90 g/m3, čo je viac ako 11 m3/kg. Z toho vychádza aj veľmi nízka objemová výhrevnosť zhruba 3 kWh/m3 (10,7 MJ/m3).So vzduchom tvorí horľavú zmes už od cca 4 % objemového mixu.
Výroba vodíka
Riešením vyššie uvedeného nesúladu medzi výrobou a spotrebou môže byť práve využitie vodíka. Vodík predstavuje v prípade využitia vstupnej energie z obnoviteľných zdrojov (OZE) obnoviteľné palivo. Za štandardný postup výroby sa považuje elektrochemický rozklad vody, pri ktorom je na výrobu 1 kg vodíka potrebné použiť zhruba 9 litrov demineralizovanej vody a 50 až 60 kWh elektrickej energie, pričom ako „odpad“ vznikne približne 8 kg kyslíka.
Alternatívne možno využiť parný reforming zemného plynu, teda reakciu vodnej pary a metánu pri teplote viac ako 700 °C. Tento proces však generuje uhlíkovú stopu, pričom na 1 kg vyrobeného vodíka pripadá 7 až 12 kg CO2. Parný reforming sa preto môže doplniť o systém zachytenia, ukladania a prípadne spotreby CO2, tzv. CCS (Carbon Capture Storage).
Aby bola výroba ekonomicky výhodná, výroba vodíka sa predpokladá primárne v čase nadprodukcie elektrickej energie z OZE. Vodík predstavuje stabilné energetické úložisko a v obmedzenom množstve ho možno vtláčať aj do rozvodnej sústavy zemného plynu.
Ekonomika vodíka
Vzhľadom na celkovo obmedzenú výrobu vodíka v súčasnosti je veľmi ťažké realizovať cenové kalkulácie, aj do budúcnosti však možno očakávať, že pre koncového užívateľa bude zrejme nákladovo najvyššia cena elektriny.
V prípade využitia zemného plynu je v súčasnosti cena oproti elektrine zhruba polovičná a možno očakávať, že tento systém sa zachová aj pri začlenení alternatívnych plynných palív do plynárenskej sústavy.Súčasná cena „zeleného“ vodíka sa pohybuje zhruba medzi 15 až 20 €/kg, čo sa rovná zhruba 12 až 15 Kč (0,48 až 0,60 €)/kWh, ide teda zhruba o štvor- až päťnásobok ceny elektriny.
Významným faktorom pri stanovení výrobnej ceny vodíka však môže byť spotová cena elektrickej energie, ktorá môže byť v čase nadvýroby, resp. minimálnej spotreby nižšia ako nulová. Systém výroby vodíka v čase nadprodukcie elektrickej energie tak môže cenu vodíka stlačiť na úroveň zemného plynu. Vzhľadom na možnosť skladovania možno očakávať, že náklady pre spotrebiteľov budú v prípade plynu aj po plnej dekarbonizácii nižšie ako v prípade elektriny.
V tejto súvislosti treba spomenúť, že pri akejkoľvek energetickej alebo ekonomickej predikcii je potrebné počítať s tým, že zemný plyn tu celosvetovo je a bude. Súčasná ročná (2022) spotreba zemného plynu v Českej republike predstavuje viac ako 7,5 miliárd m3, celosvetová zhruba 400 miliárd m3. Vzhľadom na to, že celosvetové zásoby možno odhadovať zhruba na 500 000 miliárd m3, predstavuje zemný plyn pri súčasnej spotrebe celosvetový zdroj energie na viac ako 1 200 rokov.
Preto možno očakávať, že globálna cena zemného plynu je a bude veľmi nízka a prechod na akýkoľvek alternatívny zdroj energie bude predstavovať pre danú oblasť extrémnu ekonomickú záťaž, ktorá bude musieť byť umelo kompenzovaná.
Transport vodíka
Na transport vodíka sa v súčasnosti využívajú tri základné možnosti: Transport prebieha obmedzene v lokálnych potrubných sieťach v plynnej forme a tlakoch zodpovedajúcich transportu zemného plynu. Zrejme najrozšírenejším spôsobom je využitie cestnej dopravy.
Vodík sa prepravuje najčastejšie v plynnej forme návesmi s nosnosťou do 35 ton, najmä vo forme zväzku tlakových fliaš a pri tlaku okolo 200 barov. Týmto spôsobom je možné transportovať jednorazovo 300 až 500 kg vodíka. Globálna preprava je v súčasnosti v štádiu raného vývoja. Bude ju možné zaistiť vo forme medzinárodných plynovodov v prípadnej kombinácii s lodnou dopravou, pričom vodík sa bude dopravovať z miest optimálnych na jeho výrobu.
Je vysoko pravdepodobné, že na potrubnú dopravu vodíka sa využijú aj už existujúce plynové siete.Vo všeobecnosti sa najčastejšie prepravuje plynný vodík (GH2), alternatívnymi variantmi sú kvapalný vodík (LH2), amoniak (NH3), kvapalné organické nosiče vodíka (LOHC – benzyltoluén), metán (CH4) a metanol (CH4O). V roku 2030 je predpoklad importu vodíka vo výrobnej cene pod 3 €/kg. Táto cena by mala do roku 2040 klesnúť pod 2,50 €/kg.
Prepravné náklady možno odhadovať zhruba na 0,15 € kg/1 000 km. K tomu treba pripočítať náklady na kompresiu, skladovanie a možné dočistenie alebo vysušenie.
Skladovanie vodíka
Základnou lokálnou skladovacou jednotkou sú dnes predovšetkým fľaše alebo zväzky fliaš, kde sa vodík skladuje v plynnej forme. Najčastejšie ide o štandardné fľaše s objemom 50 litrov. Pri tlaku 200 barov predstavuje taká fľaša zhruba 9 m3 vodíka, teda asi 0,8 kg, čo zodpovedá približne 28 kWh. Zväzok 12 fliaš na palete potom predstavuje zhruba 9,6 kg vodíka, tzn. asi 317 kWh energie.
Pokročilejšou alternatívou sú veľkoobjemové zásobníky s objemom 20 až 100 m3, ktoré skladujú vodík opäť najčastejšie v plynnej forme. Z hľadiska úspory nákladov sa používa nižší tlak, najčastejšie okolo 40 barov, pričom pri týchto podmienkach možno uskladniť zhruba 100 až 350 kg vodíka, teda až 11,5 MWh energie. Zásobníky sa osadzujú tak horizontálne, ako aj vertikálne.Najnovším variantom je možnosť ukladať vodík vo forme kovových hydridov (metalhydride).
Tieto systémy sú založené na princípe jednoduchej absorpcie plynu určitými materiálmi, ktoré potom uvoľňujú vodík ako plyn v prípade, keď sú zahrievané pri nízkych tlakoch. Tieto materiály v podstate nasávajú a uvoľňujú vodík ako huba, a to s účinnosťou zhruba 95 %.
Najväčším problémom pri skladovaní vodíka je jeho veľmi nízka hustota (0,09 kg/m3), ktorá fakticky neumožňuje skladovanie pri atmosférickom tlaku. Množstvo energie, ktoré je možné uskladniť, vyjadrené v m3, je preto priamo úmerné stlačeniu. Pri atmosférickom tlaku 1 bar predstavuje m3 vodíka zhruba 2,75 kWh, pri stlačení na 350 barov ide o 735 kWh a pri stlačení na 700 barov zhruba o 1 270 kWh. Náročnosť kompresie na tlak 350 barov je zhruba 5 kWh/kg (na porovnanie, pri benzíne pri atmosférickom tlaku je to zhruba 8 600 kWh/m3).
Spotreba vodíka
Na spätné získanie energie uloženej vo vodíku je možné využiť dva spôsoby: Spätné získanie elektrickej energie (variant power to power) sa najčastejšie realizuje využitím kyslíkovo-vodíkového palivového článku, keď možno z 1 kg vodíka získať zhruba 17,5 kWh elektrickej energie a 17,5 kWh tepelnej energie.
Vzhľadom na to, že tepelná energia je v tomto prípade väčšinou stratová, dá sa pracovať s účinnosťou okolo 50 %. Získanie tepelnej energie (variant power to gas) predstavuje priame spaľovanie vodíka, keď možno z 1 kg spáleného vodíka získať pri využití spalného tepla až 39 kWh tepelnej energie.
To znamená, že účinnosť vo vzťahu k výhrevnosti je na hranici 118 %.Odpadovým produktom spätného získavania energie z vodíka je vždy iba voda, či už v kvapalnej, alebo plynnej forme. To znamená, že energetickú premenu vodíka možno izolovane označiť za bezuhlíkovú.
Vodík v energetike budov
Sektor stavebníctva s využitím vodíka na energetické zásobovanie budov je „najmladší“, čo vedie niekedy k záverom, že ide o neperspektívne využitie. V Českej republike sa však využitie potenciálu vodíka na vykurovanie budov alebo všeobecne zásobovanie energiou javí ako viac než zmysluplné, a to najmä z nasledujúcich dôvodov:
Vodík alebo jeho mix so zemným plynom môže predstavovať ekologicky a ekonomicky zmysluplný variant zachovania existujúcej plynárenskej infraštruktúry.
Vodík môže byť použitý ako lokálne úložisko energie na dosiahnutie sebestačnosti. Bezemisne vyrobený vodík by mohol výrazne zmeniť hodnoty faktorov primárnej neobnoviteľnej energie a uhlíkových emisií. Vodík v zmesi so zemným plynom do 20 % možno spaľovať v „štandardnom“ plynovom kotle. Čistý vodík možno spaľovať v kotloch konštrukčne podobných kotlom na zemný plyn, alebo ho možno transformovať na elektrinu v palivovom článku.
Pre konkrétnu budovu alebo súbor budov môže využitie vodíka ako úložiska energie predstavovať cestu k plnej sebestačnosti s nulovou uhlíkovou stopou. Zjednodušene povedané, lokálne sa dá vyrábať vodík v čase nadprodukcie elektrickej energie, tak z miestnej, ako aj z centrálnej siete (typicky v lete), a zároveň lokálne skladovať a použiť v čase nadbytku spotreby (typicky v zime).
Pre rodinný dom v súčasnom štandarde predstavuje potrebná medzisezónna zásoba vodíka zhruba 1 až 3 MWh energie.Aktuálna legislatíva EÚ (RED 3) požaduje dosiahnuť v budovách do roku 2030 aspoň 49 % podielu energie z obnoviteľných zdrojov.
Ak sa má tento cieľ dosiahnuť bez drastického zníženia životnej úrovne alebo extrémneho nárastu investičných nákladov, musí byť do energetického reťazca vložený zálohovateľný prvok, pričom vodík patrí v tejto oblasti k favoritom.Väčšiemu posunu v oblasti využitia vodíka v budovách však bráni v súčasnosti niekoľko faktorov, ku ktorým patria: minimálna reálna dostupnosť vodíka; neexistencia štátnych investičných stimulov; obmedzená dostupnosť jednotlivých komponentov; vysoké obstarávacie náklady.
Pri praktickej realizácii systémom power to power tvorí celkovú cenu zhruba 20 % cena elektrolyzéra, 10 % cena palivového článku a 70 % cena skladovania. Súčasne sa zvýši využitie fotovoltiky z obvyklých približne 25 až 30 % na viac ako 95 %.
Prechod na vodík v plynárenskej sieti
Už v súčasnosti sa začal proces prechodu na mix zemného plynu, vodíka a biometánu, pričom cieľom je dosiahnuť úplnú elimináciu zemného plynu. Možno optimisticky predpokladať, že tento prechod bude nákladovo konkurencieschopný predovšetkým preto, že nebude potrebné limitne upravovať existujúcu infraštruktúru (na rozdiel od elektrickej infraštruktúry). Využitie vodíka má výrazný potenciál aj pri dekarbonizácii lokálneho vykurovania domácností, pričom úloha zemného plynu je v tomto procese nezastupiteľná, a to ako prechodového zdroja energie.
Aktuálne je v prevádzke viac ako 1,5 milióna plynových kotlov a viac ako 0,6 milióna kotlov na tuhé palivá (z toho zhruba polovica na biomasu). Náhradou predovšetkým kotlov spaľujúcich uhlie, ale aj zastaraných plynových kotlov za moderné plynové kondenzačné spotrebiče možno dosiahnuť výrazné zníženie emisií z lokálneho vykurovania domácností.
Predovšetkým sa s využitím zemného plynu dajú úplne odstrániť emisie prachu a síry a so stúpajúcim podielom vodíka eliminovať aj karcinogénne uhľovodíky a uhlíkové oxidy. Súčasné kapacity umožňujú inštaláciu 70 až 100-tisíc kusov nových plynových kotlov ročne, pričom ide o kotly, ktoré môžu bez úpravy spaľovať mix vodíka so zemným plynom až do približne 20 obj. % a súčasne môžu byť upravené na spaľovanie čistého vodíka iba jednoduchou úpravou bez nutnosti demontáže a výmeny.
To však znamená, že ak máme medzi rokmi 2040 a 2050 dosiahnuť postupne plnú dekarbonizáciu, treba začať s obmenou už teraz.Veľkou výhodou je, že česká plynárenská sieť má dostatočnú kapacitu na pripojenie niekoľko stoviek tisícok nových odberateľov (aj na Slovensku prebiehajú aktivity SPP ohľadom distribúcie vodíka, o ktorých sme už viackrát informovali a ktoré zobrazuje aj jedna z fotografií, pozn. red.).
Záver
Česká republika je závislá od spaľovania plynu a tento stav sa v dohľadnom čase nezmení. Bude vodík súčasťou energetickej transformácie? Možno nie, ale pravdepodobne áno. Súčasne sa dá oprávnene domnievať, že súčasťou praktického využitia vodíka bude aj energetické riešenie stavebných objektov.
TEXT: Ing. Valtr Sodomka – technický garant APOKS
FOTO: archív APOKS
