Prioritou európskej stratégie je vývoj čistého vodíka a jeho využívanie ako hlavného zdroja obnoviteľnej energie.
Plynný vodík a solárne i veterné elektrárne, ilustračné foto. Zdroj: iStockphoto.com
Aké benefity prináša energia z vodíka? Aké sú technológie výroby nízkouhlíkového vodíka? Ako chce Únia využiť energiu z vodíka pri prechode na ekologické hospodárstvo? Aj tieto otázky boli na programe májového plenárneho zasadnutia Európskeho parlamentu, na ktorom poslanci schválili vodíkovú stratégiu EÚ do roku 2050.
Európa má dobrú východiskovú pozíciu, aby mohla profitovať z celosvetového vývoja v oblasti využívania čistého vodíka ako nosiča energie. Ak chce Únia dosiahnuť klimatickú neutralitu, ktorú si vytýčila v Európskej zelenej dohode, bude musieť zmeniť spôsob výroby energie a plne integrovať energetické systémy. Investície do vodíka podporia udržateľný rast a tvorbu pracovných miest, čo bude mimoriadne dôležité v súvislosti so spamätávaním sa z krízy spôsobenej koronavírusom.
V súčasnosti zohráva vodík iba nepatrnú úlohu pri zásobovaní energiou. Tvorí iba zlomok (asi 2 percentá) energetického mixu v Európskej únii (EÚ) i vo svete. Energia sa naďalej vyrába najmä z fosílnych palív (zemného plynu alebo uhlia). Fosílne palivá predstavujú až 95 percent podielu vyrobenej energie a ročne uvoľňujú 70 – 100 miliónov ton oxidu uhličitého – CO2.
Vodík predstavuje riešenie, ako dekarbonizovať priemyselné procesy a hospodárske odvetvia, v ktorých je znižovanie emisií CO2 naliehavé, ale zároveň ťažko dosiahnuteľné. Vzhľadom na svoje vlastnosti môže byť dobrým palivom. Jeho použitie na energetické účely nespôsobuje emisie skleníkových plynov a jediným vedľajším produktom procesu je voda. Možno mu prispôsobiť existujúcu infraštruktúru na prepravu a skladovanie plynu. Má vyššiu energetickú hustotu ako batérie (z rovnako veľkého „objemu“ zdroja je možné využiť väčšie množstvo energie), takže sa dá použiť pri preprave na veľké vzdialenosti i ťažkých tovarov.
Vodíkový palivový článok. Zariadenie, ktoré premieňa chemickú energiu z paliva na elektrinu. Zdroj: iStockphoto.com
Prečo potrebujeme strategický plán pre vodík
Vodík bol stredobodom záujmu už v minulosti, avšak k väčšiemu rozmachu nedošlo. Súčasný pokles cien energie z obnoviteľných zdrojov, technologický vývoj a naliehavosť výrazne znížiť emisie skleníkových plynov prinášajú nové možnosti.
Trhoví analytici zvýšili svoje predpovede plánovaných celosvetových investícií v oblasti elektrolyzérov z výkonu 3,2 GW na 8,2 GW do roku 2030 (z toho 57 percent v Európe) a počet spoločností, ktoré sa stali členmi Medzinárodnej vodíkovej rady, narástol z 13 v roku 2017 na aktuálnych 81 (v roku 2021).
Vodík má veľký potenciál pomôcť preklenúť nedostatok alternatívnych zdrojov (popri batériách) ako vektor uskladňovania a prepravy energie z obnoviteľných zdrojov na zabezpečenie zásob na sezónne výkyvy a prepojenie výrobných lokalít so vzdialenejšími centrami dopytu.
Spolu s elektrifikáciou z obnoviteľných zdrojov bude vodík podľa všetkého hrať dôležitú úlohu – jeho hromadná výroba a distribúcia môže umožniť EÚ zrealizovať vyššie ambície v oblasti klímy. Plánom Únie je totiž znížiť emisie skleníkových plynov do roku 2030 minimálne o 50 až 55 percent. V roku 2050 by mohol vodík predstavovať pätinu z obnoviteľných zdrojov a pokryl by 20 až 50 percent energetického dopytu v doprave a 5 až 20 percent v priemysle.
Kumulatívne investície do vodíka z obnoviteľných zdrojov by v Európe mohli do roku 2050 dosiahnuť úroveň 180 – 470 miliárd eur a do vodíka z fosílnych palív s nízkymi emisiami CO2 úroveň 3 – 18 miliárd eur. Vznik vodíkového hodnotového reťazca by mohol priamo či nepriamo znamenať milión pracovných miest. Analytici odhadujú, že čistý vodík by mohol do roku 2050 pokryť 24 percent celosvetového dopytu po energii, pričom ročný obrat by mohol dosiahnuť hodnotu až 630 miliárd eur.
Zavádzanie vodíka v Európe však čelí výzvam, ktoré súkromný sektor ani členské štáty nedokážu vyriešiť samy. Prechod na ekologické hospodárstvo musí ísť súbežne s čistou, cenovo dostupnou a bezpečnou energiou pre firmy aj spotrebiteľov. Treba posúdiť možnosť adaptácie existujúcich plynovodov na prepravu a podzemné uskladnenie vodíka. Navyše ku klimatickej neutralite dokáže prispieť len zelený vodík vyrobený z obnoviteľných zdrojov.
Palubná doska nákladného vozidla s indikáciou hladiny vodíka. Ilustračné foto. Zdroj: iStockphoto.com
Vodík nie je vždy zelený
Stratégia je zameraná na urýchlenie dekarbonizácie, rovnováhu sietí, budovanie prepojení, zavádzanie obnoviteľných zdrojov energie, digitalizáciu, skladovanie a miestnu výrobu. Prioritou pre EÚ je vývoj vodíka z obnoviteľných zdrojov – najmä pomocou veternej a solárnej energie. Rozvoj odvetvia, samozrejme, znamená aj vytvorenie nových pracovných miest, potenciálny hospodársky rast a podporu nákladovo efektívneho integrovaného energetického systému.
Vzhľadom na ciele EÚ v dekarbonizácii a znižujúce sa náklady výrobných technológií je ideálny čas na naštartovanie procesu výroby vodíka, ideálne s dôrazom na zabezpečenie geografickej vyváženosti s osobitným zameraním na regióny, kde sú vysoké emisie uhlíka. Do rozvoja a zvýšenia výrobnej kapacity vodíka z obnoviteľných zdrojov bude potrebné investovať značné finančné prostriedky. Podporiť treba vývoj vodíkových riešení, zabezpečiť súčinnosť medzi všetkými dostupnými investičnými fondami, programami a finančnými nástrojmi, spoluprácu medzi verejným a súkromným sektorom.
Každý z procesov výroby vodíka, v závislosti od technológie alebo zdroja, produkuje rôzne objemy emisií a má rôzne nároky na prevádzkové náklady a materiály. Zariadenie, ktoré umožňuje získať vodík z vody či elektriny, sa nazýva elektrolyzér. V roku 2019 pôsobilo na území EÚ 300 prevádzok elektrolýzy, na ktoré pripadajú menej ako 4 percentá celkovej výroby vodíka. Na to, aby bol vodík prínosom z hľadiska klimatickej neutrality, musí sa jeho využívanie výrazne rozšíriť a jeho výroba musí byť úplne dekarbonizovaná (zbavená uhlíka).
Stratégia obsahuje rôzne spôsoby výroby vodíka, pri ktorých sa v závislosti od výrobných postupov produkujú rozmanité emisie a vykazujú rôzne náklady i požiadavky na materiál. Jednotlivé typy vodíka sú kategorizované podľa výrobného procesu a výsledných emisií skleníkových plynov.
Vodík vyrábaný pomocou elektriny sa vyrába elektrolýzou vody (v elektrolyzéri poháňanom elektrinou) bez ohľadu na zdroj danej elektriny. Vodík z obnoviteľných zdrojov a čistý vodík sú vyrábané tiež elektrolýzou vody, pričom využívaná elektrina je z obnoviteľných zdrojov a pri svojej výrobe neuvoľňuje žiadne skleníkové plyny.
Pri výrobe vodíka z fosílnych palív sa využíva predovšetkým reformovanie zemného plynu alebo splyňovanie uhlia. Emisie skleníkových plynov sú počas celého cyklu vysoké. Ďalším typom je vodík z fosílnych palív so zachytávaním CO₂, pri výrobe ktorého sú emisie skleníkových plynov nižšie. O niečo viac „eko“ je nízkouhlíkový vodík, ktorý tvorí vodík z fosílnych palív so zachytávaním CO₂ a vodík vyrábaný pomocou elektriny s výrazne zníženými emisiami skleníkových plynov v porovnaní s existujúcou výrobou vodíka.
Poslednou skupinou sú syntetické palivá odvodené z vodíka, ktoré zahŕňajú celý rad plynných a kvapalných palív na základe vodíka a uhlíka. Aby sa mohli považovať za obnoviteľné, vodík obsiahnutý v syntetickom plyne by mal pochádzať z obnoviteľných zdrojov.
Medzi syntetické palivá patrí napríklad syntetický letecký petrolej, syntetická nafta pre automobily a rôzne molekuly používané pri výrobe chemikálií a hnojív. Pri spaľovaní syntetických palív vznikajú podobné úrovne emisií látok znečisťujúcich ovzdušie ako pri fosílnych palivách.
Koncept autobusu jazdiaceho na vodíkové palivové články. Zdroj: iStockphoto.com
1 milión ton čistého vodíka do roku 2024?
Vodíkový ekosystém v Európe sa zrejme rozvinie postupne v jednotlivých sektoroch a regiónoch. Do roku 2024 je strategickým cieľom nainštalovať v EÚ elektrolyzéry na výrobu vodíka z obnoviteľných zdrojov s výkonom minimálne 6 GW a vyrábať až 1 milión ton takéhoto vodíka v snahe dosiahnuť dekarbonizáciu existujúcej výroby vodíka, napríklad v chemickom priemysle, a uľahčiť zavádzanie vodíka v nových použitiach, napríklad v iných priemyselných procesoch, prípadne v oblasti ťažkých úžitkových vozidiel.
Čistý vodík ako energonosič sa považuje za zelenú alternatívu k fosílnym palivám. V budúcnosti by sa mohol presadiť aj v doprave a byť vyrovnanou konkurenciou batériovým elektromobilom. Vodík neprodukuje žiaden oxid uhličitý a spôsobuje zanedbateľné znečistenie ovzdušia.
Poslanci upozornili na pokles investícií do výskumu a inovácií v oblasti technológií čistej energie. Európska komisia vypracuje koordinovanú stratégiu investovania do energie z obnoviteľných zdrojov a vodíka v súlade s vnútroštátnymi stratégiami v oblasti výskumu a inovácií, a pritom zohľadní východiskové pozície členských štátov. Európska aliancia pre čistý vodík pomôže vybudovať spoľahlivý systém investícií. Nástroje financovania v rámci Next Generation EU zintenzívnia finančnú podporu a pomôžu preklenúť výpadok investícií v oblasti obnoviteľných zdrojov energie v dôsledku krízy spôsobenej koronavírusom.
V rokoch 2025 – 2030 sa vodík musí stať súčasťou integrovaného energetického systému s cieľom nainštalovať elektrolyzéry s výkonom minimálne 40 GW a dosiahnuť objem výroby až 10 miliónov ton vodíka z obnoviteľných zdrojov. Očakáva sa, že tento vodík začne postupne z hľadiska nákladov konkurovať ostatným formám výroby vodíka. Priemyselný sektor by mal postupne zavádzať nové spôsoby jeho využívania vrátane oceliarskeho priemyslu, nákladných vozidiel, železničnej a námornej dopravy atď. Pokračovať by sa malo v inštalácii technológií zachytávania CO₂ v existujúcich zariadeniach na výrobu vodíka z fosílnych palív, s cieľom znížiť emisie skleníkových plynov a iných látok znečisťujúcich ovzdušie.
Od roku 2030 a výhľadovo do roku 2050 by sa mali technológie vodíka z obnoviteľných zdrojov zavádzať celoplošne, aby sa rozšírili vo všetkých ťažko dekarbonizovateľných sektoroch, kde sa iné alternatívy nedajú realizovať alebo sú spojené s vyššími nákladmi. Bude treba výrazne zintenzívniť výrobu elektriny z obnoviteľných zdrojov, pretože je možné, že do roku 2050 sa približne štvrtina jej objemu bude využívať na výrobu vodíka. Vodík a syntetické palivá odvodené z vodíka by mohli výraznejšie preniknúť do celého radu hospodárskych odvetví.
Národná vodíková stratégia na Slovensku
Využívanie vodíka ako súčasti energetického hospodárstva Slovenskej republiky je celonárodným záujmom. Na jeho zavedení do praxe sa bude podieľať vláda v spolupráci s podnikateľskou sférou a inštitúciami výskumu, vývoja a vzdelávania.
Vedecký výskum a technologický pokrok ponúka perspektívu vzniku nového prierezového trhového segmentu. Sektor aplikácií vodíka prinesie efektívne využitie v odvetviach špecializovaného a energetického strojárstva a energetiky, hutníckeho a chemického priemyslu, ako aj v rámci odvetvia mobility vrátane nákladných vozidiel, hromadnej cestnej prepravy osôb či železničnej dopravy.
Rámec pre výskum, vznik a rozvoj riešení v tejto oblasti vytvára Národná vodíková stratégia SR Pripravení pre budúcnosť, ktorá definuje strategickú úlohu štátu pri využití vodíkových technológií v SR. Na jej zavedení do praxe sa bude podieľať vláda v spolupráci s podnikateľskou sférou a inštitúciami výskumu, vývoja a vzdelávania. Koordinátorom vodíkových technológií je prof. Ing. Juraj Sinay, DrSc., zo Strojníckej fakulty Technickej univerzity v Košiciach.
Pre využívanie vodíka v rámci Slovenska je naplánovaných 14 aktivít. Medzi nimi sú exponáty na EXPO 2021 (autobus, automobil s metalhydridovým zásobníkom), založenie Centra výskumu vodíkových technológií v Košiciach, podpora výskumu prostredníctvom EÚ fondov, prioritná registrácia patentov z oblasti vodíkových technológií, využívanie zeleného vodíka v podmienkach ekonomiky SR, zriadenie prvých 2 – 4 čerpacích staníc na vodík, dotácia na nákup H2 automobilov a ďalšie.
Slovenskí vedci a vysokoškolskí pedagógovia tiež zareagovali na trend rozvíjania technológií na báze vodíka. Platformou, na ktorej chcú stavať vodíkovú budúcnosť našej krajiny, sa stane Centrum výskumu vodíkových technológií (CVVT), ktorý vznikne v Košiciach. Predpokladá to Memorandum o porozumení, ktoré koncom septembra 2020 v Košiciach podpísali predseda Slovenskej akadémie vied Pavol Šajgalík, rektor Technickej univerzity v Košiciach Stanislav Kmeť a rektor Univerzity Pavla Jozefa Šafárika v Košiciach Pavol Sovák.
Centrum sa bude zaoberať výskumom a vývojom v oblasti vodíkových technológií v celom cykle, využitím teoretických poznatkov pri navrhovaní a konštruovaní funkčných prototypov technológií a zariadení. Bude tiež vytvárať podmienky pre aplikáciu poznatkov v spoločenskej a priemyselnej praxi, ako aj prípravu a vzdelávanie v odboroch vodíkových technológií. Prvá prezentácia výsledkov CVVT bude na Svetovej výstave EXPO Dubaj, ktorá sa uskutoční v dňoch od 1. októbra 2021 do 31. marca 2022 a jednou z jej hlavných tém budú práve vodíkové technológie.
Zdroje:
