OEnergetice.cz

Realita ukazuje, že navzdory mnoha kladům je vodík coby zdroj energie ekonomický nesmysl. Ani dotace v řádu miliard eur nestačí na očekávaný technologický průlom a investoři se do vodíku nehrnou.

Stephen R. Covey ve své knize 7 návyků skutečně efektivních lidí přirovnává firmu k četě, která si mačetami razí cestu džunglí. Řadoví zaměstnanci sekají, jejich vedoucí určují tempo a ostří mačety. Vrcholový management pak z výšky korun stromů kontroluje, zda firma postupuje správným směrem ve správné džungli. Po letech rozvoje byznysu se zeleným vodíkem se shora ozývá: „Špatná džungle!“.

Vodík jako čisté palivo

Jsme uhlíková společnost. Energie z uhlíku je základním stavebním kamenem průmyslové výroby, dopravy, budov a v podstatě všech aspektů civilizace. Patří také mezi hlavní témata klimatických debat. Většina používané energie pochází z fosilních zdrojů. Jejich spalováním vzniká oxid uhličitý a další skleníkové plyny, které příroda nedokáže v dostatečné míře absorbovat. A tak zůstávají v atmosféře a způsobují skleníkový efekt, kvůli němuž se ohřívá vzduch, voda i půda.

Řešením by mohl být vodík – energeticky velmi bohaté palivo, které při spalování produkuje jen vodní páru. Achillovou patou je však způsob výroby: až 96 procent vodíku v Evropě v roce 2022 pocházelo ze zemního plynu, tedy z fosilního zdroje, a při jeho výrobě vznikal CO2. Navíc má vodík vlastnosti, které komplikují jeho skladování – nízkou hustotu, výbušnost, neviditelný plamen a absenci zápachu.

Proto EU i další země světa od roku 2020 investují miliardy do výzkumu výroby, skladování a využití takzvaného zeleného vodíku, který vzniká elektrolýzou vody za použití obnovitelné energie. Vyvíjely se a vznikaly nové elektrolyzéry, testovaly se způsoby přepravy v síti plynovodů nebo vázáním vodíku do kapalných i pevných látek. Analyzovaly se možnosti jeho využití pro vytápění, v dopravě, průmyslu či jako úložiště přebytečné energie vyrobené z obnovitelných zdrojů.

„Hopium“ a střet s realitou

S rostoucím počtem projektů, ohlášených investic a pilotních testů se zpřesňovaly analýzy, původní optimistické vize se korigovaly. Například výzkumná společnost BloombergNEF v dubnu roku 2023 odhadovala cenu zeleného vodíku v Evropě do roku 2030 pod dvě eura za kilogram. O rok později ovšem odhad nákladů více než ztrojnásobila s tím, že ještě v roce 2050 má kilogram vodíku stát mezi 1,40 a 4,40 eura.

Důvěra investorů mezitím klesala. Magazín Hydrogen Europe z prvního čtvrtletí tohoto roku uvádí, že pět let po zahájení vodíkové strategie EU pouze 21 procent projektů podpořených 18,9 miliardy eur z programu Důležitých projektů společného evropského zájmu (IPCEI) dosáhlo finálního investičního rozhodnutí. Pokud jde o projekty mimo IPCEI, do finále se jich dostalo osm až deset procent. Výsledkem je, že se o vodíku začalo mluvit jako o „hopiu“ (složenina ze slov hope coby naděje a opium).

Drahá výroba

Důvodů pro střízlivění analytiků a investorů je více. Pokud jde o výrobu zeleného vodíku, nedošlo k očekávanému poklesu výrobních nákladů díky vývoji technologií a rozvoji obnovitelných zdrojů. Studie nizozemské organizace aplikovaného výzkumu TNO z loňského roku porovnala několik probíhajících projektů výstavby elektrolyzérů v Nizozemsku. Cena zeleného vodíku vycházela na více než 13 eur za kilogram, zatímco průměrná cena fosilního vodíku dosahovala 1,50 eura za kilogram. Hlavní část ceny představovaly náklady na elektřinu investice do technologie.

K podobným závěrům ohledně ekonomické nevýhodnosti vodíku dospěl odborník Gniewomir Flis. Ten se v červenci tohoto roku podělil o svou roční zkušenost s rozbíháním výroby zeleného vodíku. Potvrdil závěry vyplývající ze studie organizace TNO a navíc upozornil na náročný provoz elektrolyzérů poháněných elektřinou z obnovitelných zdrojů, které jsou závislé na počasí.

Jako jednu z možností uvedl pořízení bateriového systému, který ovšem výrazně zvyšuje pořizovací náklady. Jednak je potřeba započítat cenu akumulátoru a jednak je nutný dvakrát až třikrát větší rezervovaný příkon, aby se akumulátor stihnul nabít.

Druhou možností je podle Flise flexibilní provoz elektrolyzérů. Časté zapínání a vypínání má však neblahý vliv na jejich životnost, protože poškozuje membrány a další konstrukční prvky. Provozovatel si tak vybírá mezi tím, jestli bude mít vysoké buď investiční, anebo provozní náklady.

Flis rovněž podotknul, že USA a Evropská unie nejsou v tomto oboru konkurenceschopné. I kdyby firma pořídila levný čínský elektrolyzér, cenu na Západě zvyšují náklady na vyšší mzdu zaměstnanců, cenu energií a materiálů. Tuto skutečnost potvrzuje zpráva amerického ministerstva energetiky z loňského prosince, podle níž téměř polovina investice do výroby zeleného vodíku připadá na stavební náklady, nikoli na nákup elektrolyzéru.

Komplikovaná distribuce

Vyrobený zelený vodík je potřeba vhodně skladovat a případně dopravovat na místo využití. Také tyto aspekty přitom představují problém. Jak jsme upozornili v naší publikaci v roce 2021, skladování a přeprava mohou výslednou cenu zeleného vodíku více než zdvojnásobit.

S přepravou se navíc pojí vyšší bezpečnostní riziko. Vodík je výbušný, způsobuje křehnutí kovů a přepravuje se pod vysokým tlakem. Možností je navázat molekulu do jiné látky, například kapalného amoniaku, nebo pevného hybridu, což špičkově zvládají pracovníci Technické univerzity v Košicích. Navázání vodíku a jeho získávání z nosné látky ale přináší další energetické ztráty – v případě amoniaku je to 18 až 40 procent.

Variantou pro přepravu je využití sítě plynovodů, což se testuje i na Slovensku. Problémem je však nízká hustota vodíku. Jeden jeho kilogram zabírá osmkrát větší objem než kilogram metanu, přičemž obsahuje pouze zhruba 2,5krát více energie. To znamená, že na uskladnění stejného množství energie je zapotřebí více než třikrát větší objem.

Tento nepoměr způsobuje problémy také kompresorům, které vtláčejí plyn do zásobníků, nebo do potrubí. Zavedením vodíku do zemního plynu stoupá totiž jednotková spotřeba energie spolu s rostoucím objemem stlačeného plynu. Úprava distribučních sítí na zemní plyn je přitom investičně náročná. Španělská plynová asociace uvedla, že pokud by měla síť plynovodů ve Španělsku zvládnout směs plynu s 20 objemovými procenty vodíku, vyžadovalo by to investici přesahující 700 milionů eur.

Nejisté využití

Vodík se dnes konvenčně využívá při výrobě paliv a hnojiv, jeho možnosti coby energetického nosiče se zkoumají. V naší analýze se zaměřujeme zejména na jeho využití při vytápění a v dopravě.

Nevýhodou využití vodíku jako zdroje energie je jeho energetická neefektivita. Nejúčinnější průmyslové elektrolyzéry vyžadují zhruba 50 až 55 kilowatthodin energie na výrobu jednoho kilogramu vodíku. Následným spálením se však uvolní pouze 39 kilowatthodin energie. To znamená, že více než pětina přijde vniveč. Když k tomu připočítáme ztráty při přepravě a samotném spalování, účinnost využití energie klesá pod 50 procent.

V případě vytápění domácností je situace o to horší, že několik studií potvrdilo zvýšené úniky plynu ze sporáků a kotlů, pokud se do něj přimíchává vodík. K rizikům patří zmiňované vlastnosti vodíku – absence zápachu a neviditelný plamen. Ani zemní plyn není cítit, ale jeho hustota umožňuje přimíchávání „smradlavých“ látek. Pro vodík neexistuje dostatečně lehká páchnoucí látka, která by se uvolňovala stejně rychle jako vodík. Kvůli těmto bezpečnostním omezením jsou potřeba kreativní řešení, jako je upravený hořák Bosch, který rozsvícením upozorňuje na to, že vodíkový plyn hoří.

V dopravě se pohled na vodík také mění od původního optimismu. Vývoj vodíkových aut nepostupoval očekávaným tempem, nízká poptávka po zeleném vodíku jako pohonné hmotě pro osobní auta vedl k uzavírání čerpacích stanic. Koncern Shell ukončil provoz stanic v Kalifornii, společnost Everfuel v Dánsku.

Uplatnění zatím vodík nenašel ani v hromadné dopravě. Vodíkové autobusy ve francouzském městě Pau jezdily od roku 2019, nicméně ředitel tamní městské dopravy hodnotil provoz jako „každodenní dobrodružství“. Po letech poruch a téměř dvojnásobných nákladů město přešlo v roce 2023 na elektrobusy.

Zvýšené náklady na údržbu vodíkových motorů potvrzují i další studie z provozu. Podobně jako ve Francii dopadl experiment s vodíkovými vlaky v Německu. Už po roce je kvůli vysokým nákladům nahradily bateriové vlaky a modely s trolejovým vedením.

Domeček z karet

Ekosystém, který se po letech vývoje stále ukazuje jako ekonomicky nevýhodný a technologicky problematický, je přirozeně křehký. Výsledkem jsou časté odklady ambiciózních plánů nebo přímo jejich rušení.

Letos v červenci během pouhých čtyř dní zrušily své plánované investice do vodíkových projektů firmy Repsol (30MW elektrolyzér) a E.ON (20MW elektrolyzér). Slovenské Duslo v té době odstoupilo od stamilionové investice zahrnující výrobu zeleného vodíku.

Mnohé z připravovaných projektů závisejí na uskutečnění přidružených investic. Zrušení jednoho projektu tak může vyvolat dominový efekt, jaký nastal v případě ocelářské společnosti ArcelorMittal. Ta zrušila plány na zavedení zeleného vodíku v německých závodech (přestože na to získala dotaci v celkové výši 1,3 miliardy eur), na což do týdne reagoval německý energetický holding EWE odkladem plánu na vybudování 50MW elektrolyzéru ve stejné oblasti. ArcelorMittal měl být totiž jeho hlavním odběratelem.

Současnou situaci ilustruje kontroverzní úvodní přednáška na letošní konferenci Financial Times Hydrogen Summit. Analytik Michael Liebreich během ní řekl: „Pokud vám opravdu záleží na životním prostředí, nevyrábějte zelený vodík.“

Co bude s vodíkem dál

Nizozemští vědci v článku v prestižním vědeckém časopise Green Chemistry z letošního května upozorňují: „Pohádky jsou hezké, ale žádná vodíková ekonomika ve 21. století nebude.“

Předpokládáme, že hlavními odběrateli zeleného vodíku budou průmyslové provozy, které ho už nyní využívají. A to nikoli jako nosič energie, ale jako materiálový zdroj. Tyto provozy mají léta zkušeností a nezbytnou infrastrukturu, která je na specifické vlastnosti plynného vodíku připravená.

Například dodavatelé pohonných hmot mají od roku 2025 povinnost zajistit minimální percentuální podíl energie v dopravě ze zeleného vodíku, přičemž v případě nesplnění jim hrozí pokuty. V těchto odvětvích podle nás existuje dostatečná technologická připravenost a zároveň ekonomická, legislativní a environmentální motivace, aby se zelené vodíkové technologie mohly rozvíjet.

Při výrobě nicméně očekáváme odklon od tlaku na produkci zeleného vodíku elektrolýzou vody. Jednou z možností je nahradit tuto vysoce energeticky náročnou produkci jiným, méně náročným procesem. Alternativou může být pyrolýza zemního plynu nebo biometanu, na níž pracuje například německý koncern BASF.

Vedlejším produktem tohoto procesu je tvorba pevného uhlíku, kterým se dá obohacovat vyčerpaná půda nebo ho lze využít při výrobě baterií. Vodík vyrobený pyrolýzou vyžaduje až o 80 procent méně elektřiny než zelený vodík vyrobený elektrolýzou vody. Mezi další slibné procesy patří takzvaný parní reforming biopaliv, který spočívá v rozbíjení uhlovodíků vodní párou pod vysokým tlakem.

Vzhledem k výše uvedeným výpočtům energické efektivity lze prohlásit, že vodík je energetický žrout, ne palivo. V mnoha případech dochází ke ztrátě více než poloviny energie vynaložené na získání samotného vodíku. V sektorech, které hledají alternativní zdroje energie k tradičním fosilním palivům, vidíme rentabilnější možnosti.

Tepelná čerpadla a biometan

Jako zdroj tepla pro domácnosti a průmysl se nabízejí dvě hlavní alternativy. Pro vytápění při nižších teplotách (do 140 stupňů Celsia, typické pro domácnosti a vybrané průmyslové procesy) se nabízí řešení v podobě tepelných čerpadel. Ta využívají elektřinu k přeměně zbytkového nebo okolního tepla s nízkou teplotou na teplo s vyšší teplotou. Provoz čerpadel sice vytváří tlak na přenosovou soustavu elektřiny, ale i při nízké ceně zemního plynu jsou stále výhodnější než vodík.

Pro činnosti, které vyžadují vysoké teploty (jako je pečení nebo náročné průmyslové procesy), představuje vhodnou náhradu části nebo veškerého použitého zemního plynu biometan. Ten vzniká rozkladem biomasy a jeho vlastnosti lze upravit tak, aby byly podobné jako u zemního plynu. Nevyžaduje úpravu infrastruktury, pouze nové přípojky pro výrobce. Vytváří ovšem tlak na dostupnost suroviny, kterou je vhodná biomasa.

I tato alternativa v současnosti zvýší cenu tepla oproti vytápění zemním plynem, ale jde o významně menší zdražení, než jaké by způsobilo využívání zeleného vodíku.

Elektrifikace dopravy a biopaliva

V dopravě spatřujeme potenciál zejména v kombinaci částečné (v některých lokalitách považujeme za rozumné i úplné) elektrifikace a biopaliv. Elektromobily nevytvářejí přímé emise a představují příležitost ke snížení uhlíkové stopy centrálně (v místě výroby elektřiny). Díky své vyšší celkové účinnosti umožňují výrazné snížení spotřeby primární energie.

Biopaliva jsou naopak v dopravě zavedeným nástrojem. Nacházejí se téměř v každém litru natankovaného paliva a nepřetržitě snižují emise skleníkových plynů. Například evropský obnovitelný ethanol snižuje emise o téměř 80 procent ve srovnání s fosilním benzinem.

Biopaliva představují většinu obnovitelné energie v evropské dopravě (v roce 2022 více než 90 %). Jejich výhodou oproti elektromobilům je stávající infrastruktura pro doplňování paliva a nižší pořizovací cena vozidel. Významný potenciál pro udržitelnost představuje také kombinace hybridních vozidel poháněných biopalivem. Rozvoj biopaliv je ovšem spojen se soupeřením o ornou půdu s potravinářským sektorem.

Podobně jako u tepelných čerpadel patří mezi nevýhody rozvoje elektromobility tlak na přenosovou soustavu elektřiny, nedostatečně rozvinutá infrastruktura pro dobíjení a absence daně z pohonných hmot, která by se mohla použít na údržbu silnic. Z ekonomického, technologického a environmentálního hlediska jsou ale elektromobilita i biopaliva výhodnější než použití vodíkových motorů.

Za cenné připomínky děkujeme: Miroslav Variny (STU), Vincent Nemček (Združenie pre výrobu a využitie biopalív), Ján Baráth (AZC Services)