Vodíkové technologie v energetice

Článek se zabývá rostoucím potenciálem vodíku v současné a budoucí energetice, která počítá se širokým využitím elektrické energie z obnovitelných zdrojů. Vzniklý vodík, respektive metan nachází využití jak v domácnostech pro výrobu tepelné a elektrické energie prostřednictvím mikrokogeneračních jednotek, tak v energetickém sektoru pro zpětnou výrobu elektrické energie v době jejího nedostatku a v neposlední řadě v dopravním a průmyslovým sektoru. Vodík je proto označován jako energetický vektor, jelikož umožňuje propojení elektrifikační sítě se zmíněnými sektory (sector-coupling).

Výtah z článku, který vyšel v časopisu Energie 21 č. 6/2019.
Mezi hlavní důvody snižování spotřeby fosilních zdrojů energie patří jejich snižující se zásoby na Zemi a snížení produkce skleníkových plynů. Při výrobě elektrické energie z OZE se využívají energie ze slunce, větru, biomasy, vody nebo tepla zemského jádra.
Největším problémem výroby elektrické energie ze slunce a větru je proměnlivý výkon, který je závislý na momentálním stavu počasí, a obtížná regulace jejich výkonu. Přebytečná elektrická energie z těchto zdrojů může způsobit destabilizaci elektrické přenosové soustavy, a ve výjimečném případě i tzv. black-out, tedy rozsáhlý výpadek elektrické energie. V současné době jsou výkyvy v síti zapříčiněné slunečními a větrnými elektrárnami regulovány zejména přizpůsobováním výkonu převážně uhelnými, plynovými a vodními elektrárnami včetně přečerpávacích vodních elektráren, přičemž regulace pomocí uhelných a plynových elektráren není efektivní, a dále má negativní vliv na kvalitu ovzduší.
Vzniklé problémy s výrobou elektrické energie z některých OZE se dají vyřešit zařazením akumulačního (skladovacího) prvku do elektrické přenosové soustavy, který bude kompenzovat nestálou produkci elektrické energie a výkyvy její spotřeby. Elektrickou energii také můžeme přeměnit na energii chemicky vázanou v podobě vodíku nebo metanu pomocí technologie PtG (Power-to-Gas).
Chemická energie ve formě vodíku, respektive metanu se dá na rozdíl od ostatních efektivně a dlouhodobě skladovat, transportovat a v případě jejího nedostatku v síti převést zpět za pomocí palivových článků, kogeneračních jednotek, plynových či paroplynových elektrárnách. Nejdříve se v procesu PtG z přebytku elektrické energie vyrobí vodík pomocí elektrolýzy vody. Vyrobený vodík je skladovatelný a zpětně využitelný, nicméně momentálně jsou skladovací a transportní kapacity velice omezené zejména z důvodu chybějící vodíkové infrastruktury.
První zařízení v ČR na akumulaci elektrické energie do vodíku, respektive metanu se nachází v areálu ÚJV Řež. Zařízení bylo postaveno v roce 2013 a do roku 2015 sloužilo pouze jako akumulační prvek, kde byl vyrobený vodík zpět převáděn na elektrickou energii pomocí palivového článku. Elektrická energie je do elektrolyzéru dodávána z malé fotovoltaické elektrárny umístěné na střeše jedné z budov v areálu ÚJV Řež. Vyrobený vodík je následně uložen do zásobníku a v případě potřeby je využit k produkci elektrické energie pomocí palivového článku. V roce 2015 bylo zařízení doplněno o katalytickou metanizační jednotku. Díky této jednotce lze snadno vyrábět, který je svým složením podobný zemnímu plynu.
Vyrobený vodík pomocí elektrické energie z OZE nachází využití v širokém spektru průmyslových oblastí a v čisté mobilitě. V chemickém průmyslu slouží vodík na výrobu základních chemikálií, hnojiv a v neposlední řadě pro výrobu ekologických paliv, např. pro leteckou dopravu, kde je využití palivových článků obtížné. V potravinářském průmyslu se vodík používá například při hydrogenaci tuků. Možné perspektivní využití vodíku může být v ocelářském průmyslu, kde vodík slouží jako částečná náhrada uhlí pro redukci železa ve vysokých pecích. Společnost Thyssenkrupp v listopadu 2019 zahájila první testování této technologie.
Jedna z dalších možností využití energie vodíku je v mikrokogeneračních jednotkách. V mikrokogeneračních jednotkách na bázi palivových článků je chemická energie vodíku přeměněna pomocí oxidace přímo na elektrickou energii a teplo. V palivovém článku sice dochází k oxidaci, nikoliv však ke spalování. Produktem této reakce je tedy pouze voda a uvolněná energie je využívána buď ve formě elektrické energie nebo tepla.*
Jan Kulas1,2, Filip Cesnak1, Tomáš Hlinčík2, Jakub Dvořák3, 1Oddělení Vodíkové technologie, ÚJV Řež a. s., 2Ústav plynných a pevných paliv a ochrany ovzduší, Vysoká škola chemicko-technologická, Praha, 3Ústav chemického inženýrství, Vysoká škola chemicko-technologická, Praha
Obrázky:
Srovnání metod akumulace energie. Zdroj: Hydrogen Europe
Koncept Power-to-Gas A. Zdroj: http://europeanpowertogas.com/power-to-gas/
Zařízení na akumulaci elektrické energie do vodíku v areálu ÚJV Řež. Foto archiv/ÚJV Řež
Vodíková ekonomika. Zdroj: Siemens
Zapojení mikrokogenerační jednotky v rodinném domě. Zdroj: First in architecture

Komentáře ke článku 1

  • Robert Šíp

    Nevím, proč v článcích o využití vodíku není komentováno to nejjednodušší – přidávat vodík do zemního plynu .
    Pokud mám správné informace, v Německu je to v menší míře povoleno , kdežto v Čechách je to zakázáno.
    Přitom svítiplyn obsahuje značně vodíku a byl léta v Čechách používán .

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *