Základní informace o vodíku a jeho využití v energetice budov
V současné době se produkce energie spalováním uhlí pohybuje na úrovni zhruba 140 TWh/a a tuto energii bude nutné co nejdříve nahradit. Česká republika se přihlásila k úplnému ukončení využívání uhlí do roku 2033 a to znamená, že v následujících letech může v našem energetickém mixu chybět právě těch 140 TWh energie ročně.
Vodík jako řešení pro soběstačnost a udržitelnost v oblasti energetiky budov
Základní informace o vodíku a jeho využití v energetice budov
V současné době se produkce energie spalováním uhlí pohybuje na úrovni zhruba 140 TWh/a a tuto energii bude nutné co nejdříve nahradit. Česká republika se přihlásila k úplnému ukončení využívání uhlí do roku 2033 a to znamená, že v následujících letech může v našem energetickém mixu chybět právě těch 140 TWh energie ročně.
Plynná paliva jsou v podstatě primární cestou, jak tuto ztrátu nahradit. Pojmem plynná paliva jsou v tomto případě míněny zemní plyn, biometan a vodík, přičemž zemní plyn bude postupně nahrazen částečně biometanem, ale především vodíkem.
Vodík jako součást energetického řetězce
Je vysoce pravděpodobné, že vodík bude součástí energetického řetězce, a to v celkovém procesu od získání energie až po její spotřebu.
Historicky, lidstvo využívalo několik zdrojů energie, které lze podle skupenství rozdělit na pevná paliva, kapalná paliva a plynná paliva. K těmto zdrojům byl v posledních letech přidán zdroj energie okolního prostředí.
V případě pevných, kapalných a plynných paliv se jedná o zdroje v principu stabilní, to jest časově nezávislé a dlouhodobě bezztrátově skladovatelné, což zajišťuje i stabilizaci stálé možnosti spotřeby. To vedlo k mylnému závěru, že podobně bude fungovat i další zdroj, tedy energie okolního prostředí s nestabilní a nepředvídatelnou možností výroby, a že přechodu je možno dosáhnout pouhou výměnou zdroje. Praxe ale ukazuje, že kombinace energie okolního prostředí a spotřeby energie ve formě elektřiny nebo tepla není schopna celý řetězec optimálně stabilně pokrýt. Primárním problémem je právě nemožnost vyvážení výroby a spotřeby, tedy skladovatelnost energie.
Transparentní příklad byl dokumentován v Německu, kde byl ve středu 15. května 2024 ve 13 hodin vytvořen nový rekord ve výrobě solární elektřiny 51,2 GW. Ten den byl ovšem na většině území výjimečný (teplota v noci 10–15 °C, ve dne 24–27 °C, stabilní vítr 5–7 m/s, bez deště, 10–15 hod slunečního svitu). Uvedená data dokládají ideální podmínky pro maximální produkci energie z obnovitelných zdrojů, kterou ale, zejména ve 13 hodin, nikdo nepotřebuje, a tudíž nespotřebuje.
Vlastnosti vodíku
Z hlediska fyzikálních vlastností se jedná o nejrozšířenější prvek v námi známém vesmíru, prvek s největší kilogramovou výhřevností – zhruba 33 kWh/kg (119 MJ/kg). Problémem je velice nízká hustota – zhruba 90 g/m3, to znamená více než 11 m3/kg. Z toho vychází i velmi nízká objemová výhřevnost zhruba 3 kWh/m3 (10,7 MJ/m3).
Se vzduchem tvoří hořlavou směs již od cca 4 % objemového mixu.
Výroba vodíku
Řešením výše uvedeného nesouladu mezi výrobou a spotřebou může být využití vodíku. Vodík představuje v případě využití vstupní energie z obnovitelných zdrojů energie bezemisní obnovitelné palivo.
Za standardní postup výroby je považován elektrochemický rozklad vody, kdy je na výrobu 1 kg vodíku třeba použít zhruba cca 9 l demineralizované vody a 50 až 60 kWh elektrické energie, přičemž jako „odpad“ vznikne cca 8 kg kyslíku.
Alternativně lze využít parní reforming zemního plynu, tedy reakci vodní páry a metanu při teplotě nad 700 °C. Tento proces ovšem generuje značnou uhlíkovou stopu, kdy na 1 kg vyrobeného vodíku připadá 5 až 10 kg CO2. Aby byl parní reforming akceptovatelný z hlediska bezemisnosti, musel by se doplnit o systém zachycení, ukládání a případně spotřeby CO2 tzv. CCS (Carbon Capture Storage).
Ekonomika vodíku
Vzhledem k celkově omezené výrobě vodíku v současné době je velice obtížné provádět cenové kalkulace, nicméně i do budoucna lze očekávat, že pro koncového uživatele bude zřejmě nákladově nejvyšší cena elektřiny. V případě využití zemního plynu je v současnosti cena proti elektřině zhruba poloviční a lze očekávat, že tento systém bude zachován i při začlenění alternativních plynných paliv do plynárenské soustavy.
Současná základní cena „zeleného“ vodíku se pohybuje zhruba mezi 8 až 15 €/kg, to se rovná zhruba 6 až 12 Kč/kWh, tedy zhruba dvoj- až čtyřnásobek ceny elektřiny. Významným faktorem při stanovení výrobní ceny vodíku ovšem může být spotová cena elektrické energie, která v době nadvýroby, respektive minimální spotřeby může být nižší než nulová. Systém výroby vodíku v době nadprodukce elektrické energie tak může cenu vodíku stlačit na úroveň zemního plynu. Vzhledem k možnosti skladování lze očekávat, že náklady pro spotřebitele budou v případě plynu i po plné dekarbonizaci nižší než v případě elektřiny.
V této souvislosti je třeba zmínit, že při jakékoli energetické nebo ekonomické predikci je třeba si uvědomit, že zemní plyn tady celosvětově je a bude. Současná roční (2023) spotřeba zemního plynu v České republice představuje více jak 6,75 miliard m3, celosvětová zhruba 400 miliard m3. Vzhledem k tomu, že celosvětové zásoby lze odhadovat zhruba na 500 000 miliard m3, představuje zemní plyn při současné spotřebě celosvětový zdroj energie na více než 1200 let. Proto lze očekávat, že globální cena zemního plynu je a bude velice nízká a přechod na jakýkoli alternativní zdroj energie bude představovat pro danou oblast extrémní ekonomickou zátěž, která bude muset být uměle kompenzována.
Transport vodíku
Pro transport vodíku se v současné době využívají tři základní možnosti:
– omezeně v lokálních potrubních sítích v plynné formě a tlacích odpovídajících transportu zemního plynu;
– zřejmě nejrozšířenějším způsobem je využití silniční dopravy. Vodík se přepravuje nejčastěji v plynné formě návěsy o nosnosti do 35 t nejčastěji ve formě svazku tlakových lahví a při tlaku kolem 200 barů. Tímto způsobem je možno transportovat jednorázově 300 až 500 kg vodíku;
– globální přeprava je v současné době ve stadiu raného vývoje. Bude ji možno zajistit ve formě mezinárodních plynovodů, případné v kombinaci s lodní dopravou, přičemž vodík bude dopraven z míst optimálních pro jeho výrobu. Je vysoce pravděpodobné, že pro potrubní dopravu vodíku budou využity i již existující plynové sítě.
Obecně se nejčastěji přepravuje plynný vodík (GH2), alternativními variantami jsou kapalný vodík (LH2), amoniak (NH3), kapalné organické nosiče vodíku (LOHC – benzyltoluen), metan (CH4) a metanol (CH4O).
Pro rok 2030 je předpoklad importu vodíku ve výrobní ceně pod 3 €/kg. Tato cena by měla do roku 2040 klesnout pod 2,50 €/kg. Přepravní náklady lze odhadovat na zhruba 0,15 € kg / 1000 km. K tomu je třeba připočíst náklady na kompresi, skladování a možné dočištění nebo vysušení.
Skladování vodíku
Základní lokální skladovací jednotkou jsou dnes nejčastěji láhve nebo svazky lahví, kde se vodík skladuje v plynné formě. Obvykle se jedná o standardní láhve o objemu 50 l. Při tlaku 200 barů představuje taková láhev zhruba 9 m3 vodíku, tedy zhruba 0,8 kg, což odpovídá cca 28 kWh. Svazek 12 lahví na paletě pak představuje zhruba 9,6 kg vodíku, tedy asi 317 kWh energie.
Pokročilejší alternativou jsou velkoobjemové zásobníky o objemu 20 až 100 m3, skladující vodík opět nejčastěji v plynné formě. Z hlediska úspory nákladů se používá nižší tlak, nejčastěji kolem 40 barů a za těchto podmínek lze uskladnit zhruba 100 až 350 kg vodíku, tedy až 11,5 MWh energie. Zásobníky se osazují jak horizontálně, tak vertikálně.
Nejnovější variantou je možnost ukládání vodíku ve formě kovových hydridů (metalhydride). Tyto systémy jsou založeny na principu snadné absorpce plynu určitými materiály, které pak uvolňují vodík jako plyn v případě, kdy jsou zahřívány při nízkých tlacích. V podstatě tyto materiály nasávají a uvolňují vodík jako houba, a to s účinností zhruba 95 %.
Největším problémem při skladování vodíku je jeho velmi nízká hustota (0,09 kg/m3), která fakticky neumožňuje skladování při atmosférickém tlaku. Množství energie, které lze uskladnit, vztažené na m3, je proto přímo úměrné stlačení. Při atmosférickém tlaku 1 bar představuje m3 vodíku zhruba 2,75 kWh, při stlačení na 350 barů se jedná o 735 kWh a pro 700 barů zhruba 1270 kWh. Náročnost komprese na tlak 350 barů je zhruba 5 kWh/kg (pro srovnání u benzínu jde při atmosférickém tlaku o cca 8600 kWh/m3).
Spotřeba vodíku
Tedy zpětné získání energie uložené ve vodíku. Je možné využít dva způsoby:
– Zpětné získání energie elektrické (varianta power to power) je nejčastěji realizována využitím kyslíko-vodíkového palivového článku, kdy z 1 kg vodíku lze získat zhruba 17,5 kWh elektrické energie a 17,5 kWh tepelné energie. Vzhledem k tomu, že tepelná energie je v tomto případě většinou ztrátová, lze pracovat s účinností kolem 50 %.
– Získání energie tepelné (varianta power to gas) představuje přímé spalování vodíku, kdy z 1 kg spáleného vodíku je možné získat při využití spalného tepla až 39 kWh tepelné energie, to znamená, že účinnost vztažená k výhřevnosti je na hranici 118 %.
Odpadním produktem zpětného získávání energie z vodíku je vždy pouze voda, ať ve formě kapalné, nebo plynné. To znamená, že energetickou přeměnu vodíku lze izolovaně označit za bezuhlíkovou.
Vodík v energetice budov
Sektor stavebnictví, tedy využití vodíku pro energetické zásobování budov, je „nejmladší“, což někdy vede k závěrům, že se jedná o využití neperspektivní.
Nicméně v České republice se využití potenciálu vodíku pro vytápění budov nebo obecně zásobování energií jeví jako více než smysluplné, a to zejména z následujících důvodů:
– vodík nebo jeho mix se zemním plynem může představovat ekologicky a ekonomicky smysluplnou variantu zachování stávající plynárenské infrastruktury, protože vodík lze v omezeném množství vtlačovat i do rozvodné soustavy zemního plynu;
– vodík ve směsi se zemním plynem do 20 % lze spalovat ve „standardním“ plynovém kotli;
– vodík může být použit jako lokální úložiště energie pro dosažení soběstačnosti, protože vodík představuje stabilní energetické úložiště;
– bezemisně vyrobený vodík by mohl výrazně změnit hodnoty faktorů primární neobnovitelné energie a uhlíkových emisí;
– čistý vodík lze spalovat v kotlích konstrukčně podobných kotlům na zemní plyn nebo ho lze transformovat na elektřinu v palivovém článku.
Pro konkrétní budovu nebo soubor budov může využití vodíku jako úložiště energie představovat cestu k plné soběstačnosti s nulovou uhlíkovou stopou. Zjednodušeně řečeno, lokálně lze vyrábět vodík v době nadprodukce elektrické energie jak z místní, tak z centrální sítě (typicky v létě), tento vodík lokálně skladovat a použít ho v době nadbytku spotřeby (typicky v zimě). Pro rodinný dům v současném standardu představuje nutná mezisezónní zásoba vodíku zhouba 1 až 3 MWh energie.
Aktuální legislativa EU (RED 3) požaduje v budovách dosáhnout do roku 2030 alespoň 49% podílu energie z obnovitelných zdrojů. Pokud má být tohoto cíle dosaženo bez drastického snížení životní úrovně nebo extrémního nárůstu investičních nákladů, musí být do energetického řetězce vložen zálohovatelný prvek, přičemž vodík patří v této oblasti k favoritům.
Většímu posunu v oblasti využití vodíku pro budovy ovšem brání v současné době několik faktorů:
– minimální reálná dostupnost vodíku;
– neexistence státních investičních pobídek;
– omezená dostupnost jednotlivých komponent;
– vysoké pořizovací náklady.
Při praktické realizaci systémem power to power tvoří celkovou cenu zhruba z 20 % cena elektrolyzéru, z 10 % cena palivového článku a ze 70 % cena skladování. Současně se ale zvýší využití fotovoltaiky z obvyklých cca 25 až 30 % nad 95 %.
Přechod na vodík v plynárenské síti
Již v současné době je zahájen proces přechodu na mix zemního plynu, vodíku a biometanu, přičemž cílem je dosáhnout úplné eliminace zemního plynu. Lze optimisticky předpokládat, že tento přechod bude nákladově konkurenceschopný, především proto, že nebude nutné limitně upravovat stávající infrastrukturu (na rozdíl od infrastruktury elektrické).
Využití vodíku má výrazný potenciál i pro dekarbonizaci lokálního vytápění domácností, přičemž role zemního plynu je v tomto procesu nezastupitelná, a to jako přechodový zdroj energie. V současné době je v provozu více než 1,5 milionu plynových kotlů a více než 0,6 milionu kotlů na tuhá paliva (z toho zhruba polovina na biomasu). Náhradou především kotlů spalujících uhlí, ale i zastaralých plynových kotlů za moderní plynové kondenzační spotřebiče lze dosáhnout výrazného snížení emisí z lokálního vytápění domácností. Především lze s využitím zemního plynu zcela odstranit emise prachu a síry a se stoupajícím podílem vodíku eliminovat i karcinogenní uhlovodíky a uhlíkové oxidy.
Současné plynárenské kapacity umožňují instalaci 70 až 100 000 kusů nových plynových kotlů ročně, přičemž se jedná o kotle, které mohou bez úpravy spalovat mix vodíku se zemním plynem až do cca 20 obj. % a současně mohou být v budoucnosti pouhou jednoduchou úpravou bez nutnosti demontáže a výměny modifikovány pro spalování čistého vodíku. To ovšem znamená, že pokud máme mezi lety 2040 a 2050 dosáhnout postupně plné dekarbonizace, je třeba začít s obměnou již nyní.
Velkou výhodou je, že Česká plynárenská síť má dostatečnou kapacitu pro připojení několika set tisíc nových odběratelů.
Závěr
Česká republika je závislá na spalování plynu a tento stav se v dohledné době nezmění. Nicméně, bude vodík součástí energetické transformace? Možná ne, ale pravděpodobně ano. Současně se lze oprávněně domnívat, že součástí praktického využití vodíku bude i energetické řešení stavebních objektů.
VALTR SODOMKA, technický garant APOKS
Foto: archiv autora
Zdroje: archiv autora, statistická data ČSÚ, Net4Gas, GasNet a podklady výrobců zařízení
Ing. Valtr Sodomka (* 1963)
Absolvent ČVUT fakulty strojní s dlouhodobou praxí v energetice budov. Vedoucí vodíkového programu Messy, s. r. o., a APOKS, z. s. Energetický specialista. Znalec v oboru odvodu spalin.
APOKS, z. s., je nezávislá, nezisková organizace, jejímž cílem je snaha o řešení, osvětu a sdílení informací v oblasti optimalizace energetiky a spalovacích procesů. Je lídrem v oblasti využití vodíku v energetice budov, kdy aktivně prosazuje technologie využití vodíku v budovách a postupné vytváření prostředí pro obchodní příležitosti. APOKS sdružuje a zastupuje odborníky, organizace a společnosti na poli vodíku pro budovy a hájí jejich zájmy.
Více na www.apoks.cz
Publikováno v časopise Materiály pro stavbu č. 1/2025.
