Vodík a zemný plyn: spolupracovníci alebo konkurenti?
Časopis TZB Haustechnik 
Európa sa v posledných rokoch svojimi jednostrannými rozhodnutiami dostáva do zložitej energetickej situácie. Jednoduchú energetickú logiku založenú na ekonomickej a technickej výhodnosti nahradila ideológia udržateľnosti a sebestačnosti.
V tejto situácii je Európa postavená pred problém, ako nahradiť fosílne zdroje a súčasne zabezpečiť stabilné dodávky energie, a to s využitím iba miestne dostupných a environmentálne neutrálnych zdrojov okolitého prostredia (slnko, vietor, voda, geotermálna energia a pod.). Kľúčovou komplikáciou je pritom fakt, že za jediného energonosiča bola zvolená elektrická energia, ktorú reálne nemožno dlhodobo skladovať.
Dostupnosť udržateľnej energie sa pri jednotlivých štátoch Európy líši, a je nepríjemné, že Česká republika je jedným z tých, ktoré nemajú a ani v budúcnosti nebudú mať k dispozícii dostatok energie z udržateľných zdrojov. Výroba elektriny a tepla je v Českej republike historicky závislá od využitia uhlia, ktoré je jediným lokálnym zdrojom, a od využitia nakúpeného zemného plynu.
Dlhodobá energetická stratégia krajiny smerovala v minulých desaťročiach predovšetkým k zlepšeniu životného prostredia z hľadiska zníženia emisií pri spaľovaní uhlia, a to jeho náhradou za zemný plyn. V súčasnosti nemá za tieto fosílne zdroje reálnu energetickú náhradu, pretože využitie veternej a slnečnej energie je časovo obmedzené a tvorí primárne špičkové prebytky. Akokoľvek je možné matematicky vyčísliť množstvo dostupnej energie okolitého prostredia ako dostatočné, problémom je jeho časová a miestna dostupnosť, ktorú aktuálne nedokážeme reálne ovplyvniť.
Pre funkčnosť energetickej sústavy preto treba hľadať spôsob energetického zálohovania. V tejto súvislosti sa ako najperspektívnejšie javí využitie vodíka, ktorý možno pomerne jednoducho vyrobiť elektrolýzou vody a následne premeniť späť na elektrickú energiu. Za akýsi bonus sa dá považovať, že vodík možno aj spáliť a získať tým tepelnú energiu bez strát .
Vyššie uvedené skutočnosti zrejme primäli vedenie Európskej únie k propagácii vodíka ako ideálne energetické riešenie prechodu z fosílnych palív na udržateľné zdroje. Problém však nastal v okamihu praktickej definície tohto prechodu. Prechod z mixu zemného plynu a uhlia na vodík totiž nemôže byť jednorazový, čo sa, žiaľ, rozchádza s predstavou Európskej komisie, ktorá definuje prechod z fosílnych palív na udržateľné palivá ako jednorazový krok v pomerne veľmi blízkej budúcnosti.
Prechod na vodík nebude taký rýchly
Pre Českú republiku je však okamžité prerušenie využitia fosílnych palív ekonomickým aj technicky neprijateľným variantom. Naopak, jedinou reálnou možnosťou je postupná náhrada, a to pravdepodobne v horizonte niekoľkých desaťročí. Navyše, v takom citlivom odvetví, ako je energetika, je vždy nutné pracovať s variantom, že sa to takzvane nepodarí.
To znamená nevyhnutnosť mať záložný plán, resp. plán B. Prakticky to znamená plošne neodpájať staré zdroje, kým nie sú plne nahradené novými a plne vyskúšanými zdrojmi. Cesta k využitiu vodíka teda nemôže byť skoková, ale musí postupovať v jednotlivých čiastkových krokoch, pričom v procese zavádzania vodíka musia výroba a spotreba postupovať ruka v ruke.
V prípade výroby vodíka z obnoviteľných zdrojov musí byť v prvom rade k dispozícii stabilný a časovo nezávislý odber. Nemožno očakávať, že prvými odberateľmi vodíka budú odvetvia dopravy a priemyslu, ktoré si vyžadujú na strane spotreby extrémne investície a súčasne časovo a objemovo stabilné dodávky vysokokvalitného vodíka.
Budovy ako ideálny prvotný odberateľ
Ideálnym prvotným odberateľom vodíka sa v tejto situácii zdajú budovy, kde môže byť vodík využívaný v kombinácii so zemným plynom ako zdroj energie pre vykurovanie. Prvým čiastkovým krokom môže byť spaľovanie zmesi zemného plynu a vodíka v lokálnych spotrebičoch. Teoreticky aj praktickými skúškami sa potvrdilo, že súčasné lokálne plynové spotrebiče dokážu bez problémov spaľovať zmes až 20 obj.% vodíka v zemnom plyne.
Kľúčovými výhodami tohto systému je, že podiel vodíka v mixe môže kolísať a súčasne možno obmedziť požiadavky na vysokú čistotu vodíka. Problémom nie je ani odorizácia zmesi, ktorá je neprijateľná v prípade použitia palivového článku. V prípade takto zabezpečeného odberu vodíka sa stáva aj jeho výroba technicky a ekonomicky prijateľná, pretože umožní optimálne využitie elektrolyzéra. Výroba vodíka sa tak môže stať zaujímavou investičnou príležitosťou. Ak budovy zabezpečia základný odber, dá sa očakávať následné využívanie vodíka aj v ďalších oblastiach.
Logicky nadväzujúce je využitie v lokálnej doprave, kde sa môžu čerpacie stanice vodíka zriaďovať priamo na mieste výroby. Týmto spôsobom sa minimalizuje nutnosť prepravy a prečerpávania neodorizovaného vodíka s vysokou čistotou, čím sa eliminujú potenciálne bezpečnostné riziká.
Jedna vodíková čerpacia stanica bude pravdepodobne schopná pokryť spotrebu minimálne niekoľkých desiatok, ale skôr stoviek automobilov. Pri cene vodíkového osobného vozidla porovnateľnej s cenou priemerného elektromobilu, dojazde cca 600 až 700 km a čase tankovania v rozsahu niekoľkých minút možno očakávať pomerne rýchly rozvoj lokálnej vodíkovej dopravy.
Zaujímavou alternatívou môže byť vodík aj v lokálnej hromadnej doprave a lokálnych službách. Kooperácia využitia vodíka v budovách a doprave by predstavovala stabilizačný predel, keďby bolo možné celý proces využitia vodíka v energetike vyhodnotiť a reálne naznačiť ďalšie možnosti využitia, a to najmä v oblasti spätnej výroby elektriny a využitia v priemysle.
Takýto krok by znamenal významný predel vo využití vodíka, a to predovšetkým v nutnosti vyriešenia skladovania nielen na úrovni krátkodobého kolísania produkcie obnoviteľnej elektriny, ale aj na úrovni skladovania v lete/zime. V každom prípade až prechod na tento level by reálne umožnil dekarbonizáciu elektrární a priemyslu. Nemožno reálne očakávať, že priemyselné podniky a elektrárne by si mohli dovoliť prechod na využitie vodíka skôr, než bude celý proces úplne stabilizovaný.
Uvedeným spôsobom môžu vznikať lokálne tzv. vodíkové údolia, ktoré sa budú postupne prekrývať, čo bude viesť k vzniku globálneho vodíkového energetického hospodárstva. Aj v takto fungujúcom systéme však budú mať fosílne palivá svoje miesto, a to ako poistný zdroj energie – či už na výrobu vodíka, elektriny, tepla, alebo ako pohon vozidiel v prípade limitného výpadku bezemisnej energetickej siete.
Z uvedeného vyplýva, že proces zavádzania vodíka do energetického hospodárstva musí byť pozvoľný, aby sa bezpečne eliminovali všetky potenciálne riziká. Celý proces výroby, transport a skladovanie vodíka a spätná premena na elektrickú alebo tepelnú energiu sú pritom technicky spracované a v mnohých zahraničných projektoch aj prakticky realizované.
Lokálne a pilotné projekty
Dlhodobo funkčné sú pritom predovšetkým malé lokálne projekty v oblasti budov a dopravy. Vo väčšine prípadov však ide o overujúce alebo testovacie projekty realizované na základe špeciálneho povolenia. Pri prechode na všeobecné využitie vodíka v energetike bude nutné nastaviť aj všeobecne platné legislatívne pravidlá, a to tak, aby potenciálni investori mali motiváciu k realizácii takýchto projektov.
V tejto oblasti je nenahraditeľná úloha štátu, ktorý musí vodíkové riešenia podporovať, pričom táto podpora musí byť nielen finančná, ale predovšetkým legislatívna a propagačná. Na základe zahraničných skúseností sa ukazuje, že kľúčovú úlohu hrajú pilotné projekty, ktoré musia byť podporované zo strany štátnej aj miestnej správy.
Zo zahraničia môžeme čerpať aj skúsenosti z oblasti teoretickej prípravy, organizačného riešenia či praktickej realizácie, prevádzky a vyhodnotenia takýchto projektov. Vidieť, že úspech pilotných vodíkových projektov primárne závisí od toho, ako ich prijme verejnosť, predovšetkým potenciálni užívatelia. Ide o takzvaný „sociálno-spoločenský aspekt projektu“, kde musí spolupracovať štátna správa a miestna samospráva, a to predovšetkým v oblasti propagácie a informovanosti.
Za optimálny stav sa dá považovať situácia, keď sú potenciálni užívatelia vodíkového systému aktívnymi podporovateľmi a nemajú pocit, že boli do projektu vmanipulovaní. Súčasne je nevyhnutná technická príprava vzhľadom na to, že vo všeobecnosti je pri zavádzaní nových technológií nulová tolerancia akýchkoľvek problémov. Je preto potrebné, aby sa už vo fáze prípravy podieľali na projekte firmy s odpovedajúcou špecializáciou a preverenou organizačnou štruktúrou.
Pilotné projekty musia mať zabezpečenú finančnú podporu štátu nielen v oblasti prípravy a realizácie, ale, a to najmä, v oblasti prevádzky a vyhodnotenia. Správne realizovaný pilotný projekt, vrátane záverečného vyhodnotenia, by mal slúžiť ako všeobecne použiteľný vzor, a to pre štátnu správu, miestnu samosprávu a v neposlednom rade aj pre individuálne investičné projekty.
Projekt v Karlovarskom kraji
Je potešujúce, že v Českej republike sa už pilotný projekt v oblasti využitia vodíka pre budovy rozbehol, a to v Karlovarskom kraji, kde bude mestská lokalita zhruba 300 odberných miest zemného plynu pripojená na mix zemného plynu a vodíka v rozsahu do 20 obj. %.
V rámci projektu už v spolupráci s miestnou samosprávou prebehla teoretická príprava akcie spočívajúca predovšetkým v informovanosti obyvateľov. Nasledovala nutná technická príprava projektu, ktorá spočívala v kontrole všetkých pripojených odberných plynových zariadení (väčšinou existujúce kotly na zemný plyn, ale aj niekoľko technologických spotrebičov). V rámci kontroly sa preverila funkčnosť domových plynových prípojok (vrátane merania), funkčnosť odberných plynových zariadení a funkčnosť odvodu spalín.
Neopomenuteľnou súčasťou bolo aj splnenie legislatívnych povinností jednotlivých odberateľov plynu v oblasti kontroly plynových zariadení a spalinových ciest. Dôležitou súčasťou bolo tiež meranie emisií pri prevádzke na zemný plyn, ktoré bude následne slúžiť ako vyhodnocovací etalón na stanovenie environmentálnych dosahov. Až po skončení tejto prípravnej fázy bolo možné považovať systém za vyhovujúci, a to z technickej aj legislatívnej stránky.
Následne sa pristúpilo k realizácii výstavby elektrolyzéra na výrobu vodíka z lokálne dostupných obnoviteľných zdrojov (v tomto prípade predovšetkým vietor), zo systému vyrovnávacieho skladovania a z miešacieho zariadenia.
V súčasnosti sa projekt nachádza tesne pred spustením. Po spustení bude jedným zo základných vyhodnocovacích kritérií vplyv prímesi vodíka na zníženie emisií, pričom za primárnu emisiu je považovaný oxid uhličitý (CO₂). Pri súčasnej odhadovanej ročnej spotrebe lokality približne 350 000 m³ zemného plynu je produkcia CO₂ (2 kg CO₂/1 m³ podľa vyhl. 140/2021 Sb.) zhruba 700 ton CO₂ ročne.
Pri predpoklade 20-percentného objemového mixu zemného plynu a vodíka možno očakávať, že výhrevnosť zmesi poklesne približne o 15 %, ale súčasne za predpokladu zachovania výkonu stúpne jej spotreba zhruba o 13 %, tzn. na 400 000 m³ za rok. V tejto zmesi bude približne 320 000 m³ zemného plynu, čo zodpovedá produkcii asi 640 ton CO₂ ročne. Zníženie emisií CO₂ možno teda odhadovať na 60 ton ročne.
Odhadovanú úsporu možno vyčísliť aj ekonomicky, za predpokladu zavedenia systému emisných povoleniek aj pre lokálnych spotrebiteľov. Pri odhadovanej cene emisnej povolenky na úrovni 120 až 200 euro/tonu CO₂, čo v súčasných cenách zodpovedá asi 3 000 až 5 000 Kč/tonu CO₂, predstavuje predpokladaná úspora zníženia daní v oblasti produkcie CO₂ približne 180 000 až 300 000 korún ročne (7 000 až 12 000 eur). Za dôležitý aspekt tohto vyhodnotenia je nutné považovať, že pri zachovaní odberateľskej ceny energie za 1 kWh bude vyššie uvedená úspora znižovať finálne odberateľské náklady.
Záver
Nemožno zatvárať oči pred faktom, že zákaz využívania fosílnych palív je jednostranným rozhodnutím štátov Európskej únie a nepredstavuje globálny celosvetový krok. Bez ohľadu na možný vznik vodíkového hospodárstva v Európe si fosílne palivá zachovajú svoju celosvetovú dominanciu a pravdepodobne aj výrazne nižšiu jednotkovú cenu energie.
Súčasne je zrejmé, že síce nie úplnú, ale pomerne významnú dekarbonizáciu možno dosiahnuť aj jednoduchou optimalizáciou existujúcej spotreby. Doplnková štúdia v rámci vyššie uvedeného vodíkového projektu vyhodnotila aj možnú úsporu v prípade celkovej optimalizácie vykurovacích systémov, modernizácie použitých plynových spotrebičov a súčasného zníženia energetickej náročnosti objektov. Táto úspora by mohla znížiť spotrebu zemného plynu, a teda aj produkciu CO₂ v limitnom prípade o viac než 50 %.
TEXT: Ing. Valtr Sodomka, vedúci vodíkového programu Messy, s. r. o., a APOKS, z. s., energetický špecialista a znalec v odbore odvodu spalín
FOTO: APOKS, z. s.
