V rámci globální energetiky je stále aktuálnějším tématem vznik nového energetického systému na bázi vodíku, označovaného jako vodíkové hospodářství. V článku je uveden pokud možno aktuální pohled na současné a možné budoucí aplikace vodíku jako energetického vektoru, se snahou o zasazení do širšího sociologicko-ekonomického rámce.
odíkové hospodářství je možný nový směr vývoje vodíku v automobilovém průmyslu jako budoucí náhrady fosilních paliv. Potenciální aplikace vodíku však mají mnohem širší dosah. I když je reálné nasazení těchto technologií otázkou dlouhodobější, již nyní můžeme nalézt řadu především demonstračních aplikací, které rozvoj konceptu podporují.
Vodík a velká města
Města a život v nich se velmi rychle mění a rozvíjí. Do roku 2050 se předpokládá, že ve městech bude žít většina obyvatel Země a že se města stanou určitou organickou strukturou, která pro své obyvatele bude mnohem více přívětivá, než je tomu dnes. S tím souvisí i otázka znečištění ovzduší dopravou a průmyslem, což hraje pro města jako jsou Londýn nebo Tokio už dnes závažný problém. Z různých studií je pravděpodobné, že nebude možné ve městech v blízké budoucnosti dodržet ekologické limity. Doprava jako prakticky největší znečišťovatel městského ovzduší je tak prvním místem, kam se obrací i většina politických iniciativ v rámci zlepšení životní úrovně. Z hlediska vodíku jako potenciálního zdroje čisté energie tato pozornost dovoluje realizovat řadu demonstračních ukázek, která jsou pro rozvoj celého konceptu velmi důležité, protože přitahují nutnou politickou a především všeobecnou pozornost, která následně poskytuje finanční prostředky na další výzkum.Významná je i snaha o zlepšení povědomí o vodíkových technologií a přesvědčení veřejnosti, že vodík není o nic nebezpečnější než běžná uhlovodíková paliva.[1,2]
Vodíkové technologie mají tedy v daných aplikacích „zelenou“ a jsou prosazovány napříč různými městy. Z demonstračních pokusů jsou pro Evropana pravděpodobně nejznámější projekty HyFleet:Cute případně HyTec. Oba projekty jsou financovány za podpory EU pomocí FCH-JU (Fuel Cell and Hydrogen Joint Undertaking), což je sdružení strategických partnerů pro vodíkové technologie. První z uvedených je asi známější. Jedná se o projekt, kdy byly do deseti největších měst (Londýn, Paříž, Madrid, Barcelona, Řím, Berlin, Amsterodam, aj.) v Evropě instalovány vodíkové autobusy pro hromadnou dopravu. Průkopníkem v těchto aplikacích je město Londýn, které na vodíkových autobusech staví svojí tzv. Zelenou politiku vůči dopravě a v budoucnu plánuje další rozvoj využití zmíněných autobusů. Podmínkou je zde ale levný zdroj vodíku a také bezpečný provoz s jeho použitím jako paliva.[3,4] Kromě toho je také nutno vyřešit vhodný způsob skladování vodíku, který by jako značně výbušný plyn svým únikem nebo špatnou manipulací mohl být i příčinou různých havárií nebo dokonce i katastrof.[5, 6, 7, 8, 9] Vodíkový autobus je možné nalézt i v České republice ve městě Neratovice, kde je už v chodu také první česká vodíková čerpací stanice.[10]
Pod druhým projektem s názvem HyTec se opět skrývá další část z Londýnské ekologické strategie a to vybudování flotily taxíků, které mají přiblížit vodíkové technologie širší veřejnosti. Jejich první nasazení bylo v roce 2012 při příležitosti konání letních olympijských her 2012. Podobným směrem se vydává i druhý člen projektu město Kodaň, které by se do roku 2025 chtělo stát tzv. Carbon neutral city – tedy městem bez emisí CO2 z dopravy. Prostředí velkých měst se tak stává výbornou možností testování nových technologií.
Vodík však není jedinou alternativou pro městskou dopravu. Města jsou i domácím prostředí pro již zavedenější technologie, a to technologie elektromobilů. Tyto dvě rozdílné platformy se ale dnes spíše začínají vzájemně doplňovat než si přímo konkurovat, jak tomu bylo dříve.[11, 12, 13] Je totiž nutné si uvědomit, že vodíkový automobil je prakticky elektromobil pouze s jiným zdrojem a řada komponentů daných systému je velmi podobná.[14, 15] Byly proto již vytvořeny různé strategie, které do budoucna počítají s využití elektromobilů jako automobilů pro města, což je předurčeno především kratší dojezdovou vzdáleností (150 až 250 km) oproti vodíkovým protějškům (400 až 500 km). Vodíkové automobily by tedy měly sloužit především pro meziměsto a delší vzdálenosti.[6, 16] Z výše uvedeného je patrné, že v současné době prakticky vznikají dvě různé infrastruktury pro automobilovou dopravu. Až čas ukáže, zda budou i nadále vedle sebe existovat, nebo se jedna stane dominantním, zatím tuto otázku ale nikdo nedokázal uspokojivě zodpovědět. Daný vývoj je i v souladu s přesvědčením většiny společností působících v energetické oblasti, že vhodný kompromis technologií je pro budoucnost energetických systémů klíčový.[13, 14, 15] Z konkurentů vodíku, jako jsou elektřina, metanol, zemní plyn (CNG), případně i ropný plyn (LPG) se tak stávají spoluhráči na cestě za ekologičtější dopravou. Z dlouhodobého výhledu ale začíná být za odpovídající řešení považován právě vodík především díky svým širším aplikačním možnostem i mimo automobilový sektor.[1, 2, 3, 6]
Nasazení vodíku do reálného provozu v automobilové dopravě je již realitou zejména v městské hromadné dopravě a rozšíření na dopravu automobilovou je možné očekávat ve velmi blízké budoucnosti kolem roku 2015. Jako další podporu ekologické dopravy je možné vidět např. v oznámení EU z konce března 2013, kdy na základě analýzy bylo zjištěno, že nové standardy a zákony pro ekologické a efektivní využití paliv by do roku 2030 měly vytvořit na 450 tisíc nových pracovních míst. Je tak možné spatřovat odhodlání a prostor pro řešení ekologické dopravy v rámci EU. Problémovou oblastí využití vodíku v dopravě je především jeho skladování, neboť možnost stlačeného nebo kapalného vodíku ve vozidlech podle DOE (Department od Energy) zavrhuje USA pro možnost snadného výbuchu, což by nahrávalo hlavně teroristům.[17] Proto se nyní pracuje na alternativních možnostech jeho skladování. Jedná se např. o materiály MOF (Metal Organic Frameworks) jako vysoce porézní materiály s výbornými adsorpčními vlastnostmi,[18] uchování v chemických sloučeninách jako borazan,[6] nebo v systému MHS (Metal Hydrides Storage), které jsou ale dosti těžké a dnes by na jízdu 1000 km tvořily až třetinu hmotnosti automobilu.[17, 19, 20] Uvedené alternativní možnosti jsou ale ještě pouze ve fázi testování a výzkumu. Prvotní aplikace tak zatím budou stále patřit klasickým metodám skladování (stlačená nebo kapalná forma), což dokazuje právě řada již představených a v nejbližší době plánovaných prototypů.[6]
Podpora od soukromých subjektů
Vodíkové technologie postupně v druhém desetiletí 21. století začínají pomalu ale jistě pronikat i do běžné propagační praxe soukromých subjektů, které vodík postupně zařazují do svého portfolia. Samozřejmě prvotní zájem je ze strany automobilových výrobců, pro které alternativní pohony představují základní zdroj rozvoje budoucího podnikání. Významnou podporou konceptu z tohoto sektoru je podepsání společného dopisu o podpoře vodíkových technologií a jejich postupné implementaci do běžného provozu od roku 2015 adresovanému různým národním výzkumným institucím (zveřejněného tiskem dne 8. 9. 2009). Jde o společnosti Daimler, Ford, General Motors, Honda, Hyundai, KIA, Renault, Nissan a Toyota. Automobilový průmysl již nyní představil několik vozů, z nichž nejznámějším je Honda Clarity FCX. Výrobci se na trh ještě zatím chystají, ale většina z nich již disponuje určitým modelem (prototypem) vodíkového automobilu, protože se jedná o určitou prestižní záležitost směrem k budoucí ekologické dopravě.[17] Zajímavá jsou i novodobá partnerství jednotlivých společností, které musí spolupracovat, protože základní výzkum je velmi nákladný. Existují však výrobci, kteří jsou opatrnější, mezi tyto patří třeba automobilka Ford, která počítá se zavedením vodíkových automobilů až v dlouhodobějším horizontu. V České republice a to hlavně v českých automobilech Škoda se pravděpodobně vodíkových technologií ještě delší dobu ale nedočkáme, jelikož vlastník automobilky Škoda – koncern Volkswagen Group nasazení vodíkových technologií v blízké době neplánuje. Tento postup je možné vypozorovat i s ohledem na jeho strategii stát se největším výrobcem automobilů na světě do roku 2020. Vývoj vodíkových technologií by tak automobilce určitě tyto plány z důvodu své finanční náročnosti poněkud ztížil. Z celkového pohledu změna v energetickém systému přináší i možnost vstupu nových „hráčů” na trh. Budoucími předními představiteli v daném sektoru se tak možná stanou nové, dosud neznámé společnosti.
Přechod na vodíkové systémy již není jen výsadou automobilového průmyslu, je vidět, že i řada dalších společností vodík bere „vážně“. Jedná se například o koncern Siemens, který ho jako inženýrská společnost zařazuje do svých budoucích energetických strategií s názvem Power Matrix. Klasické těžařské společnosti jako Shell, British Petrol nebo Exxon Mobile do budoucna také počítají s využitím vodíku a považují ho za jednu z hlavních alternativ budoucích energetických systémů. Je tedy možno vypozorovat podporu vodíkových technologií i od silných společností, které by daný rozvoj mohly výrazně ovlivnit. V oblasti spotřebního zboží začíná být velmi populární především ekologický přístup jednotlivých společností, který je spojen i s aktuálními socio-ekonomickými výhodami v podobě snížení daní apod. Příkladem toho je třeba společnost Apple zabývající se vývojem počítačové a mobilní elektroniky, která s ohledem na svoji ekologickou agendu vlastní 5MW vodíkový palivový článek a do budoucna plánuje jeho rozšíření na 10 MW. Tento článek společně se solárními panely prakticky tvoří pro datové centrum v Severní Karolíně, u kterého je instalován, nezávislý zdroj energie, který naopak klasickou rozvodnou síť již využívá spíše jako záložní zdroj. Podobnou strategii plánuje i společnost eBay, která je jedním z předních světových hráčů v nákupech přes internet.
Využití pro stabilizaci sítě
Vodíkové technologie jsou zajímavé především svojí širokou aplikovatelností. Jako jednu z nejlákavějších aplikací mimo automobilový průmysl představuje vyřešení dlouhodobého problému elektrických sítí v podobě nemožnosti skladovat generovanou elektrickou energii. Jedná se o situaci, kdy naše energetické systémy postupně začínají z části přecházet na obnovitelné zdroje, které by v budoucnu měly být upřednostněny před klasickými zdroji neobnovitelnými. Nevýhodou alternativních zdrojů je ale jejich aktuální nevyváženost produkce, kdy např. větrné elektrárny produkují nárazově více energie, než je aktuální poptávka, a energie musí být spotřebována třeba známým „svícením pouličního osvětlení přes den”. Vodík by zde mohl pomoci jako skladiště elektrické energie ve smyslu převedení elektrické energie pomocí elektrolýzy vody na vodík v případě nárazově větší produkce a naopak v období výpadku by mohla být přes palivový článek energie opět uvolněna do sítě. V případě domácích solárních panelů by pak vodík mohl sloužit jako přenašeč energie pro mobilní aplikace.[16] Další využitím je nahrazení typických dieselových generátorů, kde vodík představuje zajímavou alternativu pro použití v objektech a zařízeních, která nemohou zůstat bez elektřiny (datová centra, dispečinky, lokátory aj.)
Stacionární aplikace tedy mohou zastávat v energetické infrastruktuře vodíku velmi důležitou roli hned vedle aplikací mobilních. Z tohoto důvodu není vhodné opustit např. vývoj hybridů kovů, které pravděpodobně pro automobilový průmysl využití nenaleznou z důvodu své nadměrné hmotnosti, ale pro stacionární aplikace se z hlediska objemových i cenových hledisek jeví jako vhodný materiál. Zajímavostí je např. možnost kombinace jednotlivých hydridů pro jejich simultánní využití, kdy je absorpční teplo jednoho hydridu využito pro desorpci vodíku z hydridů druhého a naopak, což přináší výrazné úspory energie. Tento vývoj potvrzuje i aktuální tvorba strategických cílů pro stacionární aplikace od US DOE, které by měly být hotovy během roku 2013, případně na počátku roku 2014.
Vodík je tak často nazýván jako potencionální buffer neboli tlumič elektrické sítě a vodíkové technologie patří mezi aplikace využitelné pro lokální rekuperaci energie v rámci budoucích inteligentních rozvodných sítí známých pod názvem SmartGrid.[9] Tyto sítě do budoucna představují výraznou úsporu a efektivnost využití energie. Zajímavostí je zde tzv. inteligentní elektroměr, který by odesílal údaje o aktuální spotřebě a energetická síť by tak mohla být plně optimalizována. Samozřejmě vše za využití moderní výpočetní techniky. Celkovým zpracováním tzv. inteligentních měst se dnes již zabývá řada společností. Nejznámějším konceptem je pravděpodobně IBM Smarter Cities od společnosti IBM, která je jedním z předních výrobců na poli počítačových technologií. Na tomto příkladu je také vidět silné propojení energetického sektoru se sektorem informačním, což představuje dlouhodobým trendem vývoje posledních let.
Stabilizace energetické sítě je tedy již čtvrtým důležitým důvodem (vedle čistého zdroje energie, snížení závislosti na fosilních palivech a vyřešení otázky neobnovitelných zdrojů), proč předpoklady o budoucí vodíkové infrastruktuře případně ekonomice jsou založeny na reálných základech. Ze společenského hlediska následně vodíková infrastruktura směřuje k tzv. City 2.0, které představuje novou podobu efektivních, ekologických a šetrných měst. Zajímavým propojením na automobilový průmysl s ohledem na záložní zdroje energie se pak jeví možnost představená výzkumníky z Japonska ve smyslu napájení domácností po dobu výpadku rozvodné sítě z automobilu na vodík.[6]
Vodíkové technologie se nyní nacházejí v nové fázi, kdy už se nejedná pouze o základní výzkum, ale již o první ekonomické, inženýrské a další analýzy fungování konceptu mimo oblast laboratoří.[4,5] Prozatímní předpoklady uvádějí, aby byl vodík konkurenceschopný v aktuálním stavu technologií proti dnes běžným palivům, musel by litr benzinu stát kolem 60 Kč.[4] Vodíkové technologie tak stále čekají na svůj zlomový objev, vývoj výzkumu posledních let po celém světě a plánovaný výzkum v blízké budoucnosti však předznamenávají potenciální velmi slibné výsledky.
(Článek byl vytvořen za podpory specifického výzkumu MŠMT ČR pod číslem FCH-S-13-2087.)
Bc. Jiří Marek, doc. Ing. Juraj Kizlink, CSc., Fakulta chemická, VUT v Brně
Obrázek: Globální výzkum vodíkových technologií již má velmi slibné výsledky. Foto archiv/Linde
Celý článek vyšel v časopise Energie 21 číslo 5/2013.
