Vodík a zemní plyn – spolupracovníci nebo konkurenti?

Evropa se v posledních letech svými jednostrannými rozhodnutími dostává do složité energetické situace. Prostá energetická logika založená na ekonomické a technické výhodnosti byla nahrazena ideologií udržitelnosti a soběstačnosti.

V této situaci je Evropa postavena před problém, jak nahradit fosilní zdroje a současně zajistit stabilní dodávky energie, a to s využitím pouze místně dostupných a environmentálně neutrálních zdrojů okolního prostředí (slunce, vítr, voda, geotermální energie, apod.). Klíčovou komplikací je přitom fakt, že za jediného energonositele byla zvolena elektrická energie, kterou není reálně možno dlouhodobě skladovat.

Dostupnost udržitelné energie se ovšem u jednotlivých států Evropy liší, a je nepříjemným faktem, že Česká republika je jedním ze států, který nemá a ani v budoucnu nebude mít k dispozici dostatek energie z udržitelných zdrojů. Výroba elektřiny a tepla je v České republice historicky závislá na využití uhlí, které je jediným lokálním zdrojem, a na využití nakoupeného zemního plynu.

Dlouhodobá energetická strategie České republiky směřovala v minulých desetiletích především ke zlepšení životního prostředí z hlediska snížení emisí při spalování uhlí, a to náhradou uhlí zemním plynem. Česká republika v současné době nemá za tyto fosilní zdroje reálnou energetickou náhradu, protože využití větrné a sluneční energie je časově omezené a tvoří primárně špičkové přebytky. Jakkoliv je možné matematicky vyčíslit množství dostupné energie okolního prostředí jako dostatečné, problémem je jeho časová a místní dostupnost, kterou v současné době nedokážeme reálně ovlivnit.

Pro funkčnost energetické soustavy je proto třeba hledat způsob energetického zálohování. V této souvislosti se jako nejperspektivnější jeví využití vodíku, který lze poměrně jednoduše vyrobit elektrolýzou vody a následně přeměnit zpět na energii elektrickou. Za jakýsi bonus lze považovat to, že vodík lze i spálit a získat tím bezztrátově energii tepelnou.

Výše uvedené skutečnosti zřejmě přiměly vedení Evropské unie k propagaci vodíku jako ideálního energetického řešení přechodu z fosilních paliv na udržitelné zdroje. Problém ovšem nastal v okamžiku praktické definice tohoto přechodu. Přechod z mixu zemního plynu a uhlí na vodík totiž nemůže být jednorázový, což se bohužel rozchází s představou Evropské komise, která definuje přechod z fosilních paliv na paliva udržitelná jako jednorázový krok v poměrně velice blízké budoucnosti.

Pro Českou republiku je ale okamžité přerušení využití fosilních paliv variantou ekonomicky i technicky nepřijatelnou. Naopak jedinou reálnou možností je postupná náhrada, a to pravděpodobně v horizontu několika desítek let. Navíc je vždy nutné, v tak citlivém odvětví, jako je energetika, pracovat s variantou, že se to takzvaně „nepovede“.

To znamená mít záložní plán neboli plán B. Prakticky to znamená, plošně neodpojovat staré zdroje, dokud nejsou plně nahrazeny zdroji novými a plně vyzkoušenými. Cesta k využití vodíku tedy nemůže být skoková, ale musí postupovat v jednotlivých dílčích krocích, přičemž v procesu zavádění vodíku musí výroba a spotřeba postupovat ruku v ruce.

V případě výroby vodíku z obnovitelných zdrojů musí být v prvé řadě k dispozici stabilní a časově nezávislý odběr. Nelze očekávat, že prvními odběrateli vodíku budou odvětví dopravy a průmyslu vyžadující na straně spotřeby jednak extrémní investice a současně časově a objemově stabilní dodávky vysoce kvalitního vodíku.

Ideálním prvotním odběratelem vodíku se v této situaci zdají být budovy, kde může být vodík využíván v kombinaci se zemním plynem jako zdroj energie pro vytápění. Prvním dílčím krokem může být spalování směsi zemního plynu a vodíku v lokálních spotřebičích. Teoreticky, a i praktickými zkouškami bylo potvrzeno, že současné lokální plynové spotřebiče dokáží bez problémů spalovat směs až 20 obj.% vodíku v zemním plynu. Klíčovými výhodami tohoto systému je, že podíl vodíku v mixu může kolísat a současně lze omezit požadavky na vysokou čistotu vodíku. Problémem není ani odorizace směsi, která je nepřijatelná, v případě použití palivového článku.

V případě takto zajištěného odběru vodíku se stává i jeho výroba technicky a ekonomicky přijatelná, protože umožní optimální využití elektrolyzéru. Výroba vodíku se tak může stát zajímavou investiční příležitostí. Pokud budovy zajistí základní, navíc flexibilní odběr, lze očekávat následné využívání vodíku i v dalších oblastech.
Logicky navazující může být využití v lokální dopravě, kdy čerpací stanice vodíku mohou být zřizovány přímo v místě výroby.

Tímto způsobem se minimalizuje nutnost přepravy a přečerpávání neodorizovaného vodíku o vysoké čistotě, čímž se eliminují potenciální bezpečnostní rizika. Jedna vodíková čerpací stanice bude pravděpodobně schopná pokrýt spotřebu minimálně několika desítek, ale spíše stovek automobilů. Při ceně vodíkového osobního vozu srovnatelné s cenou průměrného elektromobilu, dojezdu cca 600 až 700 km a době tankování v rozsahu několika minut lze očekávat poměrně rychlý rozvoj lokální vodíkové dopravy. Zajímavou alternativou může být vodík i pro lokální hromadnou dopravu a lokální služby. Kooperace využití vodíku v budovách a v dopravě by představovala stabilizační předěl, kdy by bylo možné celý proces využití vodíku v energetice vyhodnotit a reálně nastínit další možnosti využití, a to zejména v oblasti zpětné výroby elektřiny a ve využití v průmyslu.

Takový krok by znamenal významný předěl ve využití vodíku, a to především v nutnosti vyřešení skladování, nejen na úrovni krátkodobého kolísání produkce obnovitelné elektřiny, ale i na úrovni skladování léto/zima. Nicméně teprve přechod na tento level by reálně umožnil dekarbonizaci elektráren a průmyslu. Nelze reálně očekávat, že průmyslové podniky a elektrárny by si mohly dovolit přechod na využití vodíku dříve, než bude celý proces zcela stabilizován.

Popsaným způsobem mohou vznikat lokální, tzv. vodíková údolí, která se postupně mohou překrývat, čímž může dojít ke vzniku globálního vodíkového energetického hospodářství. I v takto fungujícím systému ovšem budou mít fosilní paliva své místo, a to jako pojistný zdroj energie, ať už k výrobě vodíku, elektřiny, tepla nebo jako pohon vozidel v případě limitního výpadku bezemisní energetické sítě. Z výše uvedeného vyplývá, že proces zavádění vodíku do energetického hospodářství musí být pozvolný, aby byla bezpečně eliminována veškerá potenciální rizika. Celý proces výroby vodíku i jeho transport, skladování a zpětná přeměna na elektrickou nebo tepelnou energii je technicky zpracován a v mnoha zahraničních projektech prakticky realizován.

Dlouhodobě funkční jsou přitom především malé lokální projekty v oblasti budov a dopravy, ovšem ve většině případů se jedná o projekty ověřovací nebo testovací realizované na základě speciálního povolení. Při přechodu na obecné využití vodíku v energetice je ovšem nutné nastavit obecně platná legislativní pravidla, a to tak, aby potenciální investoři měli motivaci k realizaci takových projektů. A v této oblasti je nenahraditelná role státu, který musí vodíková řešení podporovat, přičemž tato podpora musí být nejen finanční, ale především legislativní a propagační. Na základě zahraničních zkušeností se ukazuje, že klíčovou roli hrají pilotní projekty, které musí být ze strany státní i místní správy podporovány.

Ze zahraničí můžeme čerpat i zkušenosti v oblasti teoretické přípravy, organizačního řešení i praktické realizace, provozu a vyhodnocení takových projektů. Ukazuje se, že úspěch pilotních vodíkových projektů je primárně závislý na tom, jak je přijat veřejností, především potenciálními uživateli. Jedná se o takzvaný „sociálně společenský aspekt projektu“, kde musí spolupracovat státní správa a místní samospráva, a to především v oblasti propagace a informovanosti. Za optimální stav je nutno považovat situaci, kdy potenciální uživatelé vodíkového systému jsou aktivními podporovateli a nemají pocit, že byli do projektu vmanipulováni. Současně je nezbytná technická příprava vzhledem k tomu, že obecně při zavádění nových technologií je nulová tolerance jakýchkoliv problémů.

Je proto nutné, aby se již ve fázi přípravy na projektu podílely firmy s odpovídající specializací a prověřenou organizační strukturou. Pilotní projekty musí mít zajištěnu finanční podporu státu nejen v oblasti přípravy a realizace, ale, a to zejména, v oblasti provozu a vyhodnocení. Správně provedený pilotní projekt, včetně závěrečného vyhodnocení, by měl sloužit jako vzor obecně použitelný, jak pro státní správu, tak pro místní samosprávu a v neposlední řadě i pro individuální investiční projekty.
Je potěšitelné, že v České republice se již pilotní projekt v oblasti využití vodíku pro budovy rozběhl, a to v Karlovarském kraji, kde bude městská lokalita zhruba 300 odběrných míst zemního plynu připojena na mix zemního plynu a vodíku v rozsahu do 20 obj.%.

V rámci projektu, již ve spolupráci s místní samosprávou, proběhla teoretická příprava akce spočívající především v informovanosti obyvatel. Následně proběhla nutná technická příprava projektu spočívající v kontrole všech připojených odběrných plynových zařízení (většinou stávající kotle na zemní plyn, ale i několik technologických spotřebičů). V rámci kontroly byla prověřena funkčnost domovních plynových přípojek včetně měření, funkčnost odběrných plynových zařízení a funkčnost odvodu spalin. Neopomenutelnou součástí bylo i splnění legislativních povinností jednotlivých odběratelů plynu v oblasti kontrol plynových zařízení a kontrol spalinových cest.

Důležitou součástí bylo měření emisí při provozu na zemní plyn, které bude následně sloužit jako vyhodnocovací etalon pro stanovení environmentálních dopadů. Teprve po skončení této přípravné fáze bylo možno považovat systém za vyhovující, jak po technické stránce, tak po stránce legislativní. Následně došlo k realizaci výstavby elektrolyzéru pro výrobu vodíku z lokálně dostupných obnovitelných zdrojů (v tomto případě především vítr), systému vyrovnávacího skladování a směšovacího zařízení.

V současné době se projekt nachází těsně před spuštěním. Po spuštění bude jedním ze základních vyhodnocovacích kritérií vliv příměsi vodíku na snížení emisí, přičemž za primární emisi je považován oxid uhličitý (CO2). Při současné odhadované roční spotřebě lokality cca 350.000 m³ zemního plynu je produkce CO2 (2 kg CO2/1 m³ – dle.vyhl.140/2021 Sb.) cca 700 tun CO2 ročně. Při předpokladu 20 % objemového mixu zemního plynu a vodíku lze očekávat, že poklesne výhřevnost směsi zhruba o 15 %, ale současně za předpokladu zachování výkonu stoupne spotřeba směsi zhruba o 13 % na zhruba 400 000 m³ za rok. V této směsi bude zhruba 320 000 m³ zemního plynu, což odpovídá produkci cca 640 tun CO2 ročně. Snížení emisí CO2 lze tedy odhadovat na cca 60 tun ročně.

Odhadovanou úsporu lze i ekonomicky vyčíslit, za předpokladu zavedení systému emisních povolenek i pro lokální spotřebitele. Při odhadované ceně emisní povolenky na úrovni 120,- až 200,- euro/tunu CO2, což v současných cenách odpovídá cca 3 000 až 5 000 Kč/tunu CO2, představuje předpokládaná úspora snížení daní v oblasti produkce CO2 o cca 180 až 300 000 korun ročně. Za důležitý aspekt tohoto vyhodnocení je nutno považovat, že při zachování odběratelské ceny energie za 1 kWh bude výše uvedená úspora snižovat finální odběratelské náklady.

Závěr

Nelze zavírat oči před faktem, že zákaz využívání fosilních paliv je jednostranným rozhodnutím států Evropské unie a nejedná se o globální celosvětový krok. Bez ohledu na možný vznik vodíkového hospodářství v Evropě si fosilní paliva zachovají svou celosvětovou dominanci a pravděpodobně i výrazně nižší jednotkovou cenu energie. Současně je zřejmé, že sice nikoliv úplné, ale poměrně významné dekarbonizace je možno dosáhnout i prostou optimalizací stávající spotřeby. Doplňková studie v rámci výše uvedeného vodíkového projektu vyhodnotila i možnou úsporu v případě celkové optimalizace topných systémů, modernizace použitých plynových spotřebičů a současného snížení energetické náročnosti objektů. Tato úspora by mohla snížit spotřebu zemního plynu, a tedy i produkci CO2 v limitním případě o více než 50 %…

Text: Ing. Valtr Sodomka, 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.