Vodík jako způsob ukládání energie: zajímavá možnost, ale zatím drahá

Využití vodíku mimo současné aplikace se v posledních letech skloňuje v souvislosti s rozvojem obnovitelných zdrojů, zejména fotovoltaiky. S rostoucím počtem instalovaných panelů se totiž stále častěji stává, že výroba v letních měsících převyšuje okamžitou spotřebu.

Logicky se proto nabízí otázka: kam s přebytky? Nejjednodušším krátkodobým řešením jsou bateriová úložiště, ale uvažuje se i o ukládání energie do vodíku. Na první pohled jde o atraktivní myšlenku, přebytečná elektřina se použije k rozkladu vody, vyrobený vodík se uloží a v době potřeby se z něj znovu vyrobí elektřina a teplo. Tento přístup by teoreticky mohl umožnit nezávislý provoz domácnosti nebo firmy i v zimním období, kdy slunce tolik nesvítí. Realita je ale složitější a především dražší.

Jak vlastně systém funguje?

Pokud se rozhodneme ukládat energii do vodíku, musíme počítat s celým řetězcem technologií:

• zdrojem elektrické energie bývá fotovoltaická elektrárna,
• následuje úprava vody a samotný elektrolyzér (nejčastěji PEM nebo AEM),
• dusíkové hospodářství (kvůli inertizaci zařízení),
• poté systém sušení a dočištění plynu, kompresor a zásobníky vodíku,
• pro zpětnou výrobu elektřiny se používá palivový článek, případně kogenerační jednotka.

Vedlejším produktem je kyslík a demineralizovaná voda, což může být v některých aplikacích výhoda. Součástí celku bývá i menší baterie, která pomáhá vyrovnávat provoz elektrolyzéru a palivového článku.

Z technického pohledu tedy nejde o jednoduchý systém dvou zařízení, ale o komplexní soustavu s vysokými nároky na koordinaci provozu a pravidelnou údržbu.

Energetická účinnost a prostorové nároky

Celý proces je zatížen značnými ztrátami. Při přeměně elektřiny na vodík a zpět se ztratí přibližně 70 % energie, pokud se nevyužije odpadní teplo. V praxi to znamená, že pouze část původní elektřiny se vrátí k dispozici. Pokud ale dokážeme teplo účelně využít, například pro vytápění nebo v kombinaci s tepelným čerpadlem, může se celková efektivita výrazně zvýšit.

Další nevýhodou je nízká hustota energie vodíku v porovnání se zemním plynem. Zatímco jeden kubík zemního plynu obsahuje zhruba 10 kWh, u vodíku je to pouze 3 kWh. To znamená, že je potřeba vodík stlačit a pro zásobníky mít vyhrazeno více prostoru, což v domácnostech či menších firmách nemusí být vždy snadno realizovatelné. Vzhledem k tomu, že se navíc jedná o vyhrazená plynová zařízení, je potřeba počítat s jejich pravidelnou revizí a odpovídající údržbou.

Výhodou naopak je, že vodík se na rozdíl od baterií téměř samovolně „nevybíjí“. Úniky jsou odvislé od využitého systému, nicméně při správném skladování by se měly pohybovat v jednotkách procent za rok. Dlouhodobé sezónní skladování je tedy možné.

Kolik to stojí?

Finanční stránka je zatím největší překážkou širšího rozšíření. Pro ilustraci, systém s elektrolyzérem o výkonu 30 kW a palivovým článkem o výkonu kolem 20 kW, schopný uložit přibližně 5 MWh energie, vyjde zhruba na osm milionů korun bez DPH.

Takové řešení je proto smysluplné jen v případech, kdy je potřeba ukládat velké objemy energie, a to ideálně sezónně. V menším měřítku, například pro krátkodobé vyrovnávání přebytků ze střešní fotovoltaiky, vychází stále lépe bateriová úložiště.

Kdy může vodíková akumulace dávat smysl?

Zkušenosti ukazují, že o systémech pro ukládání energie do vodíku se vyplatí uvažovat v několika specifických scénářích:

1. inovativní firmy – které chtějí provozovat svou fotovoltaiku v ostrovním režimu a potřebují ukládat přebytky energie hlavně sezónně;
2. domácnosti mimo síť – majitelé domů bez možnosti připojení na distribuční soustavu, kteří mají dostatek místa a kapitálu a chtějí dosáhnout nízkoemisního provozu i v zimě;
3. kombinace s využitím tepla – pokud má uživatel možnost využít nízkopotenciální teplo vznikající při výrobě i spotřebě vodíku;
4. firemní areály s mobilitou na vodík – podniky, které mají vlastní fotovoltaiku a zároveň uvažují o provozu vozidel na vodík, mohou tímto způsobem částečně pokrýt své potřeby.

Je však nutné počítat s tím, že palivové články i plnicí stanice jsou samy o sobě nákladné technologie a většinou bude nutné zůstat připojený i k distribuční soustavě k využití jejich plného potenciálu a kvůli technologickým omezením. Například provoz elektrolyzéru na intermitentních zdrojích může v krajních případech svazky uvnitř těchto zařízení poškodit či může vést k bezpečnostním potížím.

Srovnání s bateriovými úložišti

Baterie se prozatím jeví jako praktičtější řešení pro většinu aplikací. Jejich ceny dlouhodobě klesají a dnes se lze dostat na úroveň kolem 140 € za kWh pro systémy LiFePO4. To znamená, že velkokapacitní systém o velikosti 5 MWh by stál přibližně 17,5 mil. Kč. Přestože jde o vyšší částku než u vodíkového řešení, je třeba vzít v úvahu vyšší účinnost – baterie dokážou většinu uložené energie znovu dodat ve formě elektřiny.

Slabinou baterií je naopak nevhodnost pro dlouhodobé sezónní skladování, protože postupně dochází k samovybíjení. Pro krátkodobou akumulaci, vyrovnávání špiček či optimalizaci spotřeby z distribuční sítě jsou však baterie v současnosti jasnou volbou.

Kvůli vysokému CAPEXu nicméně musí být baterie tzv. cyklována, aby se jako řešení vyplatila. Na trhu se v příštích letech začnou objevovat i baterie určené pro střednědobou akumulaci a do budoucna nelze vyloučit i řešení, která budou levnější pro dlouhodobou akumulaci. Jako vždy bude nový typ baterií mít zase jiné mouchy, než které známe u standardních současných lithium-iontových baterií.

Vodík na úrovni celé soustavy

Debata o akumulaci do vodíku se nevede pouze v kontextu jednotlivých domácností či firem. Často se zmiňuje také možnost využívat elektrolyzéry pro stabilizaci celé elektrizační soustavy, zejména v obdobích nulových, nebo dokonce záporných cen elektřiny.

Zde je ale třeba být realistický. Stavět elektrolyzéry jen proto, aby běžely pár hodin denně při nízkých cenách, nedává ekonomický smysl. Pořizovací cena elektrolyzérů je velmi vysoká – přes 3000 € za instalovaný kW – a návratnost takových projektů je bez výrazné podpory prakticky nulová.

Situace by se mohla změnit až s vybudováním vodíkové infrastruktury (plynovody, distribuční síť), která umožní vyráběný vodík efektivně dopravovat k odběratelům.
V kombinaci s jasně nastavenou podporou ze strany státu či EU by pak mohlo jít
o perspektivní cestu.

Co očekávat v blízké budoucnosti?

V nejbližších letech lze předpokládat, že hlavní roli v oblasti akumulace energie budou hrát nadále bateriové systémy. Jsou flexibilní, cenově stále dostupnější a dobře se integrují do menších i větších projektů.

Vodíková akumulace má ovšem svou logiku tam, kde je potřeba dlouhodobě uchovávat energii nebo kde lze využít vedlejší produkty (teplo, kyslík, demineralizovaná voda). Také schopnost elektrolyzérů rychle reagovat na změny výkonu může do budoucna sehrát významnou roli při poskytování služeb výkonové rovnováhy.

Zatím ale platí, že odpojit se od sítě a spoléhat jen na vodík je velmi nákladná záležitost. Pro většinu běžných uživatelů tak bude vodík ještě nějaký čas spíše zajímavostí než reálnou alternativou k bateriím.

Jan Sochor
senior specialista pro rozvoj vodíkového hospodářství České vodíkové technologické platformy (HYTEP)