Čert aby se v tom vyznal (II)
Uveřejněno dne 29 května 2024 000 11:41
Vodík je v EU považován za důležitý zdroj energie, který by měl sehrát klíčovou roli v současném energetickém přechodu.
Vodík by v Evropské unii měl sehrávat podstatnou roli při dekarbonizaci, kdy nebude jen čistým palivem, ale i médiem pro skladování energie v bezuhlíkové ekonomice. Neboť přináší více energie na hmotnost než baterie a nabídne tak potenciální řešení pro odvětví, která se obtížně dekarbonizují, jako je letectví a lodní doprava, ale i dálková nákladní [12] autodoprava. Popravdě řečeno, dnes tolik velebené baterie bude možné využít jen pro malá letadla s doletem pár stovek kilometrů, která přepraví několik málo osob. A tak i v případě komerční letecké dopravy se zdá vyhrávat vodíková koncepce. Jenže se tu naskýtá otázka, kdy a za kolik se k tomu potřebná infrastruktura na letištích vybuduje, přičemž do roku 2035 žádný z velkých výrobců vodíkové letouny pro komerční lety nevyrobí. A tak se nakonec s největší pravděpodobností v případě letecké dopravy alternativní cestou stane udržitelné (syntetické) palivo, vyráběné z vodíku. Což ale může platit i pro dnešní kvanta osobních automobilů se spalovacími motory, křižující evropskou silniční síť.
Co se týče osobních automobilů, vyhrává v greendealové ideologii koncepce elektromobility. Investice (nejen) evropských automobilek do výroby elektromobilů se počítají v řádu stovek miliard eur a jsou tak nesrovnatelně vyšší než do uvažovaných vodíkových technologií. Automobilový průmysl totiž očekával návratnost svých investic v podobě dlouhodobých, masivních prodejů čistých elektromobilů, kdy také řada států podporuje výstavbu dobíjecích stanic, přičemž však prodeje elektroaut s rychlostí výstavby nabíjecí sítě dnes už nedrží krok. Až na několik málo výjimek se největší automobilky výrobě aut na (dosud příliš drahý) vodík prakticky nevěnují, pročež také v Evropě na konci roku 2022 existovalo téměř půl milionu veřejných dobíjecích míst pro elektromobily, ale jen pouhých 250 vodíkových plnicích stanic.
Pokud si ale majitelé aut nezvyknou na fakt, že dobít elektromobily trvá výrazně déle než natankovat do nádrže auta vodík, dá se předpokládat, že vodíková technologie najde využití i zde. Ovšem vodík nemusí být v případě osobních automobilů využíván jen ve spalovacích motorech s nízkou účinností. Zde vývoj jde spíše jiným směrem, neboť auta, tankující do nádrže vodík, namísto spalovacích motorů mohou díky palivovým článkům využívat daleko účinnější motory elektrické, podobně jako zelenými aktivisty protěžované elektromobily. Díky natankovanému vodíku totiž v palivovém článku auta vzniká elektřina, kterou je poháněn elektromotor. A tak i v případě tankování vodíku do nádrží osobních automobilů můžeme paradoxně hovořit o jejich elektrifikaci.
Popravdě řečeno, v případě palivových článků kvůli tomu, že i ty nejlepší dostupné nádrže na vodík dle odborníků umožňují únik tohoto plynu rychlostí až 1 procento za den, což má vylučovat jeho dlouhodobé skladování, může další vývoj článků začít preferovat jiné řešení. Vodík má totiž ze všech paliv nejmenší hustotu, nejmenší atomový poloměr i nejnižší bod varu, což v praxi znamená, že díky svým vlastnostem ze skladovacích nádrží buď uniká, nebo poškozuje materiál nádrže (vodíkové křehnutí), anebo je na jeho uskladnění zapotřebí značné množství energie. A tak se můžou v budoucnu auta s palivovými články začít orientovat například na formiátové [13] palivo, neboť již existuje palivový článek speciálně optimalizovaný pro použití formiátového paliva k výrobě elektřiny. Zásadní výhoda tohoto paliva spočívá v tom, že se vyrábí z oxidu uhličitého (CO2) a lze jej bez problémů skladovat, dokonce neomezeně dlouhou dobu.
Auta na vodík jsou zajímavou vizí, ale její realizace stojí a padá s cenou distribuovaného vodíku. Jeho rozsáhlejšímu využívání také dosud bránila skutečnost, že se vyráběl s pomocí fosilních paliv, jako je uhlí a zemní plyn. Přičemž plánované dekarbonizaci vyhovuje pouze náležitě zelený vodík, vyráběný elektrolýzou při využití elektřiny z bezemisních zdrojů. Jenže i ty nejlepší z dosud užívaných elektrolyzérů spotřebují zhruba 53 kWh energie na vytvoření kilogramu vodíku. I když vývoj elektrolyzérů se nezastavil a v případě kapilárně napájeného elektrolyzéru australské společnosti Hysata [14] při 95% účinnosti (v laboratorních podmínkách dokonce vykazuje 98% účinnost) se při výrobě kilogramu vodíku spotřebuje jen 41,5 kWh elektrické energie, čímž se výrazně snižují provozní náklady výrobců zeleného vodíku. Provádění testů v Austrálii a Německu zvyšuje důvěryhodnost této technologie a měla by prokázat její přizpůsobivost a účinnost v různých prostředích.
Ale nelze tu zapomínat na výhody vodíku zlatého [15], tedy vodíku geologického, přírodního (nativního), po jehož ložiscích dnes pátrá v mnoha zemích celá řada geologů (odtud titulky novinových článků, hovořící o nejnovější zlaté horečce). Jak k tomu v rozhovoru pro CNBC řekl geolog Geoffrey Ellis z Programu energetických zdrojů americké geologické služby (USGS), může být v podzemních nádržích po celém světě pohřbeno obrovské množství přirozeně se vyskytujícího, tedy i lacinějšího vodíku. Na základě současných znalostí, jak Ellis uvedl [16], to nejspíše bude zhruba 5 miliard metrických tun. Ovšem většina z těchto zásob je pravděpodobně příliš hluboko nebo příliš daleko na moři, aby je bylo možné ekonomicky vytěžit. Nicméně jak Ellis říká, i pouhých několik procent z odhadovaných zásob geologického vodíku by mohlo stačit k pokrytí veškeré předpokládané poptávky na 200 let.
Průsaky vodíku z podloží byly zdokumentovány po celém světě. Přítomnost geologického vodíku byla nedávno potvrzena i v Albánii, a to v dole Bulqizë, který je jedním z největších zdrojů chromu na světě, kde od roku 1992, díky unikajícímu vodíku, došlo ke třem velkým explozím. Zde vedoucí týmu profesor Laurent Truche, geochemik z Grenoble Alps University, spolu s kolegy našel velký přírodní zdroj [17] vodíku, vycházejícího z hlubin dolu ve vývěru probublávajícím vodou. Kdy rozbory ukázaly, jak profesor Truche uváděl pro časopis Science, že jde o plynnou směs tvořenou z 84 % vodíkem. Důl se nachází v horninách zvaných ofiolity, o které se zajímají lovci vodíku, protože obsahují horniny bohaté na železo ze svrchního pláště, neboť voda může s těmito horninami reagovat při vysokých teplotách a stoupajícím tlaku za vzniku značného množství vodíku. Jinak řečeno, přirozená produkce vodíku se považuje za soubor vysokoteplotních reakcí mezi vodou a minerály bohatými na železo, což také vede některé těžaře k předpokladu, že bude možné takovýto proces v horninách uměle napodobit.
Do vodíku lze uložit více energie na váhu než do baterie, navíc podporuje i rychlé doplňování paliva. Energeticky výhodnější výroba zeleného vodíku a případná těžba zlatého, přírodního vodíku, pak také otevírají cestu k lacinější výrobě zeleného amoniaku, bez kterého se zemědělství ani průmysl neobejdou. Amoniak (čpavek), jak se dnes ukazuje, představuje také jedno z nejvhodnějších řešení [18] dosavadních problémů s přepravou vodíku, neboť vodík je za běžných atmosférických podmínek plyn a je třeba jej dále zpracovávat pro jeho přepravu. I když jsou kromě jeho kapalné formy pro transport vhodné i amoniak a kapalné organické nosiče (LOHC), je zřejmé, že nižších dopravních nákladů lze dosáhnout transportem vodíku ve formě metylalkoholu (metanolu) či syntetických paliv. Teprve schopnost přepravovat vodík ve velkém bude znamenat, že jeho čistou energii půjde čerpat tam, kde je to potřeba, stejně tak snadno jako dnes fosilní paliva.
Snaha o zlevnění zeleného vodíku nakonec vyústila i v možnost jeho výroby v jaderných elektrárnách. Například americká Společnost Westinghouse, coby světový lídr v jaderném průmyslu, se zaměřila na bezuhlíkovou metodu získávání vodíku pomocí procesu zvaného vysokoteplotní parní elektrolýza. K napájení procesu elektrolýzy využívá [19] elektrickou a tepelnou energii z jaderné elektrárny, což umožňuje čistou a spolehlivou výrobu vodíku ve velkém množství. Společnost Westinghouse spoléhá na možnost využití elektrolýzy vody za pomoci energie ze stávajících lehkovodních reaktorů, kdy prostřednictvím jednoho reaktoru hodlá vyrábět 150 000 tun čistého vodíku ročně. Ovšem v případě využití jádra nejde jen o tradiční, velké atomové elektrárny. Proces výroby zeleného vodíku ovlivní především malé modulární reaktory (SMR), které se od současných velkých jaderných bloků liší výrazně menší zastavěnou plochou a nižším výkonem.
Malé modulární reaktory představují vhodnou lokální náhradu fosilních zdrojů pro výrobu elektřiny i tepla, přičemž projekty SMR vynikají vysokou mírou pasivní jaderné bezpečnosti [20] a praktické vyloučení nebezpečí těžké havárie s poškozením paliva umožní výstavbu takovýchto reaktorů i v zalidněných oblastech. Širší využití může přinést hlavně jejich zapojení do decentralizované výroby elektřiny a teplárenství, nebo využití k ekologické produkci vodíku a výrobě syntetického paliva, které síru a některé další nečistoty z fosilních paliv neobsahuje. Přitom jsou tato paliva jako „drop-in“ plně kompatibilní se současnými technologiemi, v nichž se využívá nafta nebo benzín. Jinak řečeno, drop-in paliva vyráběná syntézou vodíku a oxidu uhličitého jsou syntetickou a zcela zaměnitelnou náhradou konvenčních uhlovodíků získaných z ropy (benzín, nafta, letecký petrolej), což znamená, že nevyžadují žádnou úpravu motoru nebo palivového systému. Můžou být použita v aktuálně dostupných motorech, buď ve směsi s konvenčními palivy, nebo v jejich čisté formě.
Například v sousedním Polsku bylo již o výstavbě malých modulárních reaktorů rozhodnuto [21]. Orlen Synthos Green Energy (OSGE), společný podnik největší polské rafinerie Orlen a chemické společnosti Synthos, zde hodlá do roku 2030 v šesti lokalitách zprovoznit nejmodernější reaktory BWRX-300 japonské společnosti GE Hitachi, v nichž výroba elektřiny by měla cenově konkurovat produkci energie z plynových zdrojů s kombinovaným cyklem i energii z obnovitelných zdrojů. Naproti tomu polským státem vlastněná společnost Industria, která je součástí velké průmyslové korporace, pro energeticky náročnou výrobu vodíku ve svém projektu Central Hydrogen Cluster zvolila [22] malé modulární reaktory britské společnosti Rolls-Royce, přičemž počítá s produkcí 50 000 tun zeleného vodíku ročně. Kdy vodík, který za pomoci modulárních jaderných reaktorů vyrobí, bude v souladu s pokyny Evropské komise považován za čistou alternativu zemního plynu pro ocelárny a chemický průmysl a za surovinu vhodnou k uvažované výrobě syntetického „drop-in“ paliva, funkčně rovnocenného ropným palivům.
Malé modulární reaktory (SMR) společnosti Rolls-Royce bude využívat i Britské Královské letectvo (RAF), které hodlá už v roce 2040 do svých letadel a vrtulníků tankovat výhradně syntetické letecké palivo, vyráběné v novém závodě. Kde pro výrobu velkého množství zeleného vodíku, ze kterého se jejich syntetický petrolej jako náhrada paliva Jet A má vyrábět, bude potřeba velkého množství bezemisní elektrické energie. Tu mají zajistit modulární reaktory společnosti Rolls-Royce, která by je ve Spojeném království měla komerčně nasadit do roku 2030. Podle vyjádření [23] Paula Steina, vedoucího technologické kanceláře společnosti Rolls-Royce, jeden závod napájený SMR bude pak schopen vyrábět až 280 tun speciálního syntetického paliva UL91 každý den. A jak k tomu podotkl „veškerá filozofie designu SMR je navržena tak, aby minimalizovala náklady na vycházející energii, takže předpokládáme, že můžeme dodávat elektřinu za 40 GBP/MWh, což je asi 56 USD/ MWh“. Přičemž cena elektřiny vyráběné prostřednictvím jejich SMR ani podle novějších propočtů by neměla přesáhnout 60 liber, čímž bude stát zhruba 1 700 Kč za 1 MWh při uvažovaném 60letém provozu.
V případě výroby syntetického paliva nezůstalo pozadu ani americké vojenské letectvo. Výzkumná laboratoř amerických vzdušných sil (AFRL) a Velitelství speciálních operací letectva spolu se startupem Air Company stojí za projektem FIERCE [24], kterým letectvo zavádí technologie, jež mají v dohledné době základnám zajistit dodávky uhlíkově neutrálního leteckého paliva, vyráběného ze zachyceného oxidu uhličitého (carbon dioxide) a vodíku (hydrogen). Při spuštění projektu v roce 2022 bylo možné vyrobit tohoto paliva jen několik galonů za den. Ale jak se nová technologie vylepšuje a rozrůstá, ukazuje se, že předsunuté letecké základny by mohly těžit z diverzifikované dodávky tohoto paliva, ale i fungovat nezávisle, s vlastní výrobou paliva přímo na místě.
V případě těžké vojenské techniky [25] pak velkou výhodu u syntetických paliv vyráběných z oxidu uhličitého a vodíku představuje fakt, že pro jejich využití není třeba změn v konstrukci vozidel, ani žádných úprav stávajících spalovacích motorů. Problém je spíše v tom, že výroba těchto paliv se bez elektřiny neobejde a potřeba jí bude relativně hodně. V této souvislosti není bez zajímavosti, že Pentagon v roce 2022 oznámil start projektu Pele [26] pro realizaci prototypu mobilního jaderného reaktoru, který bude demonstrovat užitečnost přenosného alternativního zdroje energie pro podporu vojenských operací. Reaktor podstoupí testování v Idaho National Laboratory, aby se ověřil jeho výkon a prokázalo se, že prototyp může spolehlivě poskytovat elektrickou energii mimo síť. Přenosný jaderný reaktor se má stát odolným bezuhlíkovým zdrojem energie, který by nezvyšoval spotřebu paliva ministerstva obrany a zároveň by podporoval kritické operace.
Tedy do syntetického paliva lze uložit značné množství energie a bez ztráty kvality ho uchovávat, na rozdíl od elektřiny v bateriích, i řadu let. Ale také zde platí, že pokud armáda dokáže zajistit základnám dodávku pohonných hmot formou vlastní výroby paliva přímo na místě, pak její pozemní vojsko nebude muset k zásobování palivem využívat pomalé a snadno zranitelné logistické konvoje. Nikdo asi nepochybuje o tom, že nadnárodní korporace pozorně sledují geopolitické turbulence, vyhodnocují bezpečnostní rizika a uvažují nad tím, jakým způsobem můžou přispět svými technologickými znalostmi k vývoji potřebných vojenských zařízení. Lze tedy očekávat, že na urychlení vývoje a zlevnění výroby syntetických paliv budou mít vliv i potřeby pozemního vojska (počátky takové snahy vidíme u letectva) v nejrůznějších zemích.
Podobně tomu bylo již při potřebě zajištění pitné vody pro působení vojenských jednotek v suchých oblastech světa. Přičemž třeba izraelská společnost Watergen dnes dodává [27] armádě i do civilního sektoru různě velká zařízení pro výrobu pitné vody ze vzdušné vlhkosti, kdy zařízení pro atmosférickou pitnou vodu (AWG) v suchem sužovaných oblastech umí produkovat stovky litrů vody denně (přitom dle skeptiků výroba pitné vody ze vzduchu měla být utopií). Jejich zařízení Watergen ONBoard, které dokonce mění hru v automobilové dopravě, může poskytnout až 50 litrů pitné vody denně. Jedná se o soběstačné, lehké, energeticky účinné a ekologicky udržitelné řešení pro sektor dopravy, služeb, nouzových situací a obrany.
A není bez zajímavosti, že se v listopadu 2023 ve Vídni konalo mezinárodní sympózium, věnované perspektivám plovoucích jaderných zařízení. V celé řadě států je v současnosti s nasazením těchto zařízení uvažováno jako o jednom ze scénářů jejich energetické strategie. Plovoucí jaderná zařízení mohou přitom sloužit nejenom pro účely zásobování plošin pro těžbu ropy a zemního plynu z mořského dna elektrickou energií, ale také pro účely desalinizace mořské vody, dokonce i výroby vodíku. Diskuse o nasazení těchto technologií v civilním sektoru jsou v současnosti s různou mírou intenzity vedeny v Číně, Indonézii a v Singapuru, ale inovace v této oblasti vyvíjejí i firmy v Dánsku, Kanadě a v USA. A je zcela pochopitelné, že se vývojem plovoucích jaderných zařízení zabývá i odbor námořnictva ministerstva obrany Spojených států amerických (DOD).
Ale více o výrobě udržitelného, syntetického paliva, vznikajícího ze zlořečeného oxidu uhličitého, včetně některých zajímavých souvislostí, si povíme příště, v pokračování tohoto článku.
Odkazy na zdroje:
[13] https://news.mit.edu/2023/engineers-develop-efficient-fuel-process-carbon-dioxide-1030
[14] https://www.youtube.com/watch?v=wJLFZdYVsSQ
[18] https://energypost.eu/whats-best-for-hydrogen-transport-ammonia-liquid-hydrogen-lohc-or-pipelines/
[20]https://www.ujv.cz/file/edee/2023/08/brozura_smr.pdf
[24] https://afresearchlab.com/news/project-fierce-fuels-the-future-of-synthetic-jet-fuel-generation/
[25] https://www.czdefence.cz/vojenska-technika
[27] https://www.watergen.com/mobility/watergen-on-board/
Uhlíkové inženýrství a výroba udržitelného leteckého paliva ze vzduchu:
https://www.youtube.com/watch?v=MkdrQQO5KmM
Zdroj: https://blog.idnes.cz/karelwagner/cert-aby-se-v-tom-vyznal-ii.Bg24050785