Elektrolýza vody jako budoucnost pro akumulaci elektřiny

Vodík je jako palivo energeticky mnohem bohatší (okolo 33 kWh na 1 kilogram), než jsou ta klasická na bázi ropy (12,5 kWh na 1 kilogram), proto se o něm hovoří jako o palivu budoucnosti.

Vodík je možné využít v celé řadě odvětví od dopravy až po průmysl. Auta, autobusy, nákladní vozy i vlaky na vodík již nějakou dobu jezdí například v Německu nebo Švýcarsku, a dokonce i v České republice existuje první veřejná čerpací stanice pro vodíková vozidla. Naplnění nádrže vodíkem obvykle trvá u osobního auta okolo pěti minut.

Vodík je zároveň důležitým energetickým prvkem v průmyslové výrobě, například při zpracování oceli. Právě to jsou odvětví, která byla dříve závislá na fosilních palivech, jako je zemní plyn. Nyní existuje téměř stovka projektů energetického využití vodíku v průmyslu a většina z nich je situována v Evropě.

V souvislosti s vodíkem se velmi často hovoří o jeho využití k uchování přebytečné elektřiny. Vodík se totiž vyrábí dvěma způsoby – z fosilních paliv (nejčastěji parním reformátorem zemního plynu) nebo využitím elektrické energie a elektrolýzy vody. Pokud je energie vyrobena z obnovitelných zdrojů, hovoříme o takzvaném bezemisním vodíku.

Obnovitelné zdroje jsou typické nevyrovnaností výroby energie v čase. Zelené elektřiny je často nadbytek, není ji možné ihned spotřebovat. Velký rozvoj obnovitelných zdrojů v celé Evropské unii proto klade tlak na potřebu zajistit ideální nosič pro akumulaci přebytečné produkce. A tím by právě vodík mohl být.

Pokud se ptáte, proč tolik elektřiny uchovávat, odpověď je jednoduchá – pro zajištění energie v době, kdy jí obnovitelné zdroje vyrobí podstatně méně. Díky tomu se zajistí účinná stabilita výroby zelené energie a snížení emisí skleníkových plynů z fosilních paliv. Například elektrolyzér o výkonu 1 MW je možné doplnit zásobníkem na stlačený vodík s kapacitou 9 MW. A takto velkokapacitní baterie v Česku zatím nikde nefungují.

Běžná bateriová úložiště dobře fungují při vyrovnávání produkce elektřiny v řádu dní. Naproti tomu vodík by mohl sloužit pro dlouhodobou akumulaci třeba energie vyrobené v létě pro zimní spotřebu.

Když pomineme různé experimentální projekty – jako jsou třeba gravitační baterie –, máme v současnosti k dispozici především dvě základní technologie akumulace elektřiny. Tou dosud nejvyužívanější a nejpokročilejší jsou baterie. Lithium-iontové nebo lithium-polymerové – chemických variant lithiových baterií může být několik. Známe je z elektromobilů nebo domácích solárních elektráren, ale poměrně běžná jsou už také velká akumulátorová úložiště s kapacitou v řádu jednotek megawatthodin.

Druhou možností jsou právě elektrolyzéry vody a výroba vodíku. Ty se technologicky stále zdokonalují, čímž také snižují cenu výroby vodíku, a tím pádem i jeho cenu. Vodík se pak uchovává většinou ve formě plynného skupenství.

Při elektrolýze dochází pomocí elektrické energie k rozkladu vody na vodík a kyslík. Jeden kilogram vodíku lze vyrobit z 10 litrů vody. Množství spotřebované elektrické energie pro tuto výrobu se pohybuje okolo 55 kWh.

Metod elektrolýzy je však více. Dosud známe alkalický elektrolyzér a vysokoteplotní elektrolyzér. Komerčně nejvyužívanější je alkalická metoda, která se ale používá spíše velkokapacitně. Jde totiž o nízkoteplotní elektrolýzu s bazickým elektrolytem (roztok, který vede elektrický proud), jež sice není tak finančně náročná, ale zároveň ani příliš efektivní.

Druhou metodou je kyselá elektrolýza (PEM), která využívá polymerní membránový elektrolyt. Výhodou této technologie jsou menší rozměry – jde obvykle o kontejnerová řešení. Kyselá elektrolýza ale potřebuje drahé platinové katalyzátory a elektrolyt vytvořený fluorovou chemií.

Vůbec nejnáročnější a prozatím nejméně otestovaná je vysokoteplotní elektrolýza, kdy se vodík vyrábí při teplotě až 800 °C. Díky tomu se dosahuje ohromné kinetické síly elektronových reakcí k rozkladu vody, aniž by byl použit katalyzátor. Tato metoda je velmi efektivní a nadějná. Jedná se o novou technologii, která však na několika místech na světě už funguje. Vysokoteplotní elektrolýza dává ekonomický smysl hlavně tam, kde je po ruce silný zdroj tepla – třeba u jaderných elektráren nebo v průmyslu.

Oba způsoby akumulace energie mají své výhody i nevýhody. Elektrolýza není zdaleka tak rozšířená, teprve se vyvíjí, a to včetně navazující infrastruktury a technickým norem. Proto je prozatím využívána hlavně lokálně. Dokáže však maximálně využít zelenou energii, její technologie v konečném důsledku není zase tak náročná, je investičně dostupnější a s nastávajícím pokrokem bude čím dál účinnější (a levnější).

Baterie stále představují pro určité případy nejlepší možnost uchování energie, vzhledem k tomu, jak dlouho se už používají. Konverze je u nich velmi efektivní, ale také mají své nevýhody. Například problematickou životnost, která může být velmi krátká hlavně v extrémních zimních, ale i letních teplotách, a také často nízkou kapacitu. Problém může rovněž nastat kvůli omezenému množství celosvětových zásob lithia, které se musí vytěžit. Samotná těžba této vzácné suroviny navíc není zrovna jednoduchá a spotřebuje velké množství vody v krajině.

V roce 2021 byl otevřen největší elektrolyzér v Evropě, a to v Německu (ve spolkové zemi Severní Porýní-Vestfálsko). Za stavbou tohoto projektu s názvem Refhyne stojí společnost Shell a využije ho pro dekarbonizaci (snížení emisí) rafinérie a stabilizaci energie, kterou získává z obnovitelných zdrojů. Německo na vodík vsází ve své strategii do roku 2030, kdy chce dosáhnout celkového výkonu elektrolýzy na svém území až 10 GW.

Společnost E.ON je v Německu významným partnerem velkého množství projektů, které se zaměřují na dekarbonizaci průmyslu formou výroby a využití vodíku. Mezi tyto projekty patří například Norddeutsches Reallabor, SmartQuart či PtG projekt v Ibbenbürenu.

V České republice dosud takto velký elektrolyzér chybí. Našli bychom spíše ty menší pro výzkumné účely. Drtivá většina vodíku se v Česku navíc vyrobí v chemickém průmyslu a rafinériích. Obnovitelné zdroje zde prozatím nejsou zastoupeny v potřebném množství, aby byla výroba zeleného vodíku dostatečná.

Zároveň ale díky společnosti E.ON vzniká významný inovativní hub v Mydlovarech na jihu Čech. Ten bude mimo jiné zahrnovat právě výrobu vodíku z obnovitelných zdrojů. První kilogramy vodíku by se mohlo podařit vyrobit na počátku roku 2025.Využívání vodíku v České republice je dnes technologicky již možné. Elektrolyzéry se mohou stavět ve formě modulárních kontejnerových provedení, čímž se tato technologie stává lokálně přístupnou. Záležet tedy bude dále na legislativě a případně i dotačních programech, které výrobu podpoří.