Zakladatelka společnosti Vodíková Energie, s.r.o. se o danou problematiku zajímá delší dobu a založení společnosti na vývoj technologie výroby a skladování vodíku byl jen další logický krok po jejím úspěšném obhájení závěrečné práce na téma „Rozvoj vodíkové energetiky v ČR “ pod vedením doc. Ing. Vladimíra Höniga, Ph.D. et Ph.D. v roce 2021.
Vodík a Power2Gas, jako způsob uskladnění přebytků elektřiny z OZE
Vodík se v přírodě nevyskytuje jako samostatná látka, ale je vázán ve sloučeninách. Když říkáme, že vodík se vyrábí, má se tím na mysli, že se za použití vnějšího zdroje energie či vnějším působením jiné chemické látky, spustí proces separace molekul vodíku z původní sloučeniny.
Jako výchozí látka nám slouží voda, uhlovodíky nebo jiné látky a sloučeniny, kde se vodík vyskytuje v takovém množství, že se energeticky a finančně vyplatí jeho výroba. Vodík, fundamentálně vzato, je díky nutnosti výroby z jiných látek, tzv. nosičem chemické energie, nikoliv palivem. Nicméně budeme pracovat se zjednodušenou definicí vodík = palivo.
Ve srovnání s fosilními palivy, vodík měl a stále má několik velkých nevýhod. Tou první nevýhodou je cena. A to jak výroby vodíku, tak i například vozidel na vodík a skladovací či plnící infrastruktury. Druhou, složitější nevýhodou, je skladování a přeprava, třetí je potom nedostatečná výrobní kapacita. Obrovskou výhodou vodíkové energetiky je skutečnost, že jedinými emisemi je čistá voda (respektive vodní pára) a teplo. Na čistotu původního paliva, jehož energii jsme k výrobě vodíku použili nelze ovšem zapomínat. Česká republika nemá nevyčerpatelné zásoby geotermální energie jako například Island, kterému tato energie umožňuje vyrábět v celém výrobním cyklu „zelený vodík“ uhlíkově neutrální cestou.
Na každý m2 rozlohy území ČR dopadá ročně cca 1MWh sluneční energie/rok. Je zde však jedno zásadní úskalí této technologie. Slunce či vítr nepracuji nejefektivněji zrovna v daný moment naší potřeby. V poledne, od jara do podzimu, dochází ke špičkové výrobě elektrické energie z FVE. Je to v době, kdy nejsme schopni ji spotřebovat. Naopak večer a po setmění, kdy domácnosti mají zvýšenou spotřebu elektrické energie na svícení a vaření, slunce již nesvítí. Taktéž výrobní závody pracující na 3 směny mají velké odběry i v noci. Prioritou budoucnosti bude tedy vyřešit otázku jak efektivně, spolehlivě a levně akumulovat elektrickou energii v době kdy jí je přebytek z OZE a na energetickém trhu je v daný moment její cena nízká a místy i záporná. Tuto naakumulovanou energii potom potřebujeme využít v době kdy OZE nevyrábí a přeměníme ji zpět na elektrickou pomocí palivového článku.
Palivový článek je elektrochemické zařízení, ve kterém sloučením vodíkového paliva s kyslíkem dochází ke vzniku elektřiny, tepla a vody. Palivový článek je de facto princip elektrolýzy naruby, používá dvě elektrody oddělené elektrolytem. Anoda (záporná elektroda) přijímá vodík a ke katodě (kladná elektroda) je přiváděn kyslík. Katalyzátor na anodě rozděluje vodík na kladně nabité vodíkové ionty a elektrony. Kyslík je ionizovaný a migruje elektrolytem k anodické části, kde se slučuje s vodíkem. Obvyklý palivový článek dává v zátěži 0,6 – 0,8 V. Pro dosažení vyšších napětí se články spojují do sérií (souborů).
Elektrolýza
Přebytečnou elektrickou energii z FVE „uložíme“ do vodíku pomocí elektrolýzy.
Elektrolýza je proces, při kterém stejnosměrný proud při průchodu vodným roztokem štěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem:
2H2O → 2H2 + O2
H+ poté reaguje na katodě za vzniku plynu, který je jímán a následně skladován. Proces elektrolýzy probíhá za pokojových teplot a pro jeho chod je nutná pouze elektrická energie. Tímto způsobem jsou vyrobena asi 4 % z celkové světové produkce vodíku. Účinnost procesu se pohybuje v rozmezí 80-92 %. Výstupem elektrolýzy je kyslík a vysoce čistý vodíkový plyn, pro většinu aplikací bez nutnosti dodatečného dočišťování. Konvenční elektrolýza je výhodná zejména tam, kde je levná elektřina a dostatek vody.
Účinnost výroby vodíku elektrolýzou ukazuje následují graf. Pro snadnější analýzu budeme kalkulovat s tím, že na začátku procesu máme 100 kWh elektrické energie z OZE. Do hry samozřejmě vstupují ztráty na elektrickém vedení v rámci rozvodné a distribuční sítě, které závisí mimo jiné od vzdálenosti OZE od elektrolyzační jednotky. Tyto ztráty se mohou pohybovat od 0,1 až po nižší jednotky procent. Samotnou elektrolýzou ztratíme cca 20-23 kWh energie. Energie uložena v takto vyrobeném vodíku je tedy 62-80 kWh energie. Zbylá energie do 100 kWh je ve ztrátách, odpadním teple atd. I když se tento proces může zdát neefektivní, tak se bavíme o možnosti „obsypat“ všechny střechy FVE a vytvořit si energetickou nezávislost i na zimní období. Zlepšující se technologie umožňuji dosahovat maximálních hodnot účinnosti. Tedy například rodinný dům na venkově s velikostí vhodné střechy cca 250-300m2 může mít instalovaný výkon FVE 40 kWp a roční výrobu zhruba 40 MWh. Pokud 10 MWh spotřebuje v průběhu období jaro – podzim a zbývajících 30 MWh „uloží“ do vodíku, tak v zimním období při 30% účinnosti celého procesu Power to H2 to Power získá v zimě 10 MWh elektrické energie. Bez napojení na distribuční soustavu.
