.png)
.png)
.png)
VZESTUP ČISTÉHO VODÍKU
Hydrogen – Fuel of the Future
Základní informace
Čistý vodík hraje hlavní roli na cestě k čistému nulovému uhlíku, protože poskytuje řešení dekarbonizace v nejnáročnějších částech nákladové křivky Carbonomics – včetně přepravy na dlouhé vzdálenosti, oceli, chemikálií, vytápění a dlouhodobého skladování energie. Cenová konkurence čistého vodíku je také úzce spjata s deflací nákladů a rozsáhlým rozvojem obnovitelné energie a také zachycování uhlíku, což vytváří tři symbiotické pilíře dekarbonizace.
Čistý vodík získává silnou politickou a obchodní dynamiku a objevuje se jako hlavní součást vládních plánů, jako je např. Evropská zelená dohoda. To je důvod, proč věříme, že vodíkový řetězec si po třech chybných začátcích za posledních 50 let zaslouží opravdovou pozornost. Vodík je velmi všestranný, jak ve výrobě, tak ve spotřebě: je lehký, skladný, má vysoký obsah energie na jednotku hmotnosti a lze jej snadno vyrábět v průmyslovém sektoru. Klíčovou výzvou je skutečnost, že vodík je nejlehčí prvek, a proto má nízkou hustotu energie na jednotku objemu, což zjednodušuje skladování na dlouhé vzdálenosti.
Vodík v číslech
Čistý vodíkový ekosystém
Snižování emisí uhlíku
Cesta k čistému nulovému uhlíku bude pravděpodobně složena ze dvou faktorů: konzervace a sekvestrace. První z faktorů se týká všech technologií umožňující snížení hrubých emisí ze skleníkových plynů a druhý faktor se týká přírodních propadů a technologií, které fungují na využívání a ukládání uhlíku (CCUS), které snižují čisté emise odečtením uhlíku z atmosféry. Jako součást naší analýzy jsme vytvořili křivku na snížení uhlíku pro dekarbonizaci uvedenou v ukázce 13, která ukazuje křivku nákladů na zachování emisí skleníkových plynů ve vztahu k současným globálním antropogenním (tj. souvisejícím s lidskou činností) emisím skleníkových plynů. Do této analýzy jsme zahrnuli dekarbonizační technologie, které snižují emise skleníkových plynů a jsou v současné době dostupné v komerčním velkém měřítku. Zahrnujeme téměř 100 různých technologií pro ochranu skleníkových plynů napříč všemi klíčovými sektory na celém světě: výroba energie, průmysl, doprava, budovy a zemědělství.
Navzdory relativně levných příležitostí dekarbonizace, je křivka nákladů na snižování emisí velmi strmá, když se dostáváme za hranici 50 % dekarbonizace. Kromě toho odhadujeme, že cca 25 % současných globálních antropogenních emisí skleníkových plynů nejsou nezničitelné z důvodu současně dostupných technologií, za ceny < 1 000 USD/tn CO2ekv., což vyžaduje technologické inovace a průlomy k uvolnění čistého nulového uhlíkového potenciálu. Nově vznikající technologie, které by mohly smysluplně transformovat křivku nákladů na dekarbonizaci, je nám jasné, že vodík je v současné době v popředí této technologické výzvy: na základě naší analýzy má potenciál transformovat 45 % nákladové křivky (včetně nesnižitelných emisí < 1 000 USD/tn CO2) a může být atraktivně umístěn v dopravě, stavebnictví, výrobě energie a průmyslových sektorech.
Oživení vodíku v době klimatických změn
Vodík je prvek, který by mohl pomoci naplnit plný potenciál dekarbonizace. Vodík jako palivo atraktivně zapadá mezi ostatní používané paliva díky své nízké hmotnosti (vodík je nejlehčí prvek) a vysoký obsah energie na jednotku hmotnosti. Role vodíku v energetických ekosystémech není nová a má dlouhodobou historii v dopravním/průmyslovém sektoru, používá se jako palivo od 18. století ke zvedání vzducholodí a při výrobě řady klíčových průmyslových chemikálií, které jsou dnes relevantní, jako je např. čpavek. IEA odhaduje, že poptávka po vodíku v jeho čisté formě je kolem 70 Mtpa, přičemž většina této poptávky pochází z průmyslu rafinace ropy (více než 50 % poptávky po čisté formě H2) a výrobě čpavku pro průmysl výroby hnojiv (> 40 %). Pokud spojíme poptávku po vodíku v nečisté formě, celková spotřeba přesáhne 100 Mtpa (zdroj: IRENA).
Nová vlna podpory a politické opatření: zatímco vodík prošel za posledních 50 let několika vlnami zájmu, žádná z nich se nepromítla do udržitelně rostoucích investic a širšího přijetí do energetických systémů. Nicméně nedávné zaměření na dekarbonizaci a zrychlený růst nízkouhlíkových technologií, jako jsou obnovitelné zdroje. Vyvolalo novou vlnu zájmu o vlastnosti a rozšíření dodavatelského řetězce vodíku. Během několika posledních let se intenzivnější zaměření na dekarbonizaci a řešení změny klimatu, začalo promítat do obnovených politických opatření, zaměřených na širší přijetí čistého vodíku. Zdá se, že politická podpora a ekonomické úvahy spolu se zrychlením nízkonákladových obnovitelných zdrojů energie a elektrifikační infrastruktury se sbližují, aby vytvořily nebývalý impuls ve využívání vodíku a připravily půdu pro potenciálně rychlejší zavádění také vyšší investice do vodíkových technologií a požadované infrastruktury.
Modrý a zelený vodík
Čistý vodík by mohl být klíčovým chybějícím kouskem skládačky k dosažení čisté nuly, spojující dvě kritické složky technologického ekosystému dekarbonizace: sekvestraci uhlíku a výrobu čisté energie.
Vodík má řadu cenných atributů, z nichž dva jej činí jedinečným v době klimatických změn:
-
jeho schopnost být skladován a používán jako čisté palivo bez přímých emisí skleníkových plynů
-
širokou škálu čistých výrobních cest, které by mohly být přijaty při jeho výrobě, a nabízejí flexibilitu v dodavatelských řetězcích.
V závislosti na způsobu výroby existují tři typy vodíku: šedý, modrý a zelený. ‚Šedý‘ vodík, nejnáročnější forma výroby, je založena na uhlovodíkových surovinách a procesech paliva, typicky zemního plynu pro parometanovou formu (SMR) nebo autotermální reformování (ATR), ale také zplyňování uhlí. Důležitým faktorem je aby mohl těžit ze dvou klíčových technologií v ekosystému – zachycování uhlíku a výrobu energie z obnovitelných zdrojů – tím jsou „modrý“ a „zelený“ vodík. „Modrý“ vodík se týká konvenčního procesu výroby vodíku na bázi zemního plynu (SMR nebo ATR) spojený se zachycováním uhlíku, zatímco „zelený“ vodík označuje výrobu vodíku elektrolýzou vody, kde je elektřina získávána z nulových uhlíkových (obnovitelných) energií.
Dnes se více než 75 % vodíku vyrábí ze zemního plynu, zbytek převážně z uhlí. Méně než cca 2 % výroby vodíku se v současnosti vyrábí elektrolýzou, což je cesta výroby vodíku s nejnižší uhlíkovou náročností (podle IEA). Výroba vodíku prostřednictvím nízkouhlíkové elektřiny se v současné době neprovádí ve velkém komerčním měřítku a stále vykazuje širokou škálu variabilit, včetně požadavků na kapitálové výdaje spojené s elektrolyzéry, provozní dobou, účinností konverze a to nejdůležitější, náklady na elektřinu. Podle našeho názoru jde o klíčovou oblast v debatě o dekarbonizaci, která volá po inovacích a technologickém pokroku, která by mohla potenciálně odemknout „zelenou“ příležitost pro rozšíření vodíku.
-
„Modrý“ vodík a jeho zásadní role sekvestrace při podpoře přechodu na nízkouhlíkový vodík ve střednědobém horizontu. „Modrý“ vodík je vytvářen ze zemního plynu buď reformováním - párou a metanem (SMR) nebo autotermálním reformováním (ATR). Výroba „modrého“ vodíku pro dekarbonizaci nabízí několik výhod v blízkém až střednědobém horizontu, protože využívá v současnosti, ve velkém měřítku komerční výrobní cesty a infrastrukturu, s cca 75 % celosvětové produkce vodíku spoléhá na zemní plyn.
Nejrozšířenějším způsobem výroby vodíku je paro-methanové reformování na bázi zemního plynu, což je proces využívající vodu (páru) jako oxidant a zdroj vodíku. Zemní plyn v SMR působí jako palivo, i jako surovina. Typické kroky procesu zahrnují:
-
jednotku předúpravy suroviny (odsiřování), kde se ze suroviny zemního plynu odstraňuje síra a chlór
-
proud následně vstupuje do paro-methanové reformovace, kde je zemní plyn kombinován s tlakovou párou za vzniku syngasu (směs oxidu uhelnatého a vodíku)
-
výstupní proud syntézního plynu, který se většinou skládá z oxidu uhelnatého a vodíku, podléhá „přeměně vodního plynu“, kdy oxid uhelnatý a voda reagují pomocí katalyzátoru za vzniku oxidu uhličitého a dalšího vodíku
-
závěrečný procesní krok odstraňuje oxid uhličitý a další nečistoty z proudu vodíku, čímž se zvyšuje jeho čistota v takzvané „pressure-swing adsorption“ (PSA).
Alternativním procesem k SMR je proces částečné oxidace (využívá kyslík jako oxidant), ale typičtěji se používá kombinace obou procesů – známá jako autotermální reformace (ATR). Přijetí technologií CCUS do závodů SMR a ATR na výrobu vodíku může podle průmyslových studií vést k celkovému snížení emisí uhlíku o cca 90 %. Schéma typického procesu SMR s CCUS je znázorněno v ukázce 16, která ukazuje tři potenciální místa zachycování uhlíku (spalný plyn SMR, posunutý syntézní plyn a koncový plyn PSA), přičemž spaliny SMR jsou proudem s nejvyšší koncentrací CO2 a nejvyšší potenciál zachycování uhlíku.
Rozšiřování „modrého“ vodíku závisí pouze na širším přijetí a integrace technologií k zachycování - využívání a ukládání uhlíku, což připomíná přírůstkové náklady na výrobu „modrého“ oproti „šedému“. Sekvestrace bude pravděpodobně hrát zásadní roli při napomáhání dekarbonizačnímu úsilí, zejména v odvětvích, která je obtížnější snižovat, a při dosahování čisté nulové emise související s lidskou činností. V současné době je po celém světě provozováno 20 velkých zařízení CCS (převážně v USA, Kanadě a Norsku) s celkovou kapacitou přesahující 35 Mtpa. Je pozoruhodné, že v posledních letech se stále více projektů ve fázi vývoje zaměřuje na průmyslová odvětví s nižší koncentrací CO2, jako jsou průmyslové závody a elektrárny na výrobu uhlí a plynu.
-
„Zelený“ vodík: konečný nástroj dekarbonizace s velkým dlouhodobým potenciálem. „Zelený“ vodík se typicky vyrábí elektrolýzou vody, elektrochemickým procesem, při kterém se voda štěpí na vodík a kyslík. Vyhrazená elektrolýza na výrobu „zeleného“ vodíku zůstává velmi úzce vymezenou součástí celosvětové výroby vodíku, ale vzhledem k tomu, že náklady na elektřinu z obnovitelných zdrojů stále klesají a zájem roste. Klíčovou základní technologií pro výrobu zeleného vodíku je elektrolyzér a existují tři odlišné typy: alkalická elektrolýza, elektrolýza na výměnné protonové membráně (PEM) a elektrolýza s pevným oxidem (SOEC).
Nejrozšířenější a nejvyspělejší technologií je alkalická elektrolýza, charakterizovaná relativně nízkými kapitálovými náklady elektrolyzéru (méně drahých kovů, které se obvykle používají ve srovnání s jinými technologiemi elektrolýzy) a relativně vysokou účinností – typicky se pohybuje od 55 % do 70 %. Reakce probíhá v roztoku složeném z vody a kapalného elektrolytu (typicky hydroxidu draselného) mezi dvěma elektrodami. Při přivedení dostatečného napětí mezi elektrody jsou opačně nabité ionty (OH- a H+) přitahovány k opačně nabitým elektrodám. Anoda akumuluje vodu (prostřednictvím kombinace OH- iontů), zatímco katoda poskytuje vodík.
Elektrolýza PEM je založena na principu použití čisté vody jako roztoku elektrolytu, a proto překonává některé problémy spojené s roztoky hydroxidů (používaných pro alkalickou elektrolýzu), přičemž je také kompaktnější, pracuje při vyšších tlacích, a proto má schopnost poskytovat vysoce stlačený vodík. Proces zahrnuje použití pevné polymerní membrány. Když je mezi dvě elektrody přivedeno napětí, kyslík v molekulách vody vytváří na anodě protony, elektrony a O2, zatímco kladně nabité vodíkové ionty putují přes proton vodivý polymer směrem ke katodě, kde se spojují za vzniku vodíku (H2). Elektrolyt a dvě elektrody jsou vloženy mezi dvě bipolární desky, jejichž úlohou je transportovat vodu na desky, transportovat produktové plyny pryč z článku, vést elektřinu a cirkulovat chladicí kapalinu za účelem ochlazení procesu. Navzdory výrobním výhodám oproti tradiční alkalické elektrolýze (nastíněné výše) obvykle vyžadují použití drahých elektrodových katalyzátorových materiálů (jako je platina a iridium) a membránových materiálů, což má za následek celkově vyšší náklady a jako takové zaznamenaly méně rozšířené přijetí ve srovnání s alkalickými elektrolyzéry.
Třetím typem technologie elektrolýzy jsou SOEC, technologie, která je dosud mnohem méně rozšířena a nedosáhla komercializace ve velkém měřítku. Principiálně se zde používá keramika jako elektrolyt a funguje při velmi vysokých teplotách (>500 °C), při kterých může potenciálně dosáhnout účinnosti >70 %. Analýza nákladů na výrobu, která následuje, se zaměřuje na dva primární typy elektrolýzy (alkalická a PEM), které jsou a nejrozšířenější v komerčním měřítku.
Analýza nákladů na výrobu nás vede k přesvědčení, že „modrý“ bude pravděpodobně primární cestou v blízkém až střednědobém horizontu, dokud „zelený“ nedosáhne nákladové parity.
Zatímco „modrý“ a „zelený“ vodík jsou způsoby výroby vodíku s nejnižší uhlíkovou intenzitou, obě tyto technologie jsou nákladnější ve srovnání s tradiční výrobou „šedého“ vodíku na bázi uhlovodíků na základě naší analýzy nákladů na výrobu vodíku. U „modrého“ vodíku závisí výrobní náklady na řadě technologických a ekonomických faktorů, přičemž nejkritičtějším faktorem je cena zemního plynu, po níž následují dodatečné náklady na integraci technologie zachycování uhlíku s elektrárnou JMK. Podle našich odhadů jsou náklady na výrobu „modrého“ vodíku ze zemního plynu SMR cca. 0,6 $/kg H2, vyšší než tradiční SMR bez zachycování uhlíku. U „zeleného“ vodíku náklady na výrobu primárně souvisejí s investičními náklady elektrolyzéru, účinností přeměny elektrolyzéru, hodinami zátěže a především náklady na elektřinu, které tvoří cca. 30-65 % celkových nákladů na výrobu v závislosti na náklady za elektřinu (LCOE).
Celkově odhadujeme, že náklady na výrobu zeleného vodíku mohou být 1,3-5,5x vyšší než u modrého vodíku v závislosti na ceně zemního plynu a LCOE. To nás vede k závěru, že „modrý“ i „zelený“ vodík budou tvořit klíčové pilíře přechodu na nízkouhlíkové hospodářství, ale „modrý“ usnadní přechod v krátkodobém a střednědobém horizontu, dokud „zelený“ dlouhodobě nedosáhne nákladové parity. V ukázce 23 ukazujeme naše odhady výrobních nákladů na vodík (za použití nejjednodušší, levnější a nejrozšířenější alkalické elektrolýzy) pro různé náklady na elektřinu (LCOE) a pro různé účinnosti elektrolyzéru. Celkově to znamená, že náklady na elektřinu potřebnou k tomu, aby se „zelený“ vodík dostal do cenové parity s drahým „modrým“ vodíkem, musí být řádově 5–25 $/MWh LCOE za předpokladu, že elektrolyzér a technologie zachycování uhlíku kapitálové náklady zůstávají na současné úrovni (pouze náklady na elektřinu se liší podél „zelených“ vodíkových linií a náklady na zemní plyn se liší podle „modrých“ vodíkových linií).
Kromě účinnosti elektrolyzéru a nákladů na elektřinu (LCOE) může mít doba provozu elektrolyzéru při plném zatížení také významný dopad na celkové náklady na výrobu vodíku. Ukázka 27 a ukázka 28 ukazují odhadovanou změnu v nákladech na výrobu vodíku s hodinami plného zatížení pro alkalický a PEM elektrolyzér, v daném pořadí. Grafy ukazují, že při plném vytížení > 5 000 (což představuje 57 % celkových ročních hodin práce na plnou kapacitu) se křivka nákladů na výrobu zplošťuje a náklady na výrobu již nejsou významně ovlivněny hodinami plného zatížení. Na druhou stranu, náklady na výrobu vykazují lineární korelaci s capex elektrolyzéru pro alkalické i PEM elektrolyzéry, jak je ukázáno v ukázce 29 a ukázce 30. Stojí za zmínku, že implikované náklady na elektrolyzér mají potenciál snížit při použití větších multi-stack systémy, které zahrnují kombinování několika elektrolyzérů dohromady, čímž zvyšují celkovou kapacitu systému a snižují investiční část nákladů. To je spolu s technologickými inovacemi a úsporami z rozsahu jednou z klíčových potenciálních oblastí snižování nákladů.
Vodíkový dodavatelský řetězec
Bezpečná a nákladově efektivní přeprava, také skladování a distribuce vodíku bude rozhodující pro stanovení tempa a jeho rozsáhlého zavádění. Nízká energetická hustota paliva v okolních podmínkách a jeho vysoká difuzivita v některých materiálech včetně typů ocelových a železných trubek a také vysoce hořlavá povaha představují důležité technologické a infrastrukturní výzvy pro jeho široké uplatnění v dopravě a vytápění. Domníváme se proto, že jeho počáteční zrychlení a využití bude pravděpodobně více lokálně koncentrované (vodíkové uzly), zatímco vývoj rozsáhlého globálně integrovaného hodnotového řetězce bude pravděpodobně náročnější a jeho realizace bude trvat déle.
-
Skladování: Vodík je v současnosti primárně skladován v plynné nebo kapalné formě ve skladovacích nádržích. Stlačený vodík má méně než jednu pětinu energetické hustoty benzínu, a proto skladování ekvivalentního množství energie vyžaduje mnohonásobek prostoru (což představuje výzvu pro skladování v čerpacích stanicích). Amoniak nabízí kapalnou alternativu pro skladování vodíku (amoniak vzniká z vodíku kombinovaného s dusíkem prostřednictvím reverzibilní reakce). Potřeba velkokapacitních skladovacích řešení, která umožňují dlouhodobé skladování, je stále důležitější, aby se vodík začal více využívat, včetně skladování v čerpacích stanicích, exportních terminálech a skladování energie při výrobě elektřiny. Geologická úložiště, jako jsou solné jeskyně, vyčerpaná ropná a plynová pole a vodonosné vrstvy, by mohly být potenciálními dlouhodobějšími možnostmi skladování vodíku.
-
Přesun na dlouhé vzdálenosti: Přeprava vodíku na delší vzdálenosti se obvykle vyskytuje ve čtyřech různých formách: vodík, čpavek, kapalné organické nosiče vodíku (LOHC, jako je toluen) a zkapalněný vodík. Stávající infrastruktura potrubního systému zemního plynu by mohla být využita k místní nebo domácí přepravě vodíku, zejména pokud je materiálem potrubí polyethylen. Alternativně se dnes používá přimíchávání vodíku v malých dávkách (typicky <10 % objemu pro většinu regionů), i když horní limit je omezen zařízením připojeným k rozvodné síti. Lodní doprava by mohla představovat potenciální řešení z dlouhodobého hlediska, ale vzhledem k velmi nízkému bodu zkapalňování vodíku (-250 °C) jsou technologické inovace nezbytné pro zvýšení proveditelnosti. Amoniak a LOHC (jako je toluen) pro přepravu vodíku lodí jsou preferovanými možnostmi, které je třeba z tohoto hlediska zvážit, jak tvrdí průmysloví hráči, protože nevyžadují kryogenní podmínky pro zkapalnění nebo manipulaci a jsou některé z běžně používaných metod pro dlouhodobé dálková dopravy už dnes.
-
Lokální rozvod: Pro lokální rozvod vodíku se běžně používají potrubí. Charakteristické vlastnosti vodíku však vyžadují nízkotlaké distribuční trubky vyrobené z polyethylenu nebo polymerů vyztužené vlákny. Přimíchávání vodíku do stávající plynárenské infrastruktury se v současné době testuje v několika zemích po celém světě, a to i za současnou horní hranicí 5–6 %. Nová vyhrazená distribuční potrubí budou pravděpodobně výzvou pro materiální infrastrukturu. Nákladní automobily převážející stlačený vodík se v současnosti využívá také jako řešení místní distribuce na kratší vzdálenosti
Velká příležitost pro vodík
Vodík má komplexní řetězec s několika výzvami souvisejícími s přepravou a skladováním, které je třeba překonat, aby byl přijat v širokém měřítku. To znamená, že vzestup směrem k dosažení čisté nuly by mohl být významný, podle našich odhadů by mohlo dojít k uvolnění více než poloviny z cca 25 % nezničitelných emisí < 1 000 USD/tunu uhlíkových cen vzhledem k jeho všestrannosti sloužit jako alternativa čistého energetického paliva pro průmyslová odvětví. Řešení pro skladování energie pro dálkovou dopravu (elektrická vozidla s palivovými články, letectví, lodní doprava) a pro vytápění a sezónní výkyvy v poptávce po energii, což umožňuje vyšší pronikání obnovitelných zdrojů. Potenciální příležitosti dekarbonizace, které by mohly být odemčeny rozvojem vodíkových technologií a dodavatelského řetězce, jsou uvedeny v ukázce 32.
Výroba energie: Klíč k vyřešení problému sezónního skladování energie
Věříme, že k dosažení úplné dekarbonizace energetických trhů budou baterie i vodík hrát větší a doplňkovou roli při řešení různých problémů. Zatímco baterie jsou v současné době nejrozvinutější technologií pro vnitrodenní skladování energie, považujeme je většinou za irelevantní pro sezónní skladování a vidíme vodík jako potenciálního kandidáta na řešení této výzvy.
Abychom dosáhli 100% bezuhlíkové výroby energie, je zapotřebí technologických průlomů v oblasti skladování energie. Domníváme se, že jak baterie, tak vodík mohou hrát roli, pokud jde o skladování energie, a očekáváme, že nasazení baterií se primárně zaměří na vnitrodenní skladování, zatímco vodík by potenciálně mohl uspokojit potřebu sezónního skladování.
Technologie baterií a její vývoj hraje klíčovou roli při napomáhání dekarbonizace dopravy i výroby energie. Velké zaměření na elektrické baterie v posledním desetiletí pomohlo snížit náklady na baterie o více než 50 % jen za posledních pět let díky rychlému rozšíření výroby baterií pro osobní elektrická vozidla (EV) a lithium-iontové baterie jsou nadále nejrozšířenějším typem. Tato technologie však v současné době není snadno dostupná ve velkém komerčním měřítku pro nákladní automobily na dlouhé vzdálenosti, lodní dopravu a letectví nebo pro dlouhodobé skladování baterií pro obnovitelné zdroje energie.
Baterie jsou zvláště vhodné pro sluneční klima (např. jižní Španělsko/Itálie, Kalifornie, Střední východ), kde je solární fotovoltaická produkce po celý rok do značné míry stabilní a lze ji skladovat pro večerní použití po dobu až 4–6 hodin. Na rozdíl od silných projekcí mnoha průmyslových konzultantů nevidíme baterie, které by plně překlenuly mezeru ve výrobě energie k čisté nule. Naše analýza předpokládá cca 80 GW úložiště do roku 2050 (hluboce pod odhady BNEF), nebo cca 5 % instalované základny OZE do té doby v Evropě.
V ukázce 37 analyzujeme případ různých scénářů nákladů za baterie (cena plné baterie) pro elektrická vozidla, včetně nákladních automobilů, a pro skladování energie při výrobě. To ukazuje vysokou citlivost tvaru nákladové křivky na náklady za baterie, což naznačuje, že technologie baterií má potenciál transformovat vyšší konec spektra nákladů na dekarbonizaci, kterému dominuje doprava. Nižší náklady na baterie pro osobní elektromobily, venkovské i městské, stejně jako pro nákladní vozidla, mohou mít významný dopad na snížení celkových nákladů na dekarbonizaci. Podle našeho názoru je však nepravděpodobné, že by technologie baterií ve své současné konstrukci nabídla řešení pro dekarbonizaci letectví, lodní dopravy a sezónní výkyvy poptávky po energii, přičemž klíčovou roli v těchto oblastech bude hrát vodík.
Potenciální příležitost pro vodík v sezónním skladování. Vodík by mohl být potenciálně využit pro skladování energie a flexibilní výrobu energie. Proces zahrnuje skladování „zeleného“ vodíku a jeho přeměnu zpět na energii pomocí palivových článků, aby se vyrovnal sezónní nesoulad mezi poptávkou po energii a obnovitelným výkonem. Palivové články mají účinnost, která se obvykle pohybuje v rozmezí 50–60 %. To je obecně slabá stránka možností skladování na bázi vodíku, protože trpí nízkou energetickou účinností životního cyklu. Celková energetická účinnost vodíku používaného pro místní distribuci a použití na místě leží na základě naší analýzy v rozmezí 25–40 % ve srovnání s bateriovým elektrickým úložištěm cca 70–90 %.
Pokud by Evropa měla dlouhodobě pokrýt 10 % svých energetických potřeb z vodíkových/palivových článků, mohla by podle odhadů vzrůst celosvětová poptávka po vodíku o 25 % až 30 %, zatímco úplná dekarbonizace výroby tohoto vodíku by znamenala asi 900 TWh přírůstkové poptávky po elektřině, ekvivalentní současné poptávce Francie a Německa dohromady.
Doprava: Jedinečná příležitost pro dekarbonizaci dálkové dopravy
Klíčové vlastnosti vodíku (nízká hmotnost a vysoká energie na jednotku hmotnosti, krátká doba doplňování paliva, nulové přímé emise při získávání z obnovitelných zdrojů energie) z něj činí atraktivního kandidáta jako dopravní palivo. Vodík lze použít v čisté formě v elektrických vozidlech s palivovými články (FCEV), ale také, jak ukazuje ukázka 31 a ukázka 47, může být také přeměněn na paliva na bázi vodíku včetně syntetického metanu, metanolu a čpavku v procesu běžně známém jako „power-to-liquid“, potenciálně použitelný pro letectví a lodní dopravu, kde je použití přímého vodíku nebo elektřiny obzvláště náročné.
U všech vodíkových faktorů zůstává objemový požadavek na skladování na palubě spolu s poměrně nízkou celkovou účinností „well-to-wheel“ dvěma klíčovými výzvami pro použití vodíku. Vodík má některé jedinečné vlastnosti, díky kterým je jako palivo přitažlivý, například má > 2,5x vyšší hustotu energie na jednotku hmotnosti ve srovnání s konvenčními fosilními palivy. Stlačený vodík je používán pro silniční dopravu (včetně lehké nákladní dopravy, ale také autobusů, nákladních automobilů a vlaků), přičemž drtivou většinu nasazených elektrických vozidel s palivovými články tvoří osobní vozidla. Japonsko, USA, EU a Jižní Korea vedou současnou flotilu FCEV, ale mnoho dalších zemí si nedávno stanovilo cíle pro přijetí vodíku v oblasti mobility (Důkaz 45).
Ukázka 40 ukazuje, že u plně naloženého (nebo plně nabitého) průměrného osobního vozidla se FCEV se stlačeným vodíkem zobrazuje atraktivně ve srovnání s elektromobily s Li-baterií na základě hmotnosti na jednotku energie (z nádrže na kolo). Podobně vodík ve stlačené formě vede k tomu, že FCEV atraktivně promítají objem na jednotku energetického výstupu ve srovnání s EV. Pokud jde o cenu (USD) na jednotku výstupní energie, což je více než dvojnásobek nákladů na ekvivalentní elektromobily a benzinové osobní vozy ICE. Náklady na jednotku energetického výstupu u FCEV se stávají konkurenceschopnějšími, když se uvažuje o dálkové těžké dopravě, protože jejich dlouhý dojezd znamená méně časté doplňování paliva a velkokapacitní (>300 kWh) baterie v EV zůstávají nákladné. Díky tomu jsou FCEV atraktivní pro dálkovou dopravu, jako jsou autobusy a nákladní automobily. Pro účely této analýzy uvažujeme hmotnost a objem systému, který ukládá a přeměňuje vstupní energii na výstupní energii u všech tří typů vozidel. To zahrnuje součásti spalovacího motoru a benzinové nádrže pro osobní vozidla ICE, Li-baterii pro EV, palivový článek a nádrž na stlačený vodík pro FCEV.
Na principu „well-to-wheel“ zůstává klíčovou výzvou pro vodík jeho nízká celková energetická účinnost, jak ukazuje ukázka 44, přičemž místní distribuce stlačeného vodíku má celkovou účinnost od „well-to-wheel“ 25–40 %, což snižuje na 15-30 % pro zkapalněný vodík nebo 25-35 % pro kapalné organické vodíkové nosiče a amoniak v důsledku dalších požadovaných kroků zkapalňování/zplyňování a konverze/rekonverze. To je srovnatelné s c. 70-90% účinnost pro elektromobily.
Železniční průmysl a vodíková příležitost
Navzdory skutečnosti, že železniční průmysl je již průkopníkem v evropské energetické transformaci (způsobuje pouze 0,1 % celkových emisí skleníkových plynů), cca 20 % železniční dopravy a 40 % sítě je stále v režimu nafty. V této souvislosti věříme, že vodíkové vlaky pomohou dále snižovat emise a hladinu hluku způsobené tímto průmyslem. Vlaky na palivové články a vodík (FCH) se v posledních letech staly středem zájmu železničních OEM. Zatímco testy technologie FCH začaly už v roce 2005, první komerční vlaky byly představeny v roce 2016 společností Alstom a v roce 2018 byly uvedeny do provozu v Německu. Zatímco jsou stále v raném vývoji a podle Alstomu jsou náklady více než 25 % vyšší. Ekologický, technický a ekonomický profil činí vodíkové vlaky atraktivní jako náhrada vozového parku s dieselovým pohonem. Podle Společného podniku pro palivové články a vodík (FCH JU) a společného podniku Shift2Rail (S2R JU) by tato technologie mohla do roku 2030 vyrábět až 20 % nových evropských vlaků a nahradit tak 30 % dieselových vlaků.
Jaké jsou hlavní výhody vlaků poháněny na vodík?
1. Environmentální profil, protože vodíkové vlaky jsou schopny poskytovat výkon s nulovými emisemi a nižší hlučností a také znečištění vzduchu. Pozoruhodně se zdá, že zelená atraktivita nejde na úkor technického výkonu a místo toho je spojena s flexibilitou dieselových vlaků. Například vodíkové vlaky lze natankovat za méně než 20 minut, fungovat až 18 hodin bez doplňování paliva a ujet až 1000 km při maximální rychlosti c180 km/h.
2. Efektivita nákladů životního cyklu. Cenový profil se u hlavních aplikací (Multiple Units, Shunter, Locomotive) liší, přičemž Multiple Units v současné době považuje Alstom za nejschůdnější variantu. Odhaduje se, že jeho celkové náklady na vlastnictví budou v roce 2022 o 3 % nižší než u elektrifikace trolejového vedení a o 6 % vyšší než u dieselových vlaků, což odpovídá nákladové prémii cca 0,5 EUR/km. Aby se snížily celkové náklady na vlastnictví, existují příležitosti jak na straně opex (cena elektřiny), tak na straně capex (úspory z rozsahu).
Průmysl:
Poptávka po vodíku v současnosti dominuje v průmyslovém odvětví, přičemž se jedná o rafinaci ropy, výroby čpavku, metanolu a výroby oceli prostřednictvím přímé redukce železné rudy (DIR). V kontextu dekarbonizace by mohl být čistý vodík (buď „zelený“ nebo „modrý“ prostřednictvím modernizace CCUS napříč průmyslovými závody) použit jako palivo (poskytující vysokoteplotní teplo požadované v průmyslových závodech) nebo surovina napomáhající čistému výroba jeho konečných produktů a související dekarbonizační procesy. Jednou z klíčových průmyslových aplikací čistého vodíku, která v poslední době přitahuje zájem průmyslu, je výroba oceli s nulovým čistým uhlíkem, která má pomoci splnit rostoucí globální požadavky na ocel s nižšími emisemi.
Paliva a suroviny na bázi syntetického vodíku
Zrychlené zavádění vodíku ve velkém měřítku by se mohlo zhmotnit na základě jeho schopnosti tvořit amoniak a další kapalné organické nosiče vodíku (LOHC), ale také jeho schopnosti kombinovat se s CO2/CO za vzniku syntetických uhlovodíků/kapalných paliv, jako je syntetický metanol (nafta a letecký benzín). Podle našeho názoru má první možnost (schopnost tvořit amoniak a LOHC) potenciál zvýšit tempo přijímání vodíku tím, že napomáhá skladování a přepravě (kapalný amoniak má vyšší objemovou hustotu než kapalný vodík a může být zkapalněn při vyšší teplotě - 33 °C oproti vodíku při -253 °C a metanu při -160 °C, zatímco druhý jmenovaný (schopnost slučovat se s CO2/CO) funguje jako způsob využití CO2 s širokou škálou aplikací. Některé syntetické zpětné vazby na bázi vodíku a dosud vyvinutá paliva zahrnují:
-
Syntetický metan: Toto je nejběžněji vyráběné syntetické palivo na bázi vodíku a výrobní cesta zahrnuje proces metanizace (většinou katalytické, ale jsou možné i biologické cesty), který využívá přímou reakci mezi vodíkem a CO2 k výrobě metanu, přičemž hlavní je voda. vedlejší produkt reakce.
-
Syntetický metanol: Metanol má o cca 80 % vyšší energetickou hustotu než vodík a jeho výrobní cesta ze syntézního plynu (přes vodík) je dobře rozvinutá komerčně. První zařízení na přeměnu CO2 na metanol, známé jako George Olah Renewable Methane Plant, se nachází na Islandu a bylo uvedeno do provozu v roce 2012 s kapacitou 1000 tpa metanolu před jeho rozšířením na 4 000 tpa v roce 2015. Výchozí CO2 je zachycován z v blízkosti elektrárny, zatímco vodík se vyrábí elektrolýzou a používá se k přímé hydronaci zachyceného CO2. Výrobek „Vulcanol“ se poté prodává pro použití jako přísada do benzínu a surovina pro výrobu bionafty.
-
Syntetická nafta, petrolej a další paliva: Syntetická nafta nebo petrolej je výsledkem reakce mezi oxidem uhelnatým (CO) a vodíkem. Oxid uhelnatý lze získat ze zachyceného CO2, přičemž výsledný syntézní plyn, CO2 a vodík se přemění na syntetická paliva cestou syntézy Fischer Tropsch.
