Vodík klíčem k dekarbonizaci dodávek tepla?

Podle britské společnosti DNV GL mohou vodíkové technologie skutečně výrazně přispět k přechodu od fosilních paliv k obnovitelným zdrojům také v oboru dodávek tepla. Roli významného mezistupně při přechodu k vodíkovým technologiím přitom sehrává zemní plyn, který byl na klimatické konferenci v Paříži COP 21 v roce 2015 prohlášen 
za „nejrychlejší a nejhospodárnější cestu ke světu s nižší karbonizací a čistším vzduchem.“   
Všechny země světa se v energetice potýkají se známým „trilematem“: spotřebitelé žádají spolehlivé dodávky zaplatitelné energie, které musejí být zároveň odolné vůči nečekaným politickým, ekonomickým a klimatickým událostem a také co nejšetrnější k životnímu prostředí, neboť většina států světa se shoduje v nutnosti dekarbonizace. Zemní plyn je podle pařížské konference fosilním palivem, které zatím nejlépe splňuje požadavky trilematu.
Velká Británie je ideálním průkopníkem
Britský přechod od uhlí k zemnímu plynu byl zahájen už před více než půlstoletím objevem a masivním využíváním bohatých ložisek zemního plynu v Severním moři. Ten se ukázal být „darem z nebes“, neboť je levnější a způsobuje podstatně nižší emise než do té doby používaný Town Gas, který byl vyráběn hlavně z uhlí. Konverzi doprovázel masívní rozvoj národního distribučního systému plynovodů a dále soustředění lokálních plynárenských firem pod křídla British Gas Corporation.  
Doprava plynu je podstatně levnější než doprava elektřiny
Skladování a doprava plynu jsou ve srovnání s elektřinou mnohem levnější. Přenosové elektrické vedení vysokého napětí BritNed s délkou 260 km a kapacitou 1 GW stálo 600 milionů eur. Zhruba 230 km dlouhý plynovod Bacton-Balkzand stál sice také zhruba 600 milionů eur, ale má kapacitu 20 GW! 
Výhody skladovacího potenciálu plynu lze ilustrovat faktem, že součet všech kapacit zásobníků plynu v Evropě činí cca 900 TWh a dvanáctkrát převyšuje celkové evropské kapacity všech přečerpávacích elektráren celkem 70 TWh.
Hledá se náhrada i za zemní plyn
Ve Velké Británii poklesly emise CO2 do roku 2015 o 38 % ve srovnání se stavem v roce 1990. Většina úspor ale byla zatím dosažena především při výrobě elektřiny – výrobou z obnovitelných zdrojů namísto uhlí. K dosažení cílů pro rok 2050 je ovšem naprosto nutné zapojit všechny sektory, především výrobu tepla.
I zemní plyn je nicméně fosilním palivem, a pokud mají být výrazně sníženy uhlíkové emise, bude se muset postupně i jeho spotřeba snižovat. Jeho náhradou může být biometan jako produkt bioplynových stanic nebo bio-syntézní plyn (bio-SNG), vyráběný např. z biomasy. Předpokládá se ovšem, že do roku 2040 nahradí  biometan ve Velké Británii jen asi 7 % zemního plynu.
Vodík při aplikaci technologie CCS může být řešením
Řešením pro splnění cílů roku 2050 by proto mohl být ve Velké Británii vodík spolu s aplikací technologie zachycování kysličníku uhličitého, vzniklého při výrobě vodíku a jeho ukládání v podzemí – CCS – Carbon Capture and Storage. Vhodná úložistě pro Velkou Británii byla identifikována pod Severním mořem. Pokud by se technologie CCS aplikovala ve velkém měřítku, výrazně by se snížily její náklady. Mohla by být využita existující britská plynárenská síť – na kterou je napojeno 23 milionů uživatelů a 80 % všech domácností. Velká část existující plynárenské infrastruktury by mohla být transformována na dopravu a ukládání vodíku ve velkém měřítku včetně 230 000 kilometrů nízkotlakých lokálních distribučních sítí. Také společnost KPMG potvrdila ve své nedávné studii, vypracované pro Energy Networks Association, že využití plynárenského systému představuje nejnižší náklady při snaze o dosažení dekarbonizace britského teplárenství.  
Výroba a skladování vodíku
Světová výroba vodíku činí 60 mil. tun ročně a lze ji považovat za naprosto zralou technologii. Průmyslově se vodík vyrábí hlavně zplynováním uhlí a těžkých ropných frakcí nebo parním reformingem zemního plynu. Na světě existuje několik průmyslových potrubních vedení vodíků – vodíkovodů - největší provozuje firma Air Products v USA mezi Texasem 
a Louisianou v délce 960 km. Stovky kilometrů vedení jsou také ve Francii, Německu a dalších vyspělých zemích. 
Ekologická výroba vodíku elektrolýzou pomocí elektřiny, získané z nadbytečné produkce obnovitelných zdrojů – solární, větrné a dalších – umožní skladovat vodík pro období zvýšené spotřeby v podzemních jeskyních nebo ve vyčerpaných ložiscích zemního plynu. Vodík je vhodným mediem pro akumulaci energie nejen k vyrovnávání krátkodobých výkyvů výroby a spotřeby, ale také dlouhodobějších – sezonálních výkyvů (viz graf).
Detailní znalost a důsledné řízení rizik jsou nezbytné
K získání souhlasu s transformací i jen části plynárenské sítě je zcela nezbytné důkladné vyhodnocení všech rizik, protože vodík může – s ohledem na své fyzikální vlastnosti – být za určitých okolností mnohem destruktivnější než zemní plyn. DNV GL se už věnuje více než 30 let například problematice materiálů, používaných ve styku s vodíkem a jejich degradaci. Velká část britských lokálních distribučních sítí zemního plynu je v posledních letech vybavována polyetylénovými trubkami, které jsou vůči vodíku resistentní. Tento program bude pokračovat až do roku 2030. V případě přechodu na vodík bude nutné existující vysokotlaké přenosové potrubí na zemní plyn vyměnit za nové vodíkové přenosové potrubí. Zatím se komerční  vodíkovody stavějí z uhlíkových ocelí, odolných vůči křehnutí. Vodík se v potrubí může díky své nižší hustotě přepravovat až třikrát rychleji než zemní plyn. Samozřejmě budou zapotřebí nové metody detekce (unikání) plynu a havarijní procedury s tím, jak se postupně bude zvyšovat obsah vodíku v sítích zemního plynu. Na tom všem se už intenzívně pracuje.
Projekty HyStart a HYREADY
V roce 2014 vytvořila společnost DNV GL studii proveditelnosti „HyStart“, která se zabývala všemi hlavními aspekty a řešeními pro větší pilotní ukázkový projekt vstřikování vodíku do sítě zemního plynu v koncentraci do 20 %. Zadavatelem studie byla britská společnost Northern Gas Networks and National Grid.
DNV GL je zároveň hlavním koordinátorem projektu evropského rozměru a podobného zaměření jako HyStart - společného průmyslového projektu (JIP) s názvem HYREADY, zahrnujícího také evropské operátory přenosové a distribuční plynové soustavy. Cílem je příprava návodu injektáže vodíku do sítí zemního plynu buď ve formě čistého plynu, nebo v plynové směsi. Program zahrhuje všechny komponenty systémů zemního plynu.
Výhody vodíku
Změna využití stávajících plynárenských sítí pro vodík může ušetřit velké náklady, spojené s jinými technologiemi a umožnit plynulý přechod na vodíkové hospodářství. Emise CO2, spojené s produkcí vodíku budou v koncentrované podobě zachycovány efektivně v poměrně málo místech jeho produkce a mohou být ukládány do podzemí pomocí technologie CCS. Nynější plošné emise CO2, spojené s používáním zemního plynu u konečných spotřebitelů, tak budou anulovány. Vodík zruší riziko otrav kysličníkem uhelnatým. Čistý vodík také nabízí jako palivo specifické výhody u některých tepelných procesů. Vytvoření vodíkových sítí - infrastruktury - umožní i stále větší využívání „zeleného vodíku“, vyrobeného z obnovitelných zdrojů, jehož role do budoucna nesporně poroste a postupně nahradí výrobu vodíku z fosilních surovin, a tím i nutnost používání přechodné technologie CCS. Vodíkové sítě se stanou také levnější variantou dodávek vodíku pro vodíkové čerpací stanice, což umožní rozšíření využívání vodíkových vozidel, vybavených palivovým článkem s nulovými emisemi.
Akceptance využití vodíku jako zdroje tepla obyvatelstvem bude klíčová pro úspěch této transformace. Bude nesmírně důležité informovat veřejnost brzy, často, konzistentně a transparentně. Je přitom důležité pochopit, že lidé inklinují u rizik k intuitivnímu vnímání a rozhodování.
Závěry
Plynárenské firmy hledají cesty k přechodu od konvenčních paliv k nízkouhlíkovým energetickým zdrojům. Vodík je takovým potenciálním řešením budoucnosti nejen pro Velkou Británii. Bude ale ještě zapotřebí mnoho práce, protože tento proces nepřipouští žádné kompromisy v otázkách bezpečnosti. Není přijatelné jakékoliv přímé či nepřímé zvýšení rizika pro obyvatelstvo. Velkou překážku také představuje implementace a náklady s ní spojené. I když expertní studie považují variantu přechodu ze zemního plynu na vodík za nejvýhodnější alternativu z nákladového hlediska, budou náklady této transformace obrovské a bude se jednat o dlouhodobější proces. Bude vyžadovat nové vodíkové výrobní, skladovací a dopravní kapacity i výměnu koncových přístrojů uživatelů. Současné znalosti, technologický rozvoj a inovace umožňují hladké provedení této změny při současném rozvoji nových technických řešení a adaptaci technických standardů.
Společnost DNV GL s více než 40letou zkušeností a 2700 zaměstnanci na celém světě jsou účinnou podporou uvedeného směřování. První zprávu k problematice vodíku vydala společnost v roce 2007 a vyvinula metodologii pro technologickou kvalifikaci zařízení a procesů pro použití vodíku pod názvem HYTREC. Od té doby soustavně pracuje na dalších výzkumných a vývojových projektech také ve spolupráci s Mezinárodní energetickou agenturou IEA, Evropskou komisí a mnoha průmyslovými partnery. DNV GL předsedala také odborné komisi, která v roce 2010 vytvořila dodatek 19 k vodíkové bezpečnosti IEA:  „Annex 19 on Hydrogen Safety“.   
I další země komplexně zkoumají možnosti vodíku
V roce 2016 vytvořila například GNV GL studii potenciálu komplexního využívání vodíku pro západní Norsko, finacovanou tamní regionální vládou. Ve studii byly identifikovány technologie, situace na trhu, potenciální místa výroby pomocí elektrolýzy a byly vytvořeny scénáře pro budoucí rozvoj vodíkových technologií a regionální kompetence. Přitom Norsko patří k velkým světovým producentům v oboru těžby ropy a plynu.
Poznámka: Jak jsme uvedli v reportáži ze Světové vodíkové technologické konference WHTC 2017 v Praze (v CzechIndustry 3/2017, str. 24-26) Japonsko se nachází na cestě k „vodíkové společnosti“, poté co v roce 2015 japonská vláda oznámila jako první na světě změnu energetické a průmyslové politiky a zahájení vodíkové éry. Světová veřejnost se o uskutečňování tohoto trendu bude moci přesvěčit již během olympiády v Tokiu v roce 2020, kdy má být dobudováno 160 vodíkových čerpacích stanic a na japonských silnicích se má pohybovat okolo 40 tisíc vodíkových aut a nejméně 100 vodíkových autobusů. Za posledních 7 let se mimoto v japonských domácnostech zprovoznilo více než 200 tisíc malých palivočlánkových zdrojů tepla a elektřiny (mCHP). 
Zdeněk Fajkus, Mnichov   
Pramen: zpráva „Hydrogen-Decarbonising Heat“ (2017)