Čo je zelený vodík a prečo ho potrebujeme

Nastal správny čas využiť potenciál vodíka a zohrávať kľúčovú úlohu pri riešení kritických energetických výziev. Nedávne úspechy technológií v oblasti energie z obnoviteľných zdrojov a elektrických vozidiel ukázali, že politické a technologické inovácie majú silu budovať globálne odvetvia čistej energie.

Vodík sa stáva jednou z hlavných možností skladovania energie z obnoviteľných zdrojov pomocou palív na báze vodíka, ktoré potenciálne prepravujú energiu z obnoviteľných zdrojov na dlhé vzdialenosti – z regiónov s bohatými zdrojmi energie do energeticky náročných oblastí vzdialených tisíce kilometrov.

Zelený vodík figuroval vo viacerých záväzkoch znižovania emisií na konferencii OSN o zmene klímy COP 26 ako prostriedok na dekarbonizáciu ťažkého priemyslu, diaľkovej nákladnej dopravy, lodnej dopravy a letectva. Vlády aj priemysel uznali vodík za dôležitý pilier hospodárstva s nulovou bilanciou emisií.

Green Hydrogen Catapult, iniciatíva Organizácie Spojených národov na zníženie nákladov na zelený vodík, oznámila, že takmer zdvojnásobuje svoj cieľ pre zelené elektrolyzéry z 25 gigawattov stanovených v minulom roku na 45 gigawattov do roku 2027. Európska komisia prijala súbor legislatívnych návrhov na dekarbonizáciu trhu EÚ s plynom uľahčením zavádzania obnoviteľných a nízkouhlíkových plynov vrátane vodíka a na zaistenie energetickej bezpečnosti pre všetkých občanov v Európe. Ambície zvyšujú aj Spojené arabské emiráty, pričom cieľom novej vodíkovej stratégie krajiny je udržať do roku 2030 štvrtinu globálneho trhu s nízkouhlíkovým vodíkom a Japonsko nedávno oznámilo, že zo svojho fondu pre zelené inovácie investuje 3,4 miliardy dolárov na urýchlenie výskumu, vývoja a podpory využívania vodíka v nasledujúcich 10 rokoch.

Pri opise vodíkových technológií sa môžete stretnúť s pojmami "sivá", "modrá", "zelená". Všetko závisí od spôsobu, akým sa vyrába. Vodík pri spaľovaní emituje iba vodu, ale jej tvorba môže byť uhlíkovo náročná. V závislosti od výrobných metód môže byť vodík sivý, modrý alebo zelený – a niekedy dokonca ružový, žltý alebo tyrkysový. Ekologický vodík je však jediným typom vyrábaným klimaticky neutrálnym spôsobom, v dôsledku čoho je nevyhnutné dosiahnuť nulovú bilanciu emisií do roku 2050.

Požiadali sme Dr. Emanuele Taibiho, vedúceho stratégie transformácie odvetvia energetiky Medzinárodnej agentúry pre energiu z obnoviteľných zdrojov (IRENA), aby vysvetlil, čo je zelený vodík a ako by mohol vydláždiť cestu k nulovej bilancii emisií. V súčasnosti pôsobí v Inovačnom a technologickom centre IRENA v nemeckom Bonne, kde je zodpovedný za pomoc členským krajinám pri navrhovaní stratégií transformácie odvetvia energetiky a v súčasnosti riadi prácu v oblasti flexibility energetických systémov, vodíka a skladovania ako kľúčových faktorov umožňujúcich energetickú transformáciu. Dr. Taibi je tiež spolukurátorom platformy strategickej inteligencie Svetového ekonomického fóra, kde jeho tím vyvinul transformačnú mapu vodíka.

Technológie ekologického vodíka

Čo ťa motivovalo k rozvoju vašich odborných znalostí v oblasti energetických technológií a ako k tomu prispieva tvoja práca v IRENA?

Bolo to počas mojej magisterskej práce. Absolvoval som stáž v Talianskej národnej agentúre pre energetiku a životné prostredie (ENEA), kde som sa dozvedel o trvalo udržateľnom rozvoji a energetike a o ich prepojení. Napísal som o tom svoju dizertačnú prácu v oblasti manažérskeho inžinierstva a rozhodol som sa, že toto je oblasť, na ktorú chcem zamerať svoj pracovný život. Po takmer 20-ročných skúsenostiach v oblasti energetiky a medzinárodnej spolupráce, doktorandskom štúdiu energetických technológií a čase strávenom v súkromnom sektore, výskume a medzivládnych agentúrach v súčasnosti od roku 2017 vediem tím pre transformáciu energetického sektora v IRENA.

Mojou prácou v IRENA je prispieť spolu s mojím tímom a v úzkej spolupráci s kolegami z celej agentúry a externými partnermi, ako je Svetové ekonomické fórum, k podpore našich 166 členských krajín pri energetickej transformácii so zameraním na dodávky elektriny z obnoviteľných zdrojov a jej využitie na dekarbonizáciu energetického sektora prostredníctvom zelených elektrónov, ako aj zelených molekúl, ako je vodík a jeho deriváty.

Čo je zelený vodík? Ako sa líši od tradičného "šedého" vodíka náročného na emisie a modrého vodíka?

Vodík je najjednoduchší a najmenší prvok v periodickej tabuľke. Bez ohľadu na to, ako sa vyrába, končí s rovnakou bezuhlíkovou molekulou. Spôsoby jeho výroby sú však veľmi rôznorodé, rovnako ako emisie skleníkových plynov, ako je oxid uhličitý (CO2) a metán (CH4).

Zelený vodík sa definuje ako vodík vyrábaný štiepením vody na vodík a kyslík pomocou elektriny z obnoviteľných zdrojov. Toto je veľmi odlišná cesta v porovnaní so sivou aj modrou.

Sivý vodík sa tradične vyrába z metánu (CH4), ktorý sa parou delí na CO2 – hlavného vinníka zmeny klímy – a H2, vodík. Sivý vodík sa čoraz viac vyrába aj z uhlia s výrazne vyššími emisiami CO2 na jednotku vyprodukovaného vodíka, a to až do takej miery, že sa často nazýva hnedý alebo čierny vodík namiesto sivého. V súčasnosti sa vyrába v priemyselnom meradle so súvisiacimi emisiami porovnateľnými s kombinovanými emisiami Spojeného kráľovstva a Indonézie. Nemá žiadnu hodnotu energetickej transformácie, práve naopak.

Modrý vodík sa riadi rovnakým procesom ako sivý, s dodatočnými technológiami potrebnými na zachytávanie CO2 vyprodukovaného pri štiepení vodíka z metánu (alebo z uhlia) a jeho dlhodobé skladovanie. Nie je to jedna farba, ale skôr veľmi široká gradácia, pretože nie je možné zachytiť 100 % vyprodukovaného CO2 a nie všetky prostriedky na jeho uskladnenie sú z dlhodobého hľadiska rovnako účinné. Hlavným bodom je, že zachytením veľkej časti CO2 je možné výrazne znížiť vplyv výroby vodíka na klímu.

Existujú technológie (t. j. pyrolýza metánu), ktoré sú prísľubom vysokej miery zachytávania (90 - 95 %) a efektívneho dlhodobého ukladania CO2 v pevnej forme, potenciálne oveľa lepšie ako modrá, že si zaslúžia svoju vlastnú farbu v "dúhe s taxonómiou vodíka", tyrkysovom vodíku. Pyrolýza metánu je však stále v pilotnom štádiu, zatiaľ čo zelený vodík sa rýchlo rozširuje na základe dvoch kľúčových technológií - obnoviteľnej energie (najmä zo slnečnej FV energie a vetra, ale nielen) a elektrolýzy.

Na rozdiel od obnoviteľnej energie, ktorá je dnes najlacnejším zdrojom elektrickej energie vo väčšine krajín a regiónov, sa elektrolýza na výrobu ekologického vodíka musí v nasledujúcom desaťročí alebo dvoch výrazne rozšíriť a znížiť svoje náklady najmenej trikrát. Na rozdiel od CCS a pyrolýzy metánu je však elektrolýza dnes komerčne dostupná a možno ju získať zviacerí medzinárodní dodávatelia práve teraz.

Riešenia zelenej vodíkovej energie

Aké sú výhody riešení energetickej transformácie smerom k "ekologickému" vodíkovému hospodárstvu? Ako by sme mohli prejsť na ekologické vodíkové hospodárstvo z miesta, kde sa v súčasnosti nachádzame, so sivým vodíkom?

Ekologický vodík je dôležitou súčasťou energetickej transformácie. Nie je to ďalší okamžitý krok, pretože najprv musíme ďalej urýchliť zavádzanie obnoviteľnej elektrickej energie na dekarbonizáciu existujúcich energetických systémov, urýchliť elektrifikáciu energetického sektora s cieľom využiť nízkonákladovú obnoviteľnú elektrickú energiu a nakoniec dekarbonizovať odvetvia, ktoré sa ťažko elektrifikujú – ako napríklad ťažký priemysel, lodná doprava a letectvo – prostredníctvom ekologického vodíka.

Je dôležité poznamenať, že dnes vyrábame značné množstvo šedého vodíka s vysokými emisiami CO2 (a metánu): prioritou by bolo začať dekarbonizovať existujúci dopyt po vodíku, napríklad nahradením amoniaku zo zemného plynu zeleným amoniakom.

Nedávne štúdie podnietili diskusiu o koncepcii modrého vodíka ako prechodného paliva, kým sa zelený vodík nestane nákladovo konkurencieschopným. Ako by sa ekologický vodík stal nákladovo konkurencieschopným v porovnaní s modrým vodíkom? Aký druh strategických investícií sa musí uskutočniť v procese vývoja technológií?

Prvým krokom je vyslanie signálu pre modrý vodík, ktorý nahradí sivú farbu, pretože bez ceny za emisie CO2 neexistujú obchodné dôvody na to, aby spoločnosti investovali do komplexného a nákladného systému zachytávania uhlíka (CCS) a geologického ukladania CO2. Keď je rámec taký, že nízkouhlíkový vodík (modrý, zelený, tyrkysový) je konkurencieschopný so sivým vodíkom, potom otázka znie: mali by sme investovať do zachytávania a ukladania oxidu uhličitého, ak existuje riziko uviaznutia aktív a ako skoro bude zelená lacnejšia ako modrá.

Odpoveď sa samozrejme bude líšiť v závislosti od regiónu. Vo svete nulovej bilancie emisií, k cieľu, ku ktorému sa zaväzuje čoraz viac krajín, by sa zvyšné emisie z modrého vodíka museli kompenzovať negatívnymi emisiami. Bude to niečo stáť. Zároveň boli ceny plynu v poslednom čase veľmi volatilné, takže cena modrého vodíka vo veľkej miere korelovala s cenou plynu a bola vystavená nielen neistote cien CO2, ale aj volatilite cien zemného plynu.

V prípade ekologického vodíka by sme však mohli byť svedkami podobného príbehu ako v prípade slnečnej FV energie. Je kapitálovo náročná, preto musíme znížiť investičné náklady, ako aj investičné náklady prostredníctvom rozšírenia výroby obnoviteľných technológií a elektrolyzérov a zároveň vytvoriť nízkorizikový odber s cieľom znížiť kapitálové náklady na investície do ekologického vodíka. To povedie k stabilným a klesajúcim nákladom na ekologický vodík na rozdiel od nestálych a potenciálne rastúcich nákladov na modrý vodík.

Technológie v oblasti energie z obnoviteľných zdrojov už dnes dosiahli úroveň zrelosti, ktorá umožňuje konkurencieschopnú výrobu elektriny z obnoviteľných zdrojov na celom svete, čo je predpokladom konkurencieschopnej výroby ekologického vodíka. Elektrolyzéry sa však stále nasadzujú vo veľmi malom rozsahu a v nasledujúcich troch desaťročiach potrebujú stupnicu o tri rády vyššie, aby sa ich náklady znížili trojnásobne.

Dnes je potrubie pre projekty ekologického vodíka na dobrej ceste k zníženiu nákladov na elektrolyzér do roku 2030 o polovicu. To v kombinácii s veľkými projektmi, ktoré sa nachádzajú tam, kde sú najlepšie obnoviteľné zdroje, môže viesť k tomu, že konkurencieschopný ekologický vodík bude dostupný vo veľkom rozsahu v nasledujúcich 5 až 10 rokoch. Modrému vodíku, ktorý je v súčasnosti stále v pilotnej fáze, tak nenecháva veľa času na rozšírenie z pilotného na komerčný rozsah, zavedenie komplexných projektov (napr. dlhodobého geologického ukladania CO2) v komerčnom rozsahu a konkurencieschopné náklady a na obnovu investícií vynaložených v nasledujúcich 10 – 15 rokoch.

Niekoľko vlád teraz zahrnulo technológie vodíkových palív do svojich národných stratégií. Vzhľadom na rastúce požiadavky na prechod na dekarbonizáciu hospodárstva a podporné technológie s vyššou mierou zachytávania uhlíka, čo by ste poradili tvorcom politík a subjektom s rozhodovacou právomocou, ktorí hodnotia výhody a nevýhody ekologického vodíka?

Na dosiahnutie nulovej bilancie emisií budeme potrebovať ekologický vodík, najmä pre priemysel, lodnú dopravu a leteckú dopravu. Najnaliehavejšie však potrebujeme:

1) energetická efektívnosť;

2) elektrifikácia;

3) zrýchlený rast výroby energie z obnoviteľných zdrojov.

Keď sa to dosiahne, zostane nám približne 40 % dopytu po dekarbonizácii, a práve tu potrebujeme ekologický vodík, modernú bioenergiu a priame využívanie obnoviteľných zdrojov energie. Keď budeme ďalej rozširovať energiu z obnoviteľných zdrojov s cieľom dekarbonizovať elektrickú energiu, budeme môcť ďalej rozširovať kapacitu energie z obnoviteľných zdrojov na výrobu konkurencieschopného ekologického vodíka a dekarbonizovať odvetvia, ktoré sa ťažko znižujú pri minimálnych dodatočných nákladoch.

Kde vidíte vývoj energetických technológií súvisiacich s vodíkom do roku 2030? Mohli by sme očakávať úžitkové vozidlá na vodíkový pohon?

Vidíme príležitosť na rýchle zavádzanie ekologického vodíka v nasledujúcom desaťročí, kde už existuje dopyt po vodíku: dekarbonizácia amoniaku, železa a ďalších existujúcich komodít. Mnohé priemyselné procesy, ktoré využívajú vodík, môžu nahradiť sivú zelenou alebo modrou za predpokladu, že CO2 má primeranú cenu alebo sa zavedú iné mechanizmy na dekarbonizáciu týchto odvetví.

V prípade lodnej a leteckej dopravy je situácia mierne odlišná. Palivá založené na ekologickom vodíku, ale v podstate identické s leteckým palivom a metanolom vyrobeným z ropy, sa môžu používať v existujúcich lietadlách a lodiach s minimálnymi až žiadnymi úpravami. Tieto palivá však obsahujú CO2, ktorý sa musí odniekiaľ zachytiť a pridať do vodíka, aby sa mohol opäť uvoľniť počas spaľovania: to znižuje, ale nerieši problém emisií CO2. Syntetické palivá sa môžu zaviesť pred rokom 2030, ak budú zavedené správne stimuly na odôvodnenie dodatočných nákladov na zníženie (nie odstránenia) emisií.

V nadchádzajúcich rokoch môžu lode prejsť na zelený amoniak, palivo vyrobené zo zeleného vodíka a dusíka zo vzduchu, ktoré neobsahuje CO2, ale budú potrebné investície na výmenu motorov a nádrží a zelený amoniak je v súčasnosti oveľa drahší ako vykurovací olej.

Vodíkové (alebo amoniakálne) lietadlá sú ďalej a budú to v podstate nové lietadlá, ktoré sa musia navrhovať, vyrábať a predávať leteckým spoločnostiam, aby nahradili existujúce lietadlá poháňané leteckým palivom – do roku 2030 to zjavne nie je možné: v tomto zmysle je ekologické letecké palivo – vyrábané kombináciou ekologického vodíka a udržateľnej bioenergie – riešením, ktoré možno zaviesť v blízkej budúcnosti.

Na záver, hlavnými opatreniami na urýchlenie dekarbonizácie do roku 2030 sú 1) energetická efektívnosť 2) elektrifikácia s obnoviteľnými zdrojmi energie 3) rýchle urýchlenie výroby energie z obnoviteľných zdrojov (čo ešte viac zníži už aj tak nízke náklady na elektrinu z obnoviteľných zdrojov) 4) rozšírenie udržateľnej, modernej bioenergie, ktorá je okrem iného potrebná na výrobu ekologických palív, ktoré si vyžadujú CO2 5) dekarbonizácia šedého vodíka zeleným vodíkom, , čo by prinieslo rozsah a znížilo náklady na elektrolýzu, čím by sa ekologický vodík stal konkurencieschopným a pripraveným na ďalšie rozšírenie v roku 2030 smerom k cieľu dosiahnuť nulovú bilanciu emisií do roku 2050.

Svetové ekonomické fórum dlhodobo podporuje agendu čistého vodíka od roku 2017, pričom okrem iného pomohlo pri vytváraní Rady pre vodík, pri vytváraní výzvy pre inovácie v oblasti vodíka v partnerstve s iniciatívou Mission Innovation a pri vytváraní platformy Mission Possible spolu s Komisiou pre energetickú transformáciu s cieľom pomôcť pri prechode odvetví s ťažkou bilanciou emisií na nulovú bilanciu emisií do roku 2050. Prečítajte si viac o iniciatíve Urýchlenie čistého vodíka tu.