Výroba zeleného vodíku z přebytků FVE a jeho využití v dopravě

Co je zelený vodík?

Aby mohl být vyrobený vodík považován za bezemisní palivo (zelený vodík), musí být elektřina, která elektrolyzér napájí taktéž bezemisní. To znamená, že musí buď přímo pocházet z obnovitelného zdroje, který je v místě výroby vodíku (v tomto případě ze střešní fotovoltaické elektrárny) nebo se musí jednat o elektřinu odebranou z elektrizační soustavy u které je garantován původ z OZE. Toho lze dosáhnout buď odběrem skrze PPA kontrakt (smlouva o dlouhodobé dodávce elektřiny, většinou uzavíraná na dodávku z OZE) nebo nákupem garancí původu elektřiny z OZE, které „ozelení“ elektřinu odebranou ze sítě.

Využití přebytků FVE pro výrobu vodíku

Technologie výroby vodíku je tak vhodné instalovat v provozech, které jsou spolu napájeny z obnovitelných zdrojů energie (OZE), např. ze střešních fotovoltaických elektráren (FVE). Toto schéma je vhodné mimo jiné proto, že výroba vodíku může být výhodnou alternativou využití přebytků energie z FVE. Konvenční využití těchto přebytků (přetoky elektřiny do sítě) se může stát neefektivním kvůli stále rostoucímu instalovanému výkonu FVE v české elektrizační soustavě a s tím spojeným poklesem ceny výkupu elektřiny z FVE. V některých případech může být z technických důvodů posílání přetoků do distribuční sítě dokonce zakázáno ze strany distributora.

Vyrobená energie slouží jako vstup do elektrolyzéru, ze kterého pak vyrobený vodík (H2) putuje do zásobníku ve formě stlačeného plynu. Tento plyn pak může být použit jako palivo, kdy při chemické reakci v palivovém článku (slučování vodík a kyslíku za vzniku vody) vzniká energie v elektrické a tepelné formě. Vzniklá elektřina pak ve voze pohání elektromotor.

Elektrolyzéry

Při výběru elektrolyzéru k výrobě vodíku přicházejí dva druhy průmyslových elektrolyzérů, alkalický (AEL) a PEM. Technologie alkalického elektrolyzéru (AEL) se v praxi využívá již desítky let (nikoli však pro energetické, ale pro chemické aplikace). Jako elektrolyt zde slouží draselný louh (KOH), který s sebou nese environmentální rizika, jež jsou spojena s výstavbou např. záchytné vany. AEL má také vyšší nároky na údržbu. Výstupní tlak vodíku je atmosférický (1 bar), který není vhodný pro následný transport a skladování. Pro účely skladování je tedy potřeba počítat i s dodatečnými kompresory. AEL je vhodné provozovat při konstantním výkonu. Změna výkonu je možná avšak reakce je v řádu desítek minut. Minimální provozní výkon je 20 %.

Naproti tomu PEM elektrolyzéry se vyznačují výrobní flexibilitou (schopností vyrábět vodík s měnícím se vstupním elektrickým příkonem), která je při napájení elektrolyzérů z intermitentního zdroje elektřiny (neřiditelné zdroje - sluneční či větrné) nutnou podmínkou. PEM elektrolyzéry rovněž zajišťují vyšší výstupní tlak vodíkového plynu (30-40 bar), což usnadňuje další manipulaci s tímto energetickým médiem. Energetická účinnost obou typů elektrolyzérů se v závislosti na konkrétním typu pohybuje mezi 60 a 70 %. Měrná cena PEM elektrolyzéru výrazně závisí na velikosti elektrického příkonu. Při příkonu nad 0,5 MW se měrná cena pohybuje kolem 1 000 000 EUR/MW.

                        

Schéma využití přebytečné energie z FVE pro výrobu vodíku (ÚJV Řež)

Využití v dopravě

Mezi v současnosti nejskloňovanějšími možnostmi energetického využití vodíku je využití v silniční dopravě, zejména pak v aplikacích, u kterých není možné reálně uvažovat o jejich dekarbonizaci prostřednictvím bateriových technologií. Mezi takové aplikace patří zejména pohon velkých a těžkých vozidel, které musí na jedno natankování ujet větší vzdálenosti (300-500 km), tedy kamionová či autobusová doprava. Taková vozidla mají zabudovanou nádrž o tlaku 350 bar a k jejich natankování jsou tedy potřeba speciálních plnící stanice. Rychlost tankování se u běžných vodíkových plnících stanic pohybuje okolo 60 g/s. Běžný vodíkový kamion s nádrží na 32 kg je tak například možné natankovat v čase srovnatelném s konvenčními dieselovými kamiony (do 10 minut).

Tato doba tankování je ovšem podmíněna tím, že je dostatek vodíkového plynu ve vysokotlakém zásobníku, který je součástí speciální plnící stanice. Pokud je tedy třeba doplňovat palivo pro více vozidel v krátkém časovém rozmezí, je nutné dostatečně dimenzovat vysokotlaký kompresor, který tlakuje vodíkový plyn z tlakové hladiny stacionárního zásobníku (40 bar) na tlak 400-450 bar (pro tankování vozidel s jmenovitým tlakem nádrže 350 bar). Vysokotlaký kompresor je součástí plnící vodíkové stanice a rychlost tlakování je u dnes běžně dostupných plnících stanic 23 kg/h. Při uvedených parametrech systému by tak natankování například deseti kamionů s nádrží 32 kg trvalo cca 12,5 hodiny. Tento čas je možné zkrátit dimenzováním systému (přidání dodatečné plnící stanice nebo vysokotlakých kompresorů).

Nabídka vodíkových kamionů je v současné době (1Q 2023) na českém trhu velmi omezená. Většina výrobců má buď svůj vodíkový tahač teprve ve fázi testovacího prototypu nebo jsou tyto vozidla vyráběna kusovou výrobou (nikoli sériovou) a jednotlivé kusy jsou již prodány na 2-3 roky dopředu. Typický kamion na vodíkový pohon má palivovou nádrž s kapacitou 30-35 kg. Při průměrné spotřebě při plném naložení návěsu 8 kg vodíku na 100 km, je pak maximální dojezd vodíkového kamionu 375-438 km.

Jaké jsou další technické a ekonomické aspekty využití vodíkového systému? Jak dimenzovat systém zahrnující fotovoltaickou elektrárnu a výrobu vodíku pro konkrétní lokalitu a aplikaci vodíku? Jaké jsou další možnosti využití vodíku? Napište nám na obchod@enerfis.cz, případně zavolejte na +420 222 766 950.