Mezi základní fyzikální vlastnosti energie patří, že ji nelze přímo skladovat (akumulovat). Umíme využívat zásoby nosičů energie (kupř. uhlí, dřevo, plyn apod.) a v případě nejčistší formy energie – elektřiny – se ji učíme spolehlivě a efektivně skladovat. Nejčastěji v bateriích (akumulátorech) či setrvačnících. Obě řešení jsou ovšem drahá a neposkytují dostatečně vysokou kapacitu. Pro energie v řádech stovek kWh a vyšších budujeme a využíváme technologii přečerpávacích elektráren. Řada vědeckých týmů se však zabývá výzkumem možností akumulace a exploatace energie jinými způsoby. Velmi nadějně si počínají vědci a technici v Řeži u Prahy. Na standardní střechu jídelny zdejšího výzkumného ústavu nainstalovali fotovoltaické panely. K nim připojili objekt pro akumulaci energie s elektrolyzérem, zásobníkem stlačeného vodíku a s palivovým článkem. Elektrolyzér v době slunečního svitu vyrobí vodík a uskladní ho do zásobníku. V době zvýšené poptávky po elektřině a při nedostatku slunečního svitu lze citovaný vodík zpětně použít k výrobě elektřiny. Dosavadní výsledky ukazují, že plná vodíková nádrž (cca 150 kWh využitelné energie) by i v případě naprosté tmy dokázala udržet domácnost v běžném chodu až tři týdny, bez nutnosti napojit se do rozvodné sítě. „Naše měření prokázala, že účinnost přeměny elektřiny na vodík a zpět na elektřinu přesahuje už 30 %, což v tuto chvíli pro účely dlouhodobého skladování nedokáže žádný jiný systém,“ zhodnotil experiment Ing. Aleš Doucek, vedoucí oddělení Vodíkové technologie ÚJV Řež, kterého jsme se zeptali: „Velkokapacitní baterie a setrvačníky poputují do muzea?“ „Abychom uskladnili stejné množství energie do olověné baterie, potřebovali bychom jich zhruba 200 o celkové hmotnosti přibližně 5 t. Klasické baterie navíc v tuto chvíli ve vývoji ustrnuly. Nemají už žádný potenciál na zlevnění – oproti vodíkové koncepci. S otazníkem je konkurenceschopnost lithium-iontových baterií, jejichž cena postupně klesá. Věříme, že náš systém akumulace energie ve vodíku má budoucnost. V případě využití vysokotlakých nádob lze skladovací nádrž zmenšit do velikosti svazku klasických plynových lahví. Kapacitu lze navíc flexibilně a levně navyšovat sériovým zapojením více nádob,“ říká Aleš Doucek. Experiment, anebo př edstupeň příš tího vo díkového ho spo dářství ? Vodíkové hospodářství zahrnuje široké spektrum technologických kroků, které umožňují konverzi elektrické energie na energii chemických vazeb vodíku, jeho uskladnění a následnou konverzi zpět na elektrickou energii. Ať již k posunu jejího využití v čase (exploatace vodíku k akumulaci energie), nebo v prostoru (využití jako paliva v dopravě). Vodík tedy nefiguruje jako klasické palivo. Je nosič, do něhož lze primární energii uložit. K hlavním přednostem této koncepce patří akumulace značného množství energie a možnost přímé elektrochemické konverze. Klíčovými technologiemi vodíkového hospodářství jsou dva základní elektrochemické procesy: » palivový článek, jenž zajišťuje přímou konverzi chemické energie vodíku na energii elektrickou a » elektrolýza vody, jako prostředek k uložení elektrické energie v podobě energie chemických vazeb. Nezbytnou součástí vodíkového hospodářství je také skladování vodíku, které se nejčastěji realizuje v tlakových nádobách za tlaků až 70 MPa, nebo v kryogenních nádobách v kapalné formě. Ve vývoji jsou též metody skladování pomocí sorbentů a kovových nebo chemických hydridů. Vodíkové hospodářství lze využívat dvěma limitními způsoby a jejich kombinacemi: první představuje uložení přebytečné energie v době nízké poptávky po elektřině a zpětná konverze vodíku na elektrickou energii a teplo v době odběrových špiček. Druhé spočívá ve výrobě vodíku jakožto finálního produktu a jeho exploataci jako paliva v dopravním sektoru, příp. jako chemické suroviny. Druhý přístup umožňuje propojení energetického sektoru a trhu s pohonnými hmotami pro dopravu. Pro č zavádět vo díkovo u energ etiku také u nás? Rozvoj a exploatace fotovoltaiky se vnímá jako technické a ekologické řešení současných energetických potřeb. Při pokračujícím zlevňování výroby panelů je stále zajímavější i ekonomicky. Nicméně je spjato s řadou přírodních zákonitostí a objektivních limitů. Kupříkladu fotovoltaické panely na střechách nemusí vyrábět elektřinu v době, kdy ji aktuálně potřebujeme. „Solární panely zažívají svůj energetický vrchol kolem poledne, zatímco nejvyšší spotřeba domácností se dostavuje až ve večerních hodinách. A tady by mohly nastoupit vodíkové zásobníky,“ vysvětluje výzkumný záměr Karel Křížek, předseda představenstva a CEO ÚJV Řež. „V čase přebytku elektřiny se zásobník naplní a domácnost jí pak může využívat v případě potřeby, a to i dlouhodobě za nepříznivého počasí.“ Kombinace fotovoltaika-vodík je s to výrazně napomoci k decentralizaci výroby energie, což aktivně podpoří i Brusel v rámci nové Evropské energetické unie. Evropa přišla soláru na chuť a v řadě zemí mají s fotovoltaikou řadu zkušeností. Třeba v sousední SRN se instalují fotovoltaická zařízení tempem 5,5 GW ročně, z toho 60 % na střechách domů. Cena solárních panelů klesla za posledních 5 let o více než 60 %. Napojení na vodíkovou baterii by znamenalo větší míru nezávislosti na rozvodné síti. Jak se k této myšlence staví nejsilnější energ etická firma v ČR? Skupina ČEZ reagovala na trendy k zelené a decentralizované energetice založením společnosti ČEZ ESCO. Ta bude firemním zákazníkům nabízet energetická řešení na míru, včetně dodání, instalace a údržby fotovoltaických panelů. ÚJV Řež proto bude pokračovat v dalším testování systému propojení fotovoltaiky s vodíkovou baterií, aby byly k dispozici komplexnější data o spolehlivosti a životnosti jeho jednotlivých součástí. V Řeži souběžně probíhá vývoj alkalického elektrolyzéru, který by se měl vyznačovat nižšími investičními náklady než doposud používaný elektrolyzér typu PEM. V případě budoucí sériové výroby budou náklady na systém akumulace energie ve vodíku nadále klesat. Jak funguje solárně-vo díková jednotka Řeži v reálu? Cílem pilotního projektu bylo vyvinout, realizovat a optimalizovat systém pro akumulaci elektrické energie ze solárního nebo jiného energetického zdroje s proměnlivým výkonem. Vývoj zařízení se uskutečnil v rámci projektu spolufinancovaného MPO ČR (Výzkum a vývoj pokročilých vodíkových technologií pro energetiku a dopravu), jenž probíhal v letech 2010 až 2014. Vývoj zařízení pro akumulaci energie disponoval rozpočtem cca 15 mil. Kč, přičemž asi 40 % bylo financováno z vlastních zdrojů ÚJV Řež. Partnerem této etapy byla společnost Photon Energy. Na zmíněnou střechu se umístilo 60 fotovoltaických panelů Gloria Solar 230 W o rozměrech 1652 × 992 mm a o celkovém výkonu cca 13 kWp. Střídače vyrobila firma SMA. Systém byl vybaven potřebnou technologií pro sběr dat. V roce 2013 je doplnil objekt pro akumulaci energie s elektrolyzérem, zásobníkem stlačeného vodíku a palivovým článkem. Zařízení vyrábí elektřinu pro pokrytí potřeb simulované domácnosti. Jakmile je vyráběné množství elektrické energie větší než aktuální spotřeba domácnosti, přebytečný výkon se ukládá v bateriích. Pokud jsou plně nabity, přebytečný výkon se využívá k produkci vodíku v elektrolyzéru. Vodík se následně skladuje v tlakové nádrži s maximálním pracovním tlakem 15 barů. V období, kdy okamžitá spotřeba domácnosti je vyšší než výkon solární elektrárny, je spotřeba krátkodobě pokryta z akumulátorů. V případě delšího nedostatku je skladovaný vodík zpětně přeměňován na elektrickou energii v palivovém článku. Vědci v Řeži použili elektrolyzér Hogen S40. Jako elektrolyt využívá protonvýměnnou membránu. Výrobcem je americká společnost Proton Energy. Maximální produkované množství vodíku činí 1,05 m3(N).h–1, což odpovídá 2,27 kg/den. Čistota produkovaného vodíku je 99,99995%. Obsah vlhkosti odpovídá rosnému bodu při teplotě –65 °C. Maximální výstupní přetlak vodíku je 13,8 baru. Deklarovaná spotřeba elektrické energie je 6,7 kWh.m–3(N), což odpovídá účinnosti elektrolýzy asi 53 %. Experimentální fotovoltaická elektrárna má dvě části: první (7,36 kWp) slouží k napájení elektrolyzéru pro výrobu vodíku s možností jeho použití pro pohon vozidel a také pro dlouhodobé uložení elektrické energie. Druhá část (5,5 kWp) slouží k testování ukládání energie pomocí olověných akumulátorů (krátkodobou zálohu energie). Funkci těchto systémů lze vhodně kombinovat tak, aby bylo zajištěno co nejefektivnější hospodaření s energií. V systému je použit palivový článek typu PEM od společnosti Fronius. Jeho maximální elektrický výkon činí 4 kW, při účinnosti asi 50 %. Obdobné množství energie je vyrobeno ve formě tepla. Palivem pro palivový článek je vodík o minimální čistotě 99,999 %. Celková účinnost akumulace energie se vyjadřuje jako součin účinnosti elektrolyzéru a palivového článku. Nezahrnuje zanedbatelnou spotřebu energie pomocnými systémy. Tabulka č. 2 shrnuje celkovou účinnost akumulace energie pro výkony nad cca 30 % maximálního výkonu, kde je dosahováno nominální účinnosti jednotlivých zařízení. Z výsledků vyplývá, že z hlediska energetické efektivity není vhodné provozovat jednotlivá zařízení při výkonech nižších než cca 30 % jejich maximálního výkonu. Systém akumulace na bázi vodíkových technologií je vhodné doplnit o krátkodobou akumulaci zajištěnou akumulátory. Co se týká predikce životnosti systému akumulace energie nejenom u nás, ale i ve světě, existuje jen minimum dat o životnosti palivových článků a elektrolyzérů. Většina výrobců PEM palivových článků dnes garantuje životnost stacku minimálně 4000 provozních hodin. V případě, že dojde k poklesu výkonnosti stacku, lze provést jeho výměnu. V případě jednotky akumulace energie by tak bylo dosaženo garantované provozní doby asi po 4,7 letech. V případě elektrolyzéru činí garantovaná životnost stacku minimálně 2,5 roku. Existují však studie předpovídající životnost elektrolytického stacku až 50 000 provozních hodin, tedy cca 30 let. Systém je živo taschop ný Roční provoz pilotního systému akumulace fotovoltaické energie do vodíku ukázal životaschopnost konceptu a otevřel cestu k dalšímu ladění jednotlivých parametrů. ÚJV Řež bude pokračovat v testování systému. Technici chtějí získat komplexnější data o spolehlivosti a životnosti jednotlivých součástí. V Řeži také probíhá vývoj alkalického elektrolyzéru, jenž by se měl vyznačovat nižšími investičními náklady než použitý elektrolyzér typu PEM (není nutné používat katalyzátory na bázi platiny nebo jiných drahých kovů, což povede ke značné úspoře). ÚJV Řež se také uchází o projekt financovaný FCH 2 JU (v rámci Horizon 2020), kde by se mělo testovat využití vodíku k pohonu vodíkového autobusu TriHy- Bus. Vědci analyzují rovněž možnosti transformace vyrobeného vodíku na syntetický zemní plyn (reakce vodíku a oxidu uhličitého) a jeho vtláčení do plynárenské sítě. Budeme již brzy jezdit na vo dík? Dalším důvodem pro implementaci vodíkového hospodářství je výrazná závislost dopravního sektoru na ropných palivech. Ačkoliv se odhady množství zbývajících světových zásob různí, faktem zůstává, že ropa patří mezi vyčerpatelné zdroje energie. Kromě toho většina jejích zásob se nachází mimo území ČR a musíme ji dovážet, často z politicky nestabilních oblastí. V roce 2015 bylo do ČR kupř. importováno cca 7 mil. t ropy (z toho 64 % z RF) a 0,6 mil. t ropných produktů. Dopravní sektor je také významným producentem znečišťujících látek (prach, oxid uhelnatý, oxidy dusíku a síry, skleníkové plyny). Využití bezemisních technologií (elektromobilita, vodíková auta apod.) v dopravě tak může významně přispět k nižšímu znečištění ovzduší. Auta na vodíkový pohon už nejsou chiméra budoucnosti. Nabízí je řada výrobců, mj. Toyota, Hyundai, Daimler nebo Honda. /aa/
