V rámci snah o ekologizaci energetiky a dopravy se mezinárodní tým, jehož součástí jsou i liberečtí vědci, zabývá možnostmi a problematikou ukládání plynného vodíku z obnovitelných zdrojů do podzemních (podpovrchových) úložišť v rámci CETP (clean energy transition partnership) projektu HyLife. Českou část výzkumu podpořila Technologická agentura České republiky (TA ČR) částkou 9,4 mil. Kč.
Ještě v roce 2020 se fosilní paliva v Evropské unii na hrubé dostupné energii [celková výrobu primární energie před odečtením energetických ztrát a vnitřní spotřeby — pozn. red.] podílely přibližně ze 70 %. Při spalování fosilních paliv se však uvolňují znečišťující látky, zejména oxid uhličitý. Jedná se o skleníkový plyn (GHG — greenhouse gas), který je spojován s globálním oteplováním a změnou klimatu. V posledních desetiletích se sice podíl fosilních paliv výrazně snížil a obnovitelné zdroje energie neustále přibývají, nicméně pořád to nestačí. V tomto trendu chce proto Evropa v rámci programu dekarbonizace pokračovat a Evropská komise usiluje o postupné omezování podpory fosilních paliv a přesun investic směrem k nízkoemisním zdrojům, čímž vysílá silný signál trhu i členským státům EU. Jednou z možností, jak cílů dekarbonizace dosáhnout, je masovější využívání vodíku. I ten se sice zatím vyrábí převážně za přispění fosilních paliv, ale postupem času jej bude možné v čím dál větším množství vyrábět za účasti „čisté“ energie (vodní, větrné, sluneční i jaderné). Kromě výroby a zpracování je ale potřeba zabývat se jeho bezpečným skladováním a distribucí. Perspektivní nosič energie v malé molekule Vodík má velký energetický potenciál a je v současnosti považován za jednu z možností „nového“ hospodářství založeného na bezemisních zdrojích energie. Při jeho „spalování“ vzniká neškodná vodní pára, což z něj činí atraktivní alternativu k fosilním palivům. Je však třeba dodat i to, že pokud ke spalování dochází na vzduchu, mohou se vlivem přítomnosti dusíku i kyslíku ve vzduchu, za vysokých teplot, tvořit také oxidy dusíku. I tyto látky představují nežádoucí znečišťující emise, a jejich omezení je proto jednou z významných technologických výzev při průmyslovém využití vodíku. Vedle samotné výroby a průmyslového využití vodíku představuje technologickou výzvu i jeho skladování a transport, neboť vodík má velice malou molekulu, špatně se stlačuje či kapalní. Zároveň má nižší energetickou hustotu na jednotku objemu a štěpením jeho molekuly se získá méně energie než u zemního plynu. Vodík však oproti zemnímu plynu a fosilním palivům nabízí ekologické výhody díky svému potenciálu téměř nulových emisí. Proto na zvýšení jeho výroby (například hydrolýzou vody) jako zdroje energie z obnovitelných zdrojů mají zájem i velké energetické společnosti a podporují výzkum v této oblasti. Ten probíhá mimo jiné v rámci již zmíněného mezinárodního CETP projektu HiLife. Vědci z Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace Technické univerzity v Liberci (CXI TUL) se v něm zaměřují na hodnocení vhodnosti podzemních úložišť vodíku v různých evropských lokalitách z mikrobiologického hlediska. „Pokud se bavíme o tom, že se mají globálně snižovat emise CO2, potřebujeme mít energetiku založenou na energii vyráběné čistou cestou, ideálně bezemisní. Při hydrolýze se pomocí elektrického proudu rozkládá voda na kyslík a vodík. Pokud je elektrická energie získávána z obnovitelných zdrojů, jako jsou solární nebo větrná energie, výsledný vodík je označován jako ‚zelený‘. Předpokládá se, že v budoucnu by se pro jeho výrobu mohla kromě obnovitelných zdrojů využívat i jaderná energie. A my hledáme vhodné lokality na ukládání tohoto ‚zeleného vodíku‘,“ říká RNDr. Alena Ševců, vedoucí Oddělení aplikované biologie CXI TUL, kde výzkum ve spolupráci se zahraničními partnery probíhá od října 2023. [A. Ševců se jinak na TUL zaměřuje na inovativní technologie v oblasti environmentálního inženýrství, přičemž cílem je zajištění efektivní a udržitelné úpravy vod — pozn. red.]
V popředí mezinárodního výzkumu
Mezinárodní tým, jehož součástí jsou i liberečtí vědci, hledá místa, kde by v Evropě bylo možné plynný vodík dlouhodobě ukládat do podzemních uložišť beze ztrát na množství i v kvalitě. Výzkum je realizován v rámci iniciativy CETPartnership. Jejím koordinátorem je jedna z největších výzkumných organizací Norska Norský vládní výzkumný ústav (NORCE), ale účastní se jí celá řada mezinárodních vědeckých a výzkumných partnerů, jako je německý Isodetect, francouzské organizace French National Geological Survey (BRGM — Bureau de Recherches Géologiques et Minières), Geostock a Národní institut pro výzkum digitální vědy a technologií (INRIA — Institut de recherche en informatique et en automatique) či Norská univerzita vědy a techniky (NTNU — Norwegian University of Science and Technology), i firem z průmyslu (např. Schlumberger či Lanxess). Česko zastupuje Technická univerzita v Liberci a českou část výzkumu podpořila jako součást programu Epsilon Technologická agentura České republiky částkou 9,4 mil. Kč. Hlavní řešitelkou projektu za TUL je Mgr. Kateřina Černá, Ph.D., z Oddělení aplikované biologie CXI TUL.
Velkou roli hraje mikrobiologie
Podle Kateřiny Černé je hlavním cílem libereckého týmu zkoumat skladování vodíku v podzemních úložištích z hlediska mikrobiologie. „To znamená standardizovat metodiky pro přímé použití v celoevropské vzorkovací kampani, studovat a charakterizovat mikrobiální diverzitu a dynamiku spotřeby vodíku v reálných vzorcích, prozkoumat strategie pro omezení mikrobiální aktivity a v zájmu zainteresovaných energetických společností i jejich dopad na obchodní rozhodnutí,“ přibližuje zaměření českého výzkumu doktorka Černá a dodává: „Nyní vstupujeme do závěrečné fáze, kdy na základě získaných dat shrneme naše znalosti v komplexní podobě databáze získaných dat a vydání doporučení pro provozovatele ukládacích míst.“ Upřesňuje, že vodík lze kromě podzemních struktur skladovat i nad zemí, jako stlačený plyn nebo kryogenní kapalinu. Zatímco v podzemí se vodík výhradně stlačuje, nad zemí se obvykle udržuje v různě velkých nádržích při tlaku 350 až 700 barů a skladuje při přibližně −233 °C, což je pochopitelně energeticky náročné. Plně kapalný vodík je pak nutné skladovat dokonce při přibližně −253 °C. Zatímco skladování v kapalné podobě má výhodu ve vyšší objemové hustotě ukládání energie, skladování v plynné podobě má nižší nároky na infrastrukturu a je výrazně ekonomičtější. „Vodík je pro energetický průmysl cennou surovinou. Už teď v menší míře jako obnovitelný zdroj energie slouží, ale při nesprávné manipulaci jde o nebezpečnou látku. Aby se jeho potenciál efektivně využil, je potřeba ho vyrobit ve velkém a někde i bezpečně uložit, podobně jako třeba zemní plyn,“ dodává Alena Ševců z TUL s tím, že ukládání vodíku do podzemí, kterým se v Liberci zabývají, se jeví jako ekonomicky i bezpečnostně schůdné řešení. Těsnost je nezbytná, skladování komplikují bakterie Jako úložiště vodíku se reálně jeví různé geologické formace, těsné natolik, aby plyny odsud neunikaly. Kateřina Černá připomíná, že úkolem libereckého výzkumu není hledat nové lokality, ale otestovat vhodnost podmínek v lokalitách stávajících. Liberecký tým společně s partnery v rámci projektu prozkoumal desítky vzorků podzemní vody z různých lokalit napříč Evropou. Doktorka Černá však poukazuje na skutečnost, že v podzemních úložištích, která jsou pro střednědobé až dlouhodobé skladování vodíku vhodným řešením (podobně jako třeba plynové zásobníky), protože mají nad sebou dostatečně těsnou vrstvu hornin a zeminy, mohou velký problém představovat prokaryotní organismy (bakterie a archaea). Zhruba třetina prokaryot je totiž schopna využívat vodík jako univerzální zdroj pro svůj metabolismus. A podzemní prostory, které přirozeně velmi bohatá mikrobiální společenství obsahují, není možné od prokaryot vyčistit. Přítomné mikroorganismy pak mohou tím, že vodík „konzumují“, působit významné ztráty objemu uloženého vodíku a také představují rizika pro provozní bezpečnost a zhoršení kvality i v důsledku tvorby sulfanu, což je nejjednodušší sloučenina síry a vodíku. Podle rozsahu mikrobiální aktivity, tedy množství bakterií a jejich druhového složení, jsou tak některé lokality pro zamýšlený účel vhodnější a jiné méně. „Naším úkolem je zkoumat, za jakých podmínek a do jaké míry a jak rychle uložený vodík bakterie zkonzumují. Podle toho se určuje, jestli je dané prostředí pro skladování z mikrobiologického hlediska vhodné. Jednou z nejlepších možností jsou určitě vyloužené solné kaverny, které jsou většinou na pobřeží Severního a Baltského moře. Vhodné solné formace se nacházejí také například na Blízkém východě. Tyto uměle vytvořené podzemní prostory jsou dostatečně těsné a vzhledem ke slanému prostředí tam přežije jen velmi úzké spektrum prokaryot, které navíc mají výrazně pomalejší metabolismy,“ vysvětluje Kateřina Černá.
Někdy stačí několik dnů… Zajímá to i firmy
O tom, že mikrobiologii berou vážně i velké energetické firmy, svědčí, že vědcům v rámci projektu HyLife dodávají vzorky podzemních vod z lokalit, které mají zájem využívat ve svých obchodních aktivitách. Chtějí vědět, kolik a jakých je v těch vodách bakterií a do jaké míry jsou schopné vodík spotřebovat. „Kromě mikrobiálních procesů zjišťujeme v projektu HyLife také, které hydrochemické parametry složení vod jsou důležité, jaké faktory nejvíce podmiňují mikrobiologickou vhodnost lokality. V některých nejaktivnějších vzorcích při laboratorních testech došlo k totální spotřebě vodíku už za několik málo dnů. Někde to trvalo podstatně déle a v řadě vzorků nebyla pozorována mikrobiální spotřeba vodíku vůbec. Pokud v určité lokalitě bakterie spotřebují 40 % vodíku, tak jde o neekonomickou variantu. Tyto výsledky dáváme firmám k dispozici, ale konkrétní zveřejnění výsledků není pochopitelně v jejich zájmu. Nashromážděná data máme a budeme je samozřejmě v odborných časopisech publikovat, ale anonymně, abychom obchodní zájmy firem neohrozili,“ říká Černá.
Budeme mít vodíkovody?
Velké farmy větrných či slunečních elektráren dodávají čistou energii, problém je ale v tom, že je vyráběná nárazově, když fouká. Stále se řeší, jak tu energii uskladnit, a vodík je jednou z cest. Zájem firem o jeho skladování v podzemních prostorách je dán tím, že se tam dá uskladnit velké množství energie za příznivou cenu. Výhodou také je, že tam vodík může být uskladněn podle sezonních potřeb. V létě, kdy svítí hodně slunce a bývá takové energie velký přebytek, se úložiště naplní, v zimě spotřebuje a na jaře se začne skoro prázdné úložiště znovu „napouštět“. Důležité ale podle doktorky Černé bude vyrobit vodík v místě úložiště, to znamená: vybudovat hydrolyzační stanice společně se zdroji ekologické elektrické energie v místech spojených s místem ukládání, tam provádět hydrolýzu a vodík pod tlakem ukládat do úložiště. Nicméně vzhledem k tomu, že spotřeba vodíku bude stoupat, bude nutné vyřešit i jeho transport. Podle Černé je reálné upravit současnou plynovou infrastrukturu na transport vodíku a stávající plynovody změnit na „vodíkovody“.
Jak experimenty v laboratoři probíhají
Výzkumníky zajímají anaerobní bakterie, které jsou aktivní v prostředí, kde není přítomen vzdušný kyslík, tedy hluboko pod zemí. Zkoumají vzorky odkysličené vody z hloubek několika set metrů pod zemí, z lokalit potenciálních zásobníků pro uskladnění vodíku. Při zkoumání je nežádoucí přítomnost kyslíku a veškeré experimenty tak probíhají v uzavřených bioreaktorech či anaerobních boxech. Na začátku experimentu je lahvička o objemu zhruba 100 ml, naplněná inertním plynem bez obsahu kyslíku. Se vzorky se pracuje ve sterilním laminárním boxu, aby se bakterie ve vzorku, běžně se v přírodě vyskytující, nekontaminovaly bakteriemi z prostředí laboratoře. „Lahvičku naplníme bez kontaktu s okolní vzdušnou atmosférou do poloviny vodou z konkrétní lokality a převrstvíme ji vodíkem pod přetlakem přibližně 1 bar. Přetlak v lahvičce zamezuje průniku kyslíku z okolního prostředí, takže lahvičky mohou být v průběhu experimentu skladovány v prostředí běžné laboratoře. Vzorky potom dlouhodobě inkubujeme za konkrétních podmínek (například různé teploty nebo různé přídavky živin). V průběhu experimentu sledujeme, jak rychle se vodík spotřebovává. To znamená, že v jednotlivých experimentálních lahvičkách monitorujeme pokles tlaku v čase a k tomu na plynovém chromatografu průběžně kontrolujeme složení plynů. Vidíme tak, že nad zpočátku dominujícím vodíkem začne třeba převládat metan nebo že vzniká sulfan. Kromě složení plynů monitorujeme také kapalnou fázi v jednotlivých lahvičkách, sledujeme vývoj pH a chemické i mikrobiologické složení vody a plynů v jednotlivých reaktorech. Dokážeme spočítat kinetiku spotřeby vodíku a zároveň identifikujeme, který mikrobiologický proces je za pokles zodpovědný. Zda je za tím třeba metanogeneze, kdy činností bakterií vzniká metan, nebo redukce síranu za tvorby sulfanu,“ přibližuje experimenty Kateřina Černá s tím, že spotřeba vodíku se mezi různými vzorky často výrazně liší. Ztráty podle ní byly někdy dramatické a rychlé, když se v konkrétním vzorku snížilo množství vodíku až o 80 %. Například při jednom 20denním experimentu bylo nutné už po šesti dnech vodík doplňovat, protože ho bakterie zcela spotřebovaly. Je to podle ní důkaz, že bakterie mohou v podzemních zásobnících hrát opravdu významnou roli.
Vyhodnocují se data, připravují počítačové modely
Mezinárodní projekt HyLife bude letos na podzim ukončen a vědci v něm zpracovávají dosud největší množství získaných dat ze vzorků odebraných v lokalitách napříč Evropou. Jde o solné kaverny, akvifery (podzemní vrstva, která obsahuje vodu), o vytěžená ložiska zemního plynu i aktuálně používané plynové zásobníky. „K tomu jsme dělali kinetiky spotřeby vodíku, inkubovali jsme vzorky s vodíkem a sledovali jsme, jak rychle bakterie vodík spotřebovávají. Na základě experimentů víme, že například metanogenní archea nebo sulfát redukující prokariota mohou pro ukládání vodíku do podzemí představovat významné riziko. Nyní naše závěry využijí kolegové pro tvorbu počítačových modelů, které se budou snažit přenést data z laboratorních podmínek do široké škály reálných zásobníků. Určitou míru nepřesnosti spojenou s takovouto aproximací budeme postupně eliminovat v dalších výzkumných aktivitách,“ říká doktorka Černá.
Pokračování v zaměření i na výzkum českých lokalit
Tým Kateřiny Černé dělal podrobné chemické analýzy ve vodách, nikoliv v horninách. To podle ní bude také potřebný krok, kterého se jistě ujmou další vědecké týmy. „My se specializujeme na vodu. V návaznosti na projekt HyLife máme podaný český projekt, ve kterém bychom se rádi zabývali vhodností českých lokalit pro skladování vodíku. Na konkrétní lokality se už některé projekty zaměřují, ale jsou to projekty čistě geologické, mikrobiologie se v nich ještě neřešila. Dnes už je ale jasné, že není možné ji přehlížet ani v lokalitách, kde v podzemních ultrabazických horninách vzniká vodík geologickou cestou. Jde o místa, kde ultrabazické (vyvřelé) radioaktivní horniny rozpukají, vzniklý prostor se naplní vodou a chemickou reakcí (například radiolýzou) se vodík vygeneruje přirozeně. Také horniny bohaté na železo nebo hořčík apod. mohou při své oxidaci produkovat vodík. Dřív tato místa nikdo nehledal, nyní jsou různé představy, jak je využít. A určitě zde významnou roli bude opět hrát mikrobiologie. My budeme řešit, jak je možné, že tam ten všechen vodík bakterie nespotřebují,“ přibližuje Kateřina Černá budoucí výzkum libereckého týmu.
Další dva evropské projekty na přirozený vodík
Letos v lednu se výzkumníci CXI TUL zapojili do dvou dalších evropských projektů zaměřených na přirozený vodík. Jedná se o projekty NEXT, který v rámci výzvy CETP sdružuje evropské aplikační agentury napříč Evropu, českou účast opět podpořila TAČR. Druhý projekt — H2-QUEST — je součástí evropského projektu Horizon Europe, který se zaměřuje na rozvoj čistého vodíku jako zdroje energie. Ten je součástí strategického projektu H2 Triangle zahrnujícího výstavbu lokálního vodíkového hospodářství a rozvoj vědecko-výzkumné činnosti v oblasti vodíku. Hlavními koordinátory jsou opět Norové (NORCE — Norwegian Research Centre a IFE —Institute for Energy Technology) a na realizaci se podílejí další evropské týmy i řada soukromých společností. „Na Zemi existují místa výskytu ultrabazických hornin, které při kontaktu s vodou podléhají chemickému procesu označovaném jako serpentinizace. Během této reakce dochází k přeměně minerálů bohatých na železo a hořčík a jedním z produktů je molekulární vodík, který se pak může šířit do nadložních vrstev, nebo až na samotný povrch. Dřív tato místa nikdo nehledal a byly pokládány spíše za geologické kuriozity. Nyní se však přirozený vznik vodíku jako další zdroj bezemisního vodíku stal zajímavým výzkumným tématem a jsou různé představy, jak přirozeně se vyskytující se vodík využít. Vodík však může vznikat i dalšími procesy, mimo jiné i biologicky. Z mikrobiologického hlediska si budeme klást otázky, jakého původu je studovaný vodík a jak je možné, že nebyl mikroorganismy během průchodu zemskou kůrou spotřebován. Během projektů budeme mít přístup na konkrétní lokality, kde byl dříve nalezený přirozený vodík, a budeme se mikrobiologickou problematikou zabývat přímo na místě,“ konstatuje doktorka Černá.
Mezinárodní sympozium HyLife bude v Liberci
Geologické skladování vodíku má pomoci vyrovnat sezónní výkyvy ve výrobě obnovitelné energie a podpořit stabilitu energetických sítí. „Je to trend, co se týče čistých energií a dekarbonizace, do kterého jsme se zapojili, a jsem přesvědčena, že i realizátoři geologických projektů si začínají uvědomovat nutnost zahrnout do projektů také mikrobiologický přístup. Umíme to a víme, jak dosáhnout užitečných výsledků,“ říká Alena Ševců. Ostatně to, že výzkum na CXI TUL má svoji váhu, potvrzuje podle ní i fakt, že v březnu se na půdě Technické univerzity v Liberci bude konat mezinárodní setkání projektu HyLife. /Jaroslava Kočárková/