29.1.2023 | Svátek má Zdislava


ČISTÁ ELEKTŘINA: Nesnadná cesta

23.12.2022

Na první pohled se vodík jeví jako zřejmé řešení nejtěžších problémů skladování energie na podporu nestabilní výroby „obnovitelné“ energie. Zejména sezónní modely výroby větrné a solární energie vyžadují akumulační řešení, které dokáže absorbovat přebytečnou výrobu elektřiny po celé měsíce a poté uvolňovat uloženou energii po celý rok. Současná technologie baterií toho není schopna a to především proto, že pokud je ponechána v baterii rok, velká část akumulované energie se jednoduše rozptýlí, než bude použita. Pokud ale dokážete vyrobit vodík z jakéhokoli zdroje, můžete ho někde skladovat rok nebo i déle bez výraznějších ztrát. Problém je vyřešen!

No, s vodíkem musí být problém, jinak by se už používal ve velkém. A skutečně, i když se liší od problémů s bateriovým úložištěm, problémy s vodíkem jsou podobné velikosti. Zejména výroba velkého množství vodíku bez způsobení emisí skleníkových plynů, kterým se chceme vyhnout, se ukazuje jako extrémně drahá. A jakmile máte vodík, jeho distribuce a manipulace s ním je velkou výzvou.

Na rozdíl od kyslíku nebo dusíku, které jsou v atmosféře jako volné plyny všudypřítomné, zde není téměř žádný volně dostupný vodík. Buď je vázán v uhlovodících (fosilní paliva jako uhlí, ropa a zemní plyn), sacharidech (rostliny a zvířata) nebo vodě. Aby se získal volný vodík, musí být od jedné z těchto látek oddělen přidáním energie. Nejjednodušší a nejlevnější způsob, jak získat volný vodík, je oddělit ho od uhlíku v zemním plynu. To se obvykle provádí procesem nazývaným „parní reformování“, který odstraňuje uhlík ze zemního plynu ve formě CO₂, který uniká do atmosféry. Jinými slovy, výroba vodíku ze zemního plynu nenákladným procesem parního reformování nenabízí žádné výhody z hlediska emisí uhlíku ve srovnání se spalováním zemního plynu. Pokud tedy trváte na získání volného vodíku s nulovými emisemi uhlíku, musíte ho získat z vody procesem elektrolýzy. Vodík získaný z vody elektrolýzou je mezi environmentalisty známý jako „zelený vodík“, protože neprodukuje žádné uhlíkové emise. Bohužel proces elektrolýzy vyžaduje velmi velké množství energie.

Kolik bude stát výroba zeleného vodíku jako úložného média pro síť tvořenou převážně větrem a sluncem? Dosud se ale téměř zelený vodík nevyrábí , protože elektrolýza je mnohem dražší, než parní reformování zemního plynu a proto je bez státních dotací nerentabilníne. Výroční energetický dokument JP Morgan Asset Management 2022 uvádí: „Současná produkce zeleného vodíku je zanedbatelná… „.

Neexistují tedy žádné fungující rozsáhlé projekty, z nichž bychom mohli odvodit, jak drahý bude zelený vodík. Při tomto nedostatku jsem zvážil výpočet, kolik kapacity solárních panelů by bylo zapotřebí k výrobě 288 MW pevného výkonu pro danou zemi, kde by panely mohly buď dodávat elektřinu přímo spotřebitelům, nebo alternativně vyrábět vodík prostřednictvím elektrolýzy, skladovaný a poté spálený v elektrárně. (Hodnota 288 MW byla zvolena, protože GE (General Electric) vyrábí turbínu pro elektrárny na zemní plyn tohoto výkonu a tvrdí, že dokáže turbínu přeměnit na vodík jako palivo). Zde je výňatek z mé zprávy o tom:

Vezměme si zemi s konstantní potřebou elektřiny 288 MW... Potřeba elektřiny naší země může být zcela pokryta spalováním zemního plynu v elektrárně. Ale nyní předpokládejme, že chceme použít solární panely k zajištění energie a/nebo vodíku pro elektrárnu, které by stačily na napájení 288 MW po celý rok. Jakou kapacitu solárních článků potřebujeme vybudovat? Zde je výpočet:

Za rok země spotřebuje 288 MW × 8760 hodin = 2 522 880 MWh elektřiny.

Začínáme stavět 288MW solárních článků. Předpokládáme, že solární panely budou v průběhu roku vyrábět s kapacitním faktorem 20 %. (Ve velmi slunečných místech, jako je kalifornská poušť, může kapacitní faktor solárních panelů dosahovat až 25 %, ale na zatažených místech, jako je východní USA a napříč Evropou, je to výrazně pod 20 %; ve Spojeném království je typický kapacitní faktor solárních panelů pod 15 %). To znamená, že solární panely o výkonu 288 MW vygenerují za jeden rok pouze 288 × 8760 × 0,2 = 504 576 MWh.

Proto kromě 288 MW solárních panelů, které vyrábějí elektřinu přímo, potřebujeme další solární panely na výrobu vodíku, který se spaluje v elektrárně, postačující na výrobu zbývajících 2 018 304 MWh.

Při 80% účinnosti procesu elektrolýzy je k výrobě 1 kilogramu vodíku zapotřebí 49,3 kWh elektřiny. GE říká, že její 288MW turbína spotřebuje k výrobě plné kapacity 22 400 kilogramů vodíku za hodinu. Takže 49,3 × 22 400 = 1 104 320 kWh neboli asi 1 104 MWh elektřiny je potřeba k výrobě vodíku pro provoz elektrárny po dobu jedné hodiny. Za 1 104 MWh spotřebované elektřiny získáme zpět 288 MWh elektřiny vyrobené ze zařízení GE.

Vzhledem ke kapacitnímu faktoru solárních modulů 20 % musíme systém provozovat 8760 × 0,8 = 7008 hodin ročně. To znamená, že potřebujeme solární panely dostatečné k výrobě 7008 × 1104 = 7 736 832 MWh elektřiny.

K výrobě 7 736 832 MWh elektřiny pomocí solárních panelů - opět kvůli 20% kapacitnímu faktoru - potřebujeme panely s pětinásobnou kapacitou, tedy 38 684 160 MWh. Když to vydělíme 8 760 hodinami ročně, jako zálohu potřebujeme solární panely s kapacitou 4 416 MW jen k výrobě vodíku,.

Přidejte k tomu 288 MW solárních panelů, se kterými jsme začínali. Celková kapacita solárních panelů, kterou potřebujeme k výrobě 288 MW pevného výkonu se zeleným vodíkem jako zálohou, je tedy 4 704 MW.

Jinými slovy, pro využití zemního plynu stačí elektrárna o výkonu 288 MW k celoročnímu dodání 288 MW pevného výkonu. Použití solárních panelů plus zeleného vodíku pro zálohování však vyžaduje stejnou 288 MW elektrárnu na spalování vodíku plus 16násobný výkon, tj. 4 704 MW solárních panelů pro přímou dodávku elektřiny a dostatek vodíku pro záložní generování.

Tento výpočet předpokládal kapacitní faktor 20 % pro výrobu solárních modulů v průběhu roku. Bylo zjištěno, že skutečné faktory kapacity solární energie se blíží 10-13 % v Německu , 10-11 % ve Spojeném království a 12,6 % v New Yorku . (V Kalifornii , kde je málo oblačnosti, je kapacitní faktor těsně nad 25 %). Pokud provedete stejnou sadu výpočtů s 10% kapacitním faktorem pro solární panely, potřebujete asi 9 936 MW solárních panelů, abyste poskytli svých 288 MW pevného výkonu za rok, s použitím zeleného vodíku jako úložného média.

Jinými slovy, potřebujete asi 35krát větší kapacitu solárních panelů, než kolik pevného výkonu chcete poskytnout. Mezi důvody tohoto obrovského rozdílu patří: polovinu času plně nesvítí slunce; když svítí slunce, je obvykle nízko na obloze; Místa jako Velká Británie, Německo a New York jsou zatažena častěji než jinde; a dochází ke značným energetickým ztrátám jak při elektrolýze vody, tak při spalování vodíku.

Kdokoli si zde může zkontrolovat mé výpočty. Jsem dokonale schopen dělat chyby. To si však již několik lidí ověřilo.

Pokusme se převést obrovské nárůsty kapitálových nákladů všech těchto solárních článků na velmi hrubé srovnání nákladů mezi výrobou 288 MW pevného výkonu ze solárních článků a zeleného vodíku oproti pouhému spalování zemního plynu v elektrárně. Náklady na turbínu a solární panely jsem získal ze zprávy Americké energetické informační agentury z března 2022. Použití těchto údajů poskytuje:

Náklady na turbínovou elektrárnu General Electric o výkonu 288 MW jsou přibližně 305 milionů USD a náklady na solární panely o výkonu 4 704 MW jsou přibližně 6,25 miliardy USD.

Pokud byste potřebovali 9 936 MW solárních panelů, protože žijete v zatažené oblasti, 6,25 miliardy dolarů by se změnilo na asi 13 miliard dolarů.

Podle mých velmi hrubých výpočtů , za předpokladu 20% kapacitního faktoru, by elektřina ze solárních panelů a skladování zeleného vodíku byla zpočátku asi 5 až 10krát dražší než elektřina z pouhého spalování zemního plynu. Za předpokladu faktoru solární kapacity 10 % by byla elektřina 10 až 20krát dražší.

A se vším, co bylo řečeno, jsme se stále nedostali k významným dodatečným technickým výzvám spojeným s manipulací s velmi lehkým, výbušným vodíkovým plynem. Několik příkladů ze zprávy:

Abyste vyrobili dostatek zeleného vodíku, který by poháněl svět, musíte elektrolyzovat oceán. Sladká voda je omezená a vzácná, zvláště v místech, kde je nejlepší solární energie, jmenovitě v pouštích. Při elektrolýze oceánu dochází nejen k elektrolýze vody, ale i soli, čímž vzniká velké množství vysoce toxického chlóru, který je nutné neutralizovat a zlikvidovat. Alternativně může být mořská voda před elektrolýzou odsolena, ale to vyžaduje další energii. Existují lidé, kteří pracují na řešení těchto problémů, ale řešení jsou ještě daleko a mohou být velmi nákladná.

Energetická hustota vodíku je jen asi 30 % hustoty zemního plynu. To znamená, že k přepravě stejného energetického obsahu vodíku jako zemního plynu potřebujete asi trojnásobek kapacity potrubí. Alternativně může být vodík také stlačen, ale to by také znamenalo dodatečné a potenciálně vysoké náklady.

Přeprava a manipulace s vodíkem je mnohem obtížnější než se zemním plynem. Využití stávající infrastruktury plynovodů pro vodík je velmi problematické, protože mnoho stávajících plynovodů je vyrobeno z oceli a vodík způsobuje praskliny v oceli. Výsledné netěsnosti mohou způsobit výbuch.

Celý příspěvek je zde .

S laskavým svolením EIKE.de pro NP přeložil P. Zinga