Kvantový skok – ale kam?

Tiskem proběhla zpráva, že v Německu (Prenzlau) byla zprovozněna „údajně první hybridní elektrárna na světě kombinující výrobu elektřiny a tepla z obnovitelných zdrojů a vodíku“.

Na začátek je vhodné vysvětlit opatrnou formulaci zprávy o údajném prvenství. Již v roce 1891 dánský profesor fyziky Poul la Cour vyráběl vodík z elektřiny z větrných elektráren elektrolýzou vody, vyrobený vodík skladoval v plynojemu a následně využíval v plynových lampách k osvětlování objektů. Z následujícího popisu hybridní elektrárny poblíž Prenzlau je zřejmé, že v zásadě odpovídá historické koncepci Poula la Coura, ovšem realizované v současných technologických podmínkách.Popis hybridní elektrárny PrenzlauPro potřeby blogu si vystačíme se zcela elementárním výkladem principu funkce elektrárny:

Technologické systémy elektrárny Prenzlau
Zdroj: ENERTRAG (NSR)
Základem pilotního projektu elektrárny jsou tři větrné turbíny s nominálním výkonem 2 MWe. Ve standardním provozu dodávají elektřinu do elektrické sítě. V případě „nadvýroby“ elektřiny z větru, kdy provozovatel elektrické sítě aktuálně vyráběnou elektřinu nepotřebuje, je elektrický výstup z větrných turbín automaticky připojen na přívod elektrolyzéru, který rozkladem vody vyrábí vodík (120 Nm3/hod.) a kyslík (60 Nm3/hod.). Vodík je skladován v pěti nádržích (31 bar, celkem 1 350 kg) a může být následně dodáván např. do speciálních plníren pro „tankování“ do automobilů.
Vodíkové hospodářství bylo integrováno do větrné elektrárny především proto, aby bylo možné využít vodíku jako akumulačního média a zajistit tak výrobu elektřiny i v klimaticky nepříznivých podmínkách a takto vyrovnávat kolísavou výrobu elektřiny. Takže v případě potřeby je nashromážděný vodík přiváděn z nádrží, směšován s bioplynem (max. 70% vodíku) a výsledná směs je využívána jako palivo pro dvě CHP jednotky pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla.
Dostupné informační zdroje udávají příkon elektrolyzéru 0,5 MW, výkon CHP jednotek 2x0,35 MWe (roční výroba 2 776 MWh) a 2x0,34 MWt (roční výroba 2 250 MWh). Vodíkové hospodářství a CHP jednotky tedy zajišťují „vodíkem zálohovanou“ výrobu elektřiny v pásmu 0,7 MWe, tj. pouze malou část celkového instalovaného výkonu 6 MWe. Jedná se však o pilotní projekt, jehož cílem je prezentovat relevantní provozní výsledky, k čemuž postačuje i stávající skromná dimenze jednotlivých systémů. Jenom pro srovnání měřítek: stávající výkon větrných elektráren v Německu činí cca 27 000 MWe, přičemž ve „zvláště vydařených dnech“ kolísá jejich výkon v rozmezí 20 000 MWe za 24 hodin.
Takže nyní trochu realismu
Hybridní elektrárna je bezesporu velmi zajímavé technické dílo. Ovšem, jak je v poslední době zvykem, tak se na tyto výzkumné technické projekty nabaluje velké množství environmentalisticko-politického mediálního balastu. Většinou ve formě výkřiků o tom, že klasická energetika je tímto excelentním technickým řešením definitivně vyřízena a nacházíme se na prahu technologické revoluce směle směřující k energetickému komunismu s výrobou dostatku energie z obnovitelných zdrojů a vodíku. Pro některé profesionální zelené literáty z oblasti energetiky je to sice házení hrachu na zeď, nicméně dovolím si připomenout některé skutečnosti.
O vodíku
Nemá cenu nosit dříví do pěstěného lesa, proto technicky orientovaným čtenářům mohu doporučit stránky České vodíkové technologické platformy, kde naleznou velmi dobře zpracované informace o rozmanitých technologiích výroby vodíku, palivových článcích, vodíkových spalovacích motorech, účinnosti technologií, systémech skladování vodíku a bezpečnosti. Již po zběžném pročtení i nezasvěcený čtenář rychle zjistí, že pro techniky vodík rozhodně není a ani v budoucnu nebude jednoduché médium.
Vybudování vodíkové infrastruktury
Je zřejmé, že podmínkou smysluplnosti kombinace masivního využití OZE a velkovýroby vodíku z „přebytečné elektřiny“, řekněme v rámci technické koncepce elektrárny v Prenzlau, je existence rozvětvené a propracované vodíkové infrastruktury. Jedná se např. o využívání vodíku pro pohon statisíců až jednotek milionů vozidel a odpovídající infrastrukturu „čerpacích stanic“. Odhlédneme–li od řady technických problémů, zmíněných v odkazovaných textech technologické platformy, hovoříme minimálně o desítkách let intenzivního budování a bilionech eur nákladů. Již z tohoto hlediska může zůstat klasická energetika naprosto v klidu. Rovněž připomínám, že německá vláda vyhlásila v srpnu r. 2009 velmi ambiciózní plán zavádění elektromobilů (předpoklad 1 milion vozů do roku 2020), takže vozy na vodíkový pohon představují z tohoto pohledu konkurenční koncepci, zcela nepochybně z pohledu dalšího „odsávače“ státních dotací na výzkum technologií.
Cyklus „elektřina – vodík – elektřina“ aneb jak nám předci dávají na frak
Další potenciální možností je využití vodíku jako média pro akumulaci energie, což umožní regulaci výroby elektřiny z větrných a fotovoltaických elektráren dle potřeb síťových operátorů. Ovšem nic není zadarmo, až už hovoříme o energii nebo o penězích.
Technologická platforma udává účinnost výroby vodíku elektrolýzou vody ve výši cca 85% a ztráty energie pro vysokotlaké skladování v plynné fázi cca 30%, v kapalné fázi cca 40%. Za těchto podmínek jsme schopni vodík vyrábět a relativně krátkodobě přechovávat. Pro následnou velkovýrobu elektřiny ve spalovacích turbínách v paroplynovém cyklu lze předpokládat obdobné hodnoty jako pro nejmodernější turbíny na zemní plyn, tj. účinnost 60%. Dovolím si tvrdit, že nasazení vodíkových palivových článků ve výkonových rozmezích „velké energetiky“, řekněme v řádu alespoň stovek MW, je prozatím hudbou budoucnosti. Nicméně ani palivové články zřejmě nepřekročí účinnost 60%. Takže na konci tohoto technologického řetězce docházíme k výsledné hodnotě účinnosti akumulace elektřiny „přes vodík“ cca 30-35%. Nejenom z tohoto ale ještě z mnoha dalších technologických důvodů se předchozí generace techniků rozhodly elektřinu akumulovat jednodušeji, efektivněji a v podstatně větším množství, prostřednictvím potenciální energie vody v přečerpávacích vodních elektrárnách, a to s výslednou účinností akumulace energie cca 75%.
Braniborský premiér Matthias Platzeck označil elektrárnu Prenzlau za "kvantový skok kupředu" v oblasti zelené energetiky. Ovšem z hlediska účinnosti akumulace elektřiny začíná vodíková technologie skákat s výrazným handicapem oproti technologiím, které již desítky let používáme. Na druhou stranu je skutečně schopna splnit požadované technické zadání, tj. zajistit akumulaci energie. Zvláště v podmínkách, kdy pro uživatele a provozovatele není prioritní ekonomika projektů.
Potřeba přizpůsobení sítí masivnímu rozvoji obnovitelných zdrojů
Technická řešení typu hybridní elektrárny Prenzlau jsou logickým důsledkem prudce se zvyšujícího podílu větrných a fotovoltaických elektráren v elektrizační soustavě, které akcelerují potřebu výzkumu nejrůznějších forem akumulace velkého množství energie, protože výstavba přečerpávacích vodních elektráren stagnuje.
Vodíkové technologie jsou v energetice studovány více než sto dvacet let a již několikrát se v minulosti hovořilo o jejich brzkém přechodu do všední technické praxe. Ovšem stejně jako jiné technologie se musí vyrovnat s fyzikálními, technologickými, materiálovými a ekonomickými limity a matematicky řešeno se „systémovými okrajovými podmínkami“. A teprve budoucnost ukáže, zda budou všechny tyto limity a podmínky skutečně nastaveny tak, aby vodíková energetika opravdu překročila rámec výzkumných a demonstračních projektů typu elektrárny v Prenzlau a stala se nepřehlédnutelnou součástí energetického mixu.
(Psáno pro blog.iDNES)
Petr Nejedlý