Začnime pri CVVT. Ktoré subjekty okrem Technickej univerzity v Košiciach sú do tohto projektu zapojené a čo je základným poslaním centra?
Centrum výskumu vodíkových technológií vzniklo ako výsledok dlhodobej spolupráce troch výskumných inštitúcií v oblasti vodíka. Ide o Technickú univerzitu v Košiciach, Univerzitu Pavla Jozefa Šafárika a Slovenskú akadémiu vied. Základným poslaním centra je výskum a vývoj v celom reťazci vodíkových technológií. Od výroby vodíka cez jeho transport, uskladnenie, spaľovanie až po bezpečnosť využívania tohto plynu. Centrum je postavené na troch pilieroch: vzdelávanie, výskum a transfer technológií do praxe. Vytvorením centra sa intenzifikuje kooperačný potenciál a zlepšuje sa spolupráca s priemyslom. Ako príklad významných partnerov uvediem participáciu na vývoji a výrobe prvého vodíkového autobusu na Slovensku s firmou Rošero a spoluprácu so zahraničnými partnermi na vývoji vodíkového lietadla s možnosťou kolmého vzletu. Ide o firmu Sirius Aviation AG zo Švajčiarska.
V Národnej vodíkovej stratégii SR sa hovorí, že vodík je jednou zo základných komodít budúcej vyspelej ekonomiky. Skúsme to rozmeniť na drobné – v ktorých oblastiach hospodárstva či rezidenčnej sféry môže vodík a vodíkové technológie priniesť zásadný pokrok?
O vodíku sa hovorí ako o palive budúcnosti, pretože ako jediné palivo produkuje pri energetickom zhodnocovaní v palivových článkoch elektrickú energiu, teplo a čistú vodu. Keďže do procesu nevstupuje uhlík, neprodukujeme žiadne emisie CO2. Neprispieva tak k ohrievaniu našej planéty. V prípade, že na jeho spálenie s vodíkom využijeme palivové články, nedochádza ani k vzniku NOx. Základné uplatnenie vodíka je preto v doprave, pričom jeho aplikácia by mohla výrazne prispieť k skvalitneniu vzduchu v mestách a obciach. Uvažuje sa hlavne o nákladnej a mestskej hromadnej doprave. Využitie vodíka je však opodstatnené iba v prípade jeho výroby z obnoviteľných zdrojov, resp. z jadrovej energie. V opačnom prípade, teda keď je vodík vyrábaný z fosílnych palív, sa produkcii emisií uhlíka nevyhneme. Veľmi významnou oblasťou, kde by mohol vodík významne prispieť k dekarbonizácii, je hutníctvo a výroba ocele, kde by sa vodík použil na redukciu železa a nahradil by tak koks. Vodík môže čiastočne nahradiť zemný plyn pri vykurovaní domov a verejných objektov. Testy, ktoré už boli aj na Slovensku realizované, preukázali, že primiešanie 10 % vodíka do zemného plynu nemalo žiaden vplyv na prevádzku vykurovacích telies v domácnostiach.
Existuje niekoľko možností, ako sa dopracovať k výrobe vodíka a podľa tohto spôsobu dostal vodík rôzne prívlastky – zelený, modrý, sivý a pod. Ktorý z týchto spôsobov má v súčasnosti podľa vás v globále a naopak na Slovensku najväčšiu perspektívu?
Ak sa pozrieme na aktuálny stav výroby vodíka vo svete, tak z fosílnych palív sa vyrába viac ako 95 % a hovoríme teda o sivom vodíku, ktorého výroba je sprevádzaná vypúšťaním oxidov uhlíka. Využívanie takto vyrobeného sivého vodíka napr. v doprave je veľmi diskutabilné. Sivý vodík zníži emisie na mieste spotreby (napr. mestská doprava), ale emisie CO2 sa vyprodukujú na mieste jeho výroby. Pre spotrebiteľa je preto výhodnejšie a hlavne lacnejšie priame spaľovanie fosílnych palív. Ak sa pozrieme na modrý vodík, pri jeho výrobe produkujeme tiež emisie oxidov uhlíka, ale ten je zachytávaný a nie je uvoľňovaný do ovzdušia. Aj modrý vodík má veľký potenciál v národnom hospodárstve. Spadá sem aj vodík vyrobený elektrolýzou vody s využitím elektrickej energie produkovanej jadrovými elektrárňami. V prípade, že krajina produkuje menej ako 18 gramov CO2 na megajoul vyprodukovanej elektrickej energie, môže takto produkovaný vodík považovať za zelený. Virtuálnou zelenou farbou označujeme hlavne vodík vyrobený z obnoviteľných zdrojov, pri ktorého výrobe je produkcia CO2 nulová. V podmienkach Slovenska je preto výroba zeleného vodíka viazaná iba na dostatočné množstvo najmä fotovoltických, prípadne veterných elektrární. Perspektívne je udržateľná iba produkcia zeleného vodíka, avšak v najbližšej dobe bude prevládať výroba sivého vodíka hlavne pre rafinérie a chemický priemysel.
Na 1 kg vodíka vyrobeného elektrolýzou z vody je potrebné okolo 55 kWh elektrickej energie, čo možno prirovnať k výkonu jednej úplne nabitej batérie elektromobilu. To je stav, kde sa nachádzame v súčasnosti. Dá sa očakávať, že sa táto spotreba elektrickej energie na výrobu vodíka bude v budúcnosti znižovať?
Priestor na znižovanie stále existuje, avšak teoretické minimálne množstvo potrebnej elektrickej energie pri izotermických podmienkach je približne 32,7 kWh na 1 kg vyrobeného vodíka. Ak však upustíme od izotermických podmienok, môžeme časť elektrickej energie nahradiť tepelnou a znížiť tak energetickú spotrebu. Na tomto princípe fungujú vysokoteplotné elektrolyzéry, ktoré využívajú napr. odpadové teplo na ohrev elektrolytu. Pri PEM elektrolyzéroch je znižovanie spotreby vecou použitých materiálov, ktoré by mali vykazovať čo najnižší vnútorný elektrický odpor. Tu však treba hľadať kompromis medzi cenou a napäťovými stratami na elektródach. Intenzívne prebieha výskum v oblasti elektród pre elektrolyzéry, ktoré by prispeli k zníženiu celkovej spotreby výroby vodíka.
V rámci CVVT pracujete aj na nových typoch kompresorov či separátorov vodíka. V čom sa líšia od tých klasických a aké výhody pre vodíkovú infraštruktúru prinášajú?
V CVVT sa intenzívne venujeme hlavne nízkotlakovému uskladneniu vodíka absorpciou do kovových práškov, ktoré po zlúčení s vodíkom nazývame metalhydridy. Tie dokážu uskladniť bezpečne vodík pri súčasnej úspore kompresnej práce, keďže využívajú nízky tlak bežne nepresahujúci 5 MPa. Výhodou týchto materiálov je, že okrem uskladnenia vodíka je možné využiť aj ich ďalšie vlastnosti. Jednou z nich je to, že ak zohrievame zásobník s absorbovaným vodíkom, už aj pri 50-stupňovom ohreve dôjde k niekoľkonásobnému navýšeniu tlaku. Túto vlastnosť sme využili pri vytvorení metalhydridového kompresora, ktorý používa dva paralelne pracujúce zásobníky. Jeden zásobník absorbuje vodík pri zníženej teplote a druhý ho vypúšťa pri zvýšenej teplote, čím dôjde k značnému navýšeniu tlaku. Aby mohli zásobníky pracovať cyklicky, využívame na transport tepla medzi nimi tepelné čerpadlo. Veľkou výhodou takejto kompresie je to, že vodík neprichádza do kontaktu so žiadnymi pohyblivými časťami ako pri piestových, resp. turbokompresoroch. Naším cieľom je vyvíjať nové typy zliatin, ktoré dokážu extrémne navýšiť tlak pri čo najmenšej zmene teploty. Druhou zaujímavou vlastnosťou metalhydridou je, že dokážu absorbovať iba vodík. Všetky väčšie atómy a molekuly neabsorbujú, čo je možné využiť pri separácii vodíka zo syntéznych plynov.
Využitie vodíka v priemyselných procesoch je známe niekoľko desaťročí aj na Slovensku. Pozrime sa teda na využitie vodíka ako paliva v doprave. Veľa sa hovorí o vodíkových pohonoch osobných áut, ale najmä väčších dopravných prostriedkov – autobusov, vlakov, lodí či lietadiel. Ak by sme mali porovnať túto alternatívu s elektrickými pohonmi, ako to vyzerá z účinnosťou a dojazdom/doletom?
Vodík má pri tlakovom uskladnení (35, resp. 70 MPa) väčšiu energetickú hustotu na jednotku objemu v porovnaní s batériami a tým umožňuje dosiahnuť aj väčší dojazd. Účinnosť palivových článkov, ktoré sa používajú na výrobu elektrickej energie z vodíka, je 50 %. Táto hodnota je v porovnaní s účinnosťou akumulácie energie do batérií nižšia, ale výhodou je, že zvyšných 50 % energie predstavuje teplo, ktoré vieme využiť na vykurovanie dopravných prostriedkov a nemusíme míňať elektrickú energie a skracovať dojazd. Jeho maximálnu hodnotu dosiahla Toyota Mirai, ktorá prešla 1 000 km na 5,6 kg vodíka. Opodstatnenie vodíka ako paliva je hlavne v autobusovej a nákladnej doprave, kde má jeho využitie viacero výhod. Patrí medzi ne už spomínaný nezávislý zdroj tepla, rýchle tankovanie a vyšší dojazd.
CVVT vytvorilo niekoľko zariadení a prototypov či už na uskladnenie vodíka – palivové nádrže, alebo v rôznych typoch dopravných prostriedkov s vodíkovým pohonom. Mohli by ste ich stručne predstaviť a uviesť, v čom je ich originalita a výnimočnosť?
Vyvinuté palivové nádrže sú postavené na už spomínanej metalhydridovej technológii. Vytvorili sme zásobník, ktorý umožňuje absorpciu väčšieho množstva vodíka, ako je to pri zásobníkoch s rovnakou veľkosťou a tlakom 70 MPa (700 bar). Náš zásobník má pritom prevádzkový tlak iba 2,5 MPa. Vodík je v nich chemicky naviazaný, a preto sú výnimočné svojou bezpečnosťou. Vyžadujú teplotný manažment, pretože pri absorpcii vodíka generujú teplo a treba ich chladiť. Naopak, ak z nich chceme vodík vypustiť, musíme teplo priviesť. Môže sa to zdať ako komplikácia, ale vhodným zakomponovaním zásobníka do dopravného prostriedku dokážeme využiť absorpčné teplo napr. na vykúrenie vnútorného priestoru už pri tankovaní. Pri desorpcii vodíka vieme použiť malú časť tepla z palivového článku. Tieto zásobníky sme zakomponovali aj do prvého nízkotlakového autobusu, ktorý sme vytvorili s naším priemyselným partnerom s firmou Rošero. Autobus je určený pre mestskú hromadnú dopravu a umožňuje dojazd 180 km. Je do dostatočná vzdialenosť na jeden deň prevádzky. Vozidlo nosí iba toľko paliva, ktoré spotrebuje v daný deň prevádzky. Súčasne nie je zaťažené väčšou hmotnosťou metalhydridov. V súčasnosti disponujeme druhou verziou autobusu, ktorý prešiel homologizáciou a môže jazdiť po cestách. Vytvorili sme aj koncept vodíkového športového automobilu, ktorý reprezentuje našu víziu o budúcnosti vodíkových automobilov.
Odborníci z dopravy aj laická verejnosť často diskutujú o tom, či je potrebná najprv infraštruktúra vrátane vodíkových palivových staníc alebo dopravné prostriedky na vodíkový pohon. Má táto dilema riešenie? Aký je stav v oblasti využívania vodíka v doprave na Slovensku?
Vybudovanie vodíkových staníc je finančne značne náročné, pričom ich cena je často vyššia ako 800-tisíc eur. Vzhľadom na malú prvotnú vyťažiteľnosť sa však nemôžeme čudovať, že sa nikto nehrnie do ich budovania a následnej straty. Na druhej strane nie je ochota kupovať automobily, do ktorých nie je kde tankovať. Pravdepodobne je jedinou cestou štátna podpora, ktorá by mohla naštartovať výstavbu čerpacích staníc minimálne pre lokálnu autobusovú dopravu. Aktuálne máme na Slovensku iba dve čerpacie stanice, ktoré majú maximálny tlak 20 MPa. Je nevyhnutné postaviť stanice s tlakom 35 MPa pre nákladnú dopravu a 70 MPa pre automobily.
Energetici zase pozerajú na vodík ako na médium schopné uskladniť v sebe energiu, ktorá sa dá použiť v čase, keď bude dopyt na trhu vyšší ako ponuka. Na akom princípe a s akou účinnosťou fungujú systémy na uskladnenie energie na báze vodíka? Máme takéto technológie už reálne na Slovensku v prevádzke?
Medziuskladnenie energie vo forme vodíka je jednou z možností zlepšenia vyregulovania energetických sietí. V prípade prebytku elektrickej energie sa z nej v elektrolyzéroch vody vyrobí vodík, ktorý sa v prípade potreby opäť zlúči s kyslíkom v palivovom článku a vyrobí sa elektrická energia. Účinnosť elektrolýzy je na úrovni cca 60 % a účinnosť palivových článkov 50 %. Celková elektrická účinnosť je iba cca 30 %. Preto je medziuskladnenie energie možné iba v prípade nutnosti odľahčenia siete pri nízkych cenách energie. Ak by sme boli schopní využiť aj odpadové teplo s akumuláciou, mal by tento spôsob vyšší potenciál. Výhodnejšia sa javí výroba vodíka elektrolýzou vody z prebytkov elektrickej energie s následným odpredajom na tankovanie vozidiel. Na Slovensku prebieha výstavba 1 MW elektrolyzéra, ktorý by umožňoval výrobu vodíka a podieľal sa na stabilizácii siete. Nesmieme zabúdať, že výroba vodíka a jeho následné energetické zhodnotenie vyžaduje aj podporné systémy, napr. vodné hospodárstvo, keďže na rozklad treba využívať demineralizovanú vodu.
S akým časovým ohraničením treba počítať pri vodíkových systémoch na uskladnenie energie, keď je takto uskladnená energia ešte použiteľná? Dá sa hovoriť o degradácii vodíkových systémov na uskladnenie energie?
Uskladnenie vodíka môžeme rozdeliť do niekoľkých základných skupín: tlakové, kvapalné, absorpčné, adsorpčné a uskladnenie vo forme chemických hydridov. Pri tlakovom uskladnení sa využíva vysoký tlak, pri ktorom môže dochádzať k difúzii vodíka cez netesnosti spojov a rozvodov, ale pokles tlaku je pri bežnom uskladnení zanedbateľný, je preto možné hovoriť o stabilnom dlhodobom uskladnení. Pri kvapalnom uskladnení sa využíva teplota kvapalného vodíka na úrovni –253 °C. Zásobníky musia disponovať masívnou izoláciou a aj napriek tomu dochádza k transportu tepla do zásobníka, čo spôsobuje odparovanie vodíka a jeho bezpečné vypúšťanie do atmosféry. Dlhodobé uskladnenie je tak veľmi problematické. Pri absorpčnom uskladnení sa vodík absorbuje do materiálu, napr. do metalhydridov, kde ho možno často uskladniť dlhodobo aj pri izbovej teplote. Súčasne odpadáva aj problém s vysokým tlakom. Aj po dlhom čase dokážeme vodík získať bez jeho straty či znehodnotenia. Zásobníky umožňujú uskladnenie vodíka do cca 2 000 cyklov. Čiže prášková zliatina v nich umiestnená postupne degraduje vplyvom nečistôt vo vodíku. Následne je nutná regenerácia zliatiny pretavením v inertnej atmosfére. Pri adsorpčnom uskladnení sa vodík uskladňuje na povrchu materiálov s vysokým obsahom. Využíva sa štandardne chladenie tekutým dusíkom, a preto je dlhodobé uskladnenie značne problematické pre nutnosť udržiavania nízkej teploty.
Vodík patrí do skupiny technických plynov. Jeho výroba, preprava, skladovanie a využitie na priemyselné účely, dopravu či skladovanie energie musí byť preto podriadené platným technických a legislatívnym opatreniam. Čo je základom bezpečnosti vo všetkých fázach životného cyklu vodíka?
Je nevyhnutné myslieť na to, že vodík je horľavý plyn s nízkou iniciačnou energiou a širokým rozsahom výbušnosti (4 až 77 % vo vzduchu). Tomu bolo nutné prispôsobiť aj bezpečnostné predpisy. Samozrejme, je nevyhnutné vyvarovať sa prípadným únikom, otvorenému ohňu, statickej energii a vysokej teplote. Napr. vysokotlakové zásobníky v doprave sú vybavené TPRD ventilmi obsahujúcimi membránu z kovu, ktorý sa topí pri teplote okolo 105 °C. Ak dôjde k navýšeniu teploty zásobníka z externého požiaru, dôjde k pretaveniu membrány a vodík je potrubím odvedený na strechu dopravného prostriedku, aby sa zamedzilo výbuchu. Vodík je 14-krát ľahší ako vzduch, takže rýchlo stúpa do vrchných vrstiev atmosféry a rozptýli sa.
Aké výzvy bude potrebné prekonať a vyriešiť, aby sa vodík a vodíkové technológie udomácnili ešte vo väčšom meradle vo všetkých tých oblastiach, ktoré sme už spomínali? Ako sa na riešení týchto problémov môže a bude podieľať CVVT, súkromný a akademický sektor na Slovensku?
Veľmi podstatnou časťou rozšírenia tejto technológie nielen v doprave je výskum v oblasti zvyšovania účinnosti výroby a spaľovania vodíka, ktorý by viedol aj k značnému zníženiu finančnej náročnosti tejto technológie. CVVT prispieva k výskumu a vývoju nových materiálov na uskladnenie vodíka, ktoré by umožnili uskladnenie veľkého množstva vodíka pri malom tlaku a eliminovali tak vysokú spotrebu kompresorov. Okrem toho participujeme pri výskume všetkých častí vodíkového cyklu. Uplatnenie vodíka v doprave sa nezaobíde bez podpory na výstavbu a prevádzku čerpacích staníc. Podstatné je aj primiešavanie vodíka do zemného plynu s cieľom dekarbonizácie vykurovania, s čím súvisí aj príprava rozvodných systémov. Verím, že zelený vodík nájde skoré uplatnenie v našom každodennom živote.
Ďakujeme za rozhovor.
Anton Gérer
