První barrandovská vlaštovka

První barrandovská vlaštovka

První česká veřejná plnicí stanice na vodík už funguje. Na čerpací stanici Orlen, která stojí na pražském Barrandově, bude od března možné doplnit tuto alternativní energii do automobilů značek Toyota a Hyundai, které se už prodávají na českém trhu. K dispozici zde bude i zařízení pro plnění nákladních automobilů a autobusů. Byli jsme se tam podívat.

28 stanic do roku 2030

Vodík je klíčem k vytvoření dopravního ekosystému šetrnějšího k našemu životnímu prostředí. Potenciál vodíku sahá daleko za hranice dopravního ekosystému budoucnosti. Je to neocenitelný zdroj v mnoha průmyslových aplikacích. Skupina Orlen Unipetrol se rozhodla podpořit infrastrukturu této alternativy v dopravě, které mnozí předpovídají budoucnost. Ještě letos se otevřou první dvě čerpací stanice v Praze na Barrandově a v Litvínově. Do roku 2030 chce Orlen Unipetrol prostřednictvím své sítě čerpacích stanic Orlen Benzina provozovat 28 čerpacích stanic.

Vodíková infrastruktura pro silniční dopravu tak bude k dispozici ve velkých městech a na významných dopravních tepnách České republiky, čímž bude zajištěno napojení Česka na infrastrukturu okolních zemí. V Litvínově a Neratovicích chce navíc Orlen Unipetrol zřídit dvě vodíková distribuční centra a zpřístupnit vodík také železniční dopravě. V těchto dvou lokalitách pak bude bezemisní a nízkoemisní vodík i vyrábět. Kromě tradiční výroby z ropy bude vodík produkovat také elektrolýzou vody a membránovou elektrolýzou využívanou v chemických procesech za pomocí obnovitelné elektrické energie.

Bez dotací to nepůjde

Budování vodíkové infrastruktury ovšem nepostupuje nijak závratným tempem. U nás v Česku jsme teprve na startovní čáře. Plány sice byly jasné už dlouho před covidovou pandemií, ale ochromená ekonomika v letech 2020-2021 bezprecedentním způsobem narušila dodavatelsko-odběratelské vztahy po celém světě, a tak se realizace většiny projektů odsunula nebo výrazně prodloužila. Platí to i pro vodíkovou infrastrukturu v České republice. Od startu projektu společnosti Orlen Unipetrol v roce 2016 totiž uplynulo bezmála sedm let, než se podařilo postavit a uvést do provozu první veřejnou plnicí stanici na vodík v České republice.

Vodíková infrastruktura navíc není a ještě dlouho nebude z hlediska návratnosti vysokých investic výdělečným podnikáním, a tak se veškeré projekty neobejdou bez evropských nebo státních dotací. Platí to také pro projekty plnicích stanic společnosti Orlen Unipetrol, která v tomto případě mohla čerpat z fondů Evropské Unie. Ta pro Českou republiku na roky 2020-2027 vyčlenila rovných 960 miliard korun. Jejich součástí je i posílení biologické rozmanitosti, zelené infrastruktury v městském prostředí a snížení znečištění, což představuje podporu infrastruktury a nákupu vozidel na alternativní pohon, kam samozřejmě patří i vodík.

Orlen Unipetrol však při budování své sítě plnicích vodíkových stanic využil českého operačního programu Doprava. I z tohoto státního projektu je možné mimo jiné financovat veřejnou infrastrukturu pro čistou mobilitu (nabíjecí stojany pro elektromobily a čerpací stanice pro alternativní paliva). Smlouva s dodavatelem technologie byla uzavřena v roce 2020, veřejnou zakázku vyhrála společnost Bonett, která v Česku provozuje síť plnicích stanic pro vozidla na stlačený zemní plyn a současně poskytuje produkty a služby potřebné pro instalaci a servis vodíkových stanic.

Technologie z celého světa

Samotná výstavba vodíkové stanice na Barrandově probíhala v letech 2020-2022, zpoždění termínu dokončení způsobily výše zmíněné problémy při dovozu technologií, které pocházejí doslova z celého světa. Na Barrandově najdete plnicí stanici a technologie od anglické firmy Haskel, patřící do nadnárodního koncernu Ingersoll Rand, která je konfigurována pro optimální výkon na základě vstupního tlaku vodíku z různých zdrojů. Vodíkové stanice Haskel mají modulární konstrukci a nabízejí všechny potřebné možnosti doplňování paliva při 350 (nákladní automobily a autobusy) a 700 barech (osobní automobily).  Vodík je zde stlačován v různých fázích pomocí hydraulických busterů, aby se zvýšil jeho tlak až na 500, respektive 1000 barů a snížil objem. Vyšší tlak totiž umožňuje efektivnější proudění plynu při doplňování tlakových nádrží vozidla.

Přebytečné teplo z plynu, které vzniká během procesu komprese, odebírá tepelný výměník, celý proces je pak monitorován a řízen prostřednictvím elektronického ovládacího panelu v bezpečné zóně. Řídicí jednotka výdejního zařízení Haskel je při tankování propojena přes pistoli a víčko tlakové nádrže s řídicí jednotkou vozidla, aby byl optimalizován průběh tankování. Elektronika zařízení na Barrandově pochází od japonské firmy Tatsuno a experti z evropské centrály Tatsuna v Blansku také pomáhali s nastavením celého systému. V celém zařízení jsou umístěna odvzdušňovací potrubí, což zajišťuje bezpečný odvod vodíku během provozu. K ovládání vysoce stlačeného plynu během celého procesu se používají speciálně navržené vodíkové ventily a armatury. Systém dokáže vyprodukovat 500 až 600 kg vodíku denně (28 kg za hodinu). Kapacita hlavní nádrže pak umožňuje naplnit 20-30 osobních automobilů za den. Například Toyota Mirai má nádrž o kapacitě 5 kg vodíku.

Samotný proces plnění vozidla vodíkem je srovnatelný s tradičními způsoby tankování a nejvíce se asi podobá technologii na stlačený zemní plyn. Díky tomu bude plnicí stanice samoobslužná stejně jako u CNG. Tankovací zařízení využívá standardní měřicí systém, což znamená, že není potřeba stanovovat nějaký paušál, ale zákazník zaplatí za odebrané množství plynu, jak ukáže displej plnicí stanice. Platit se bude standardně na pokladně čerpací stanice pomocí hotovosti, kreditních či palivových karet, respektive aplikace Tankarta od Orlen Benzina. Co se týče ceny, zatím nebyla stanovena a předpokládá se, že se bude pohybovat na úrovni ceny vodíku v Německu. Její výše však úzce souvisí s distribucí a původem vodíku.

Aktuálně by mělo stačit zásobovat stanici na Barrandově přibližně 80-100 kg vodíku za týden. Pokud se však uskuteční plánovaný projekt využití vodíkového autobusu pražské MHD na pravidelné barrandovské lince, bude muset být plnicí stanice zásobována jednou až dvakrát za týden. Dne 26. ledna proběhla na barrandovské plnicí stanici kolaudace a byly již dokončeny všechny potřebné testy pro zajištění bezpečného provozu plnicí stanice.

Výroba a čištění vodíku

Hlavní metodou, která se v dnešní době používá k výrobě vodíku pro průmyslové použití, je parní reforming. V prvním kroku se výchozí surovina, například zemní plyn, sloučí s párou a s použitím heterogenního katalyzátoru se vyrobí syntézní plyn. Tato směs oxidu uhelnatého a vodíku se potom dále zpracuje. Protože se při této výrobní metodě používají fosilní paliva, nazývá se koncový produkt šedým vodíkem.

Šedý vodík je také možné vyrobit částečnou oxidací zbytků po rafinaci. Tento zbytkový materiál se s použitím kyslíku a páry zahřívá na velmi vysokou teplotu a výsledkem tohoto procesu je surový syntézní plyn. Jestliže se v následujícím procesu zachycení uhlíku z tohoto plynu odstraní oxid uhličitý (CO₂), získáme tím výsledný produkt, který lze využít pro palivové články.

Vodík v plnicí stanici na Barrandově pochází z litvínovské rafinerie, kde se vyrábí parciální oxidací těžkých zbytků po destilaci ropy. Jedná se tedy zatím o tzv. šedý vodík. Většinu spotřebuje samotná rafinerie například k odsiřování paliv, která zde vyrábějí, zbytek pak může být využit jako alternativní palivo v síti vodíkových plnicích stanic Orlen Benzina. Pro tyto účely však musí být dokonale čistý. Z Litvínova se expeduje vodík s čistotou 99,999 %, který je minimálně kontaminován. Čistota vodíku je pro použití v palivových článcích nezbytná a kvalita vodíku je v normách ČSN ISO 14 687 a ČSN EN 17 124.

Jaké jsou možnosti distribuce

Plynný vodík lze dodávat na místo použití buď ve vysokotlakých zásobnících, nebo potrubím. Přeprava ve vysokotlakých nádržích čelí podobným problémům jako skladování ve vysokotlakých zásobnících a lze ji usnadnit díky silniční nebo železniční dopravě. Proto je toto řešení flexibilní a vhodné pro dosažení jakéhokoli cíle bez potřeby nové infrastruktury.

Doprava vodíku potrubím je jedním z řešení do budoucna pro zvýšenou spotřebu vodíku. Stávající plynovody mohou přepravovat velké množství energie s nižšími náklady. Stávající infrastrukturu plynovodů lze po úpravách použít k přepravě vodíku.

Teoreticky by se potrubím pro přepravu metanu mohlo přepravovat téměř stejné množství energie v podobě vodíku. To však závisí na neporušenosti součástí potrubí, jako jsou armatury a potrubí. Je možné, že vodíková křehkost urychluje tvorbu trhlin a tím výrazně zkracuje životnost potrubí. Je také možné smíchat vodík se zemním plynem, aby se tato rizika zmírnila a omezily se potřebné úpravy potrubí. Pokud však podíl vodíku přesáhne 40 %, bude pravděpodobně nutné vyměnit díly, jako jsou kompresory a turbíny, aby se vyrovnaly s vyšším objemovým průtokem vodíku.

Z litvínovské rafinerie se aktuálně vodík přepravuje na plnicí stanici pomocí přepravního traileru a plní přepouštěním z jednotlivých sekcí do provozní nádoby. Ta bývá buď vysokotlaká s tlaky až 200 bar, nebo bývají velkoobjemové zásobníky s provozním tlakem do 50 bar. Velkoobjemové zásobníky mají lepší výtěžnost, přepravní trailer odjíždí s nižším zbytkovým tlakem vodíku. Zatím přepravu vodíku zajišťují pro Orlen Unipetrol externí partneři, ale časem by měla tuto služby zajišťovat dceřiná společnost Petrotrans. Právě přeprava do cílové destinace totiž výrazně ovlivňuje výslednou cenu vodíku na plnicí stanici.

Koncepce skladování podle využití

Pro společnosti není snadné orientovat se v současném stavu trhu s vodíkem a porozumět nejlepším dostupným řešením pro skladování. Je to zejména proto, že vodíkové technologie vyžadují pro zajištění bezpečnosti odborné znalosti. Velkou výhodou vodíku je, že jej lze dlouhodobě skladovat bez ztrát v plynném skupenství. Kromě toho lze využít velkou část stávající infrastruktury pro zemní plyn. Vodík má ovšem ve srovnání s jinými nosiči energie, jako je zemní plyn nebo ropa, nízkou objemovou hustotu energie při atmosférickém tlaku. To představuje menší problém ve stacionárních aplikacích, kde lze použít velké zásobníky s nízkým tlakem, na rozdíl od mobilních aplikací, kde jsou velikost a hmotnost nádrží velmi důležité.

Skladování vodíku na místě čerpací stanice pochopitelně vyžadují bezpečnostní koncepci a testování. Výzvy se vztahují především na vysokotlaké zásobníky a také samotné čerpací stanice. Kromě toho musí společnosti zajistit integritu součástí a také školení zaměstnanců pro bezpečnou manipulaci s vodíkem. Nejběžnější problémy, kterým společnosti čelí při přepravě a skladování vodíku, se týkají nákladů, bezpečnosti a dostupnosti kvalifikovaného personálu. Se správnými partnery lze tyto výzvy řešit pro získání náskoku před konkurenty a zmírnění rizik.

Zatímco nejslibnějším řešením pro většinu těchto scénářů je plynný vodík, probíhají nové diskuse o výhodách a nevýhodách kapalného vodíku. Bod varu vodíku je −252,9 °C. Kvůli svému kryogennímu bodu varu vyžaduje kapalný vodík buď chlazení na velmi nízkou teplotu pro bezpečné skladování, nebo musí být organicky vázán např. na tekutý organický nosič vodíku - LOHC. Zkapalněný vodík se skladuje účinným způsobem ve vakuově izolovaných nádržích, které je možné nainstalovat svisle nebo vodorovně. Dostupné jsou různé velikosti, od 3000 litrů až po nádrže na více než 100 000 litrů vodíku. K dispozici jsou také přepravitelné kontejnery na zkapalněný vodík s aktivním chlazením. Ty garantují prodlouženou dobu skladování v kombinaci s maximální bezpečností.

K velkoobjemovému skladování vodíku v plynném stavu se zase používají podzemní solné kaverny, v nichž se plyn musí před vstříknutím do kaverny nejprve vyčistit a stlačit. Kaverny naplněné vodíkem mohou sloužit jako záložní zdroj vodíku pro potrubní síť. Kavernu tohoto typu provozuje například společnost Linde v Texasu. Další formou přepravy vodíku je jeho doručení na místo použití v přeměněné podobě jako čpavek (NH₃) nebo methanol (CH₃OH). Alternativně je také možné skladovat vodík ve formě hydridů kovů. Molekuly vodíku jsou chemicky vázány ve struktuře kovové sloučeniny, zůstávají stabilní a nejsou v těchto nízkotlakých systémech nebezpečné při atmosférickém tlaku.

Bez velkých investic se neobejdeme

Vodík jako nosič energie nabízí vysoký potenciál pro strategie zaměřené na dekarbonizaci různých odvětví průmyslu a dopravy. Bohužel, léta byl základní prvek většiny sloučenin ve vesmíru opomíjen a vodíkové technologie hrály vedlejší roli. O to větší investice je nyní třeba vložit do vývoje nových technologií, které by byly využity ve prospěch lidstva, respektive modré planety, na níž žijeme.