Vodík

S ohledem na ceny zemního plynu se hodně hovoří o vodíku. Samozřejmě, o zeleném, jiná barva se už nenosí.

Jak to s ním ale opravdu je? Když jsem si zalistoval na webu, našel jsem vyjádření Elona Muska k tomuto zdroji https://emovio.cz/2022/05/20/musk-si-mysli-ze-vyuzivani-vodiku-ve-velkem-je-nesmysl-eu-na-nej-sazi/.

Je to opravdu tak špatné, anebo se Elon mýlí? Minulý týden jsem byl pozván na videokonferenci s Air Product ohledně možnosti ukládat přebytečnou energii ze solárních panelů do vodíku.

• Obnovitelný vodík je dostatečně zelený jen tehdy, vyrobí-li se z ekologické elektřiny. Tou je jen slunce nebo vítr, částečně ale i jaderná energie. Jinak je šedý …
• Na to, aby z této energie se vyrobil vodík, potřebujeme elektrolyzér a vodu
• Na výrobu 1 kg vodíku je potřeba cca 9 l vody a cca 50 kWh elektrické energie
• Hustota vodíku je 0,0899 kg/m3, objem odpovídající 1 kg vodíku je 11,2 m3 plynu
• Energetická hodnota obsažená ve vodíku je 33 kWh/kg

Když pomineme investiční náklady na elektrolyzér, pak cena energie pro výrobu 1 kg vodíku bude 50 * 5 CZK = 250 CZK/kg, resp. 22,3 CZK/m3.

I kdybychom vodík takto vyrobili, otázkou je, jak ho v kalírně spotřebovat. Většina privátních kalíren je již vybavena rekuperací tepla z chladící vody, tepelnými čerpadly, solárními panely. Tedy zpětné použití na vytápění hal je již vyřešeno jinými opatřeními.

Pokud máme elektricky topené pece, pak ani zde není žádné využití.

U plynem topených pecí lze vodík přidávat do zemního plynu, ale jedině tehdy, jsou-li topné trubice plně uzavřené a oddělené od pracovního prostoru. U otevřených hořáků to využít nelze, významně by se změnil uhlíkový potenciál atmosféry.

Smysluplné využití lze předpokládat, pokud provozujeme plasmovou nitridaci anebo, pokud se rozhodneme používat směs N2+5%H2 pro procesy žíhání nebo popouštění. V kalírnách Bodycote je to naprosto běžné např. ve Francii nebo v Čechách.

Tento tzv. formovací plyn má ale i širší použití, není problém jej využít pro kalení, pájení, rekrystalizační žíhání nerezových ocelí, sintrování. Přítomnost vodíku významně přispívá k redukci oxidů na povrchu, redukci kyslíku a vodní páry v atmosféře, a zajišťuje tak čisté, bezoxidické povrchy. Naopak u titanu a jeho slitin je vodík přímo zakázán, způsobuje vodíkovou křehkost.

Abychom měli atmosféru 100% eliminující oxidy, potřebujeme při 900 C mít parciální tlak kyslík pO₂ < 10^-16 bar, při 400 C pak  pO₂ < 10^-30 bar. Nemožnost dosáhnout práce těchto limitních tlaků se dá nahradit právě obsahem vodíku.,

Zdroj: Prezentace, Guido Plicht (Dipl. Ing.) Industry Manager, Metals Processing & EPAT, Air Products GmbH, 2015

Kolik toho vodíku ale potřebujeme? Standardní vakuová pec pro popouštění, rozměr 600x900x600 mm, má vnitřní objem zhruba 4 m3. Lze odhadnout, že na jeden proces bude použito 1,5x více plynu, tedy 6 m3. Při 3 procesech denně, 260 dnech v roce je to 4 680 m3 směsi N2+5%H2 za rok. Podíl vodíku ve směsi bude 234 m3 za rok, 0,9 m3 H2 denně. Abychom ale zúročili 1 kg vodíku z elektrolyzéru, musíme mít zhruba 10 popouštěcích pecí. To většina kalíren nemá. Vodík z elektrolyzéru o výkonu 1 kg denně nám bude přebývat.

I když AirProduct tvrdí, že malé elektrolyzéry na trhu nejsou, není to úplně pravdou. Např. Parker Hannifin vyrábí modely až do výkonu 1100 ml/min vodíku pro analytické účely, s výstupním tlakem až 7 bar. abs. Pokud to přepočtu na denní množství, v režimu 7/24, pak je to výkon odpovídající 1,5 m3 plynného vodíku za den, v čistotě > 99,9999 %. To už se zdá realistické i pro použití v kalírnách. Otázkou je, za jakou cenu.

Zdroj: https://ph.parker.com/cz/cs/series/hydrogen-gas-generators

Při potřebě 50 kWh na generování 11,2 m3 vodíku, na 1,5 m3 vodíku za den v musíme vložit zhruba 6,7 kWh energie. V nákladech je to 6,7 * 5 = 33,5 CZK denně, nebo 22,3 CZK/m3 vodíku. Pokud si pronajmu svazek 12 lahví, bude obsahovat 12 x 50 litrů x 200 bar vodíku o čistotě 3,0, tj. 120 m3. Cena za vodík bude cca dvojnásobná, 50 CZK/m3.  Elektrolyzér vodíku nevypadá tedy nerealisticky.

Pokud ale směs N2+5%H2 v kalírně doposud nepoužíváme, pak zavedení této směsi zvýší náklady kalírny. To je opak toho, co chceme. Minimálně hovoříme o nákladech na elektrolyzér, elektřinu na výrobu vodíku a náklady na mixér. Mixér je směšovač, který nám zaručí, že směs je namíchána ve správném poměru a obsah 5% vodíku nebude překročen. Nad tuto hranici se to stává výbušnou směsí. Protože se jedná o vyhrazené plynové zařízení, nelze si mixér vyrobit na kolenu. My jsme to řešili tak, že jsme si jej pronajali od Linde, cena byla cca 3 500,- Kč za měsíc. Ale to bylo…

Obr.č. 1 – Schéma rozvodů plynů s mixérem

Překážkou použití přebytečné energie ze solárních panelů není tedy ne-existence elektrolyzérů s malým výkonem, ani cena za takto vytvořený vodík, ale především ta skutečnost, že doposud vodík nedokážeme v kalírně řádně zužitkovat. …

Pokud bychom se rozhodli přebývající vodík skladovat a následně pak přeměnit na elektrickou energii, pak musíme počítat s tím, že 20–30% jeho energie je potřeba na stlačení např. na 350 bar, nebo v případě zkapalnění 30 – 40% na zmrazení na -253 C.

Účinnost palivového článku pro zpětné získání elektrické energie je cca 50 %. Z 1 kg vodíku je po dodání kyslíku palivový článek schopný vyrobit 16 kWh elektrické energie + 16 kWh tepla + čistou vodu. Pokud tedy již vodík vyrobím, pak jeho výroba a zpětná proměna na elektrickou energii bude s celkovou účinností 20 až 30%.

Vypadá to tedy, že ten Elon Musk má pravdu. Pokud bychom chtěli ukládat přebytečnou energii do vodíku a pak ji zpětně přeměnit na elektřinu, pro kalírny tudy cesta nevede. A pokud bychom se chystali vodík přidávat do zemního plynu u plynem topených pecí, pak musíme vzít v úvahu, že zemní plyn je nyní nechtěné dítě, a dříve nebo později do roku 2030 se jej budeme muset zbavit.

Pouze u kalíren s plasmovou nitridací, nebo již nyní používající směs N2+5%H2 to stojí za úvahu. Samovýrobu vodíku lze zajistit za nižších nákladů, nežli dnes nakupujeme vodík v lahvích, a současně v daleko větší čistotě.

Když se tedy vrátíme na začátek, k otázce, co s přebytky elektrické energie ze solárních panelů, odpověď je jednoduchá. Konverze na vodík a zpět na elektrickou energii není otázkou dneška. Nejsme na to prozatím technicky připraveni.

Akumulovat tuto energii do baterií je rovněž problematické. Cena za tuto akumulaci je nesmírná, jaký je ale vlastně výsledek této akumulace? V podstatě tato energie bude sloužit jen k bezpečnosti kalírny, v případě, že hlavní zdroj bude mít výpadek. Je to tedy investice nevýrobní a výrobu jako takovou nám to pouze prodraží, ne zlevní.

Nejsme prozatím schopni ani akumulovat tolik energie do baterií, aby nám např. napájela kalírnu po dobu 8 hodin. Je to tedy jen back-up, a ten daleko levněji pořídíme instalací dusíkové pumpy, která nám zajistí dochlazení pecí v případě výpadku.

Výsledkem naší diskuze bylo, že jediný, smysluplný způsob využití přebytku energie ze solárních panelů je použít tuto energie na výrobu dusíku. Ten je potřeba v kalírně obvykle ve velkém množství, řádově desítkách až stovkách tun, a s trvalým odběrem. Problém čistoty dusíku z generátoru se zdá rovněž již vyřešený, např. tento model od firmy OXYWise dává výstupní čistotu až 1 ppm, což je lepší jak z kapaliny.

Zdroj: https://www.oxywise.com/

Bohužel tedy musím konstatovat, i k mému velikému zklamání, že vodík do kalírny prozatím nemá smysl.

Jiří Stanislav

13. května 2023