Hledáme vhodný chemický nosič energie
Jedním ze slibných kandidátů na tuto roli je čpavek; molekula čpavku obsahuje jeden atom dusíku a tři atomy vodíku (pro srovnání, molekula metanu má jeden atom uhlíku a čtyři atomy vodíku). Čpavek lze syntetizovat ze surovin, kterých máme dostatek, tedy z vody a vzduchu, s využitím obnovitelné energie.
Amoniak, NH3
Zemská atmosféra obsahuje zhruba 78 % dusíku, který lze ze vzduchu snadno oddělit. Vodík lze získat z vody, a to procesem zvaným elektrolýza. Jakmile jsou vodík a dusík získány, lze je spojit v průmyslově standardní reakci zvané Haber-Boschův proces za účelem výroby čpavku. Pokud se k pohonu těchto procesů používá obnovitelná energie, pak se tato energie uzamkne v molekule čpavku, aniž by docházelo k přímým emisím uhlíku.
Výroba čpavku již nyní dosahuje 180 milionů tun ročně v hodnotě 80 miliard eur
Čpavek neboli NH3, abychom mu dali správný chemický název, je již nyní významnou chemickou látkou. Současná celosvětová roční produkce činí přibližně 180 milionů tun ročně, přičemž tržní hodnota této komodity se pohybuje kolem 80 miliard eur ročně.
V současné době se více než 80 % tohoto čpavku používá v průmyslu hnojiv, ale v rámci energetického přechodu pro něj existují i další mnohem širší využití. Má podobné skladovací vlastnosti jako zkapalněný ropný plyn (LPG), protože se zkapalňuje při -33 stupních Celsia za okolního tlaku a při teplotě okolí kolem 10 barů. Ačkoli čpavek představuje značné nebezpečí toxicity, za desítky let výroby v průmyslovém měřítku se osvědčila vhodná zařízení a postupy bezpečné manipulace.
Čpavek se celosvětově vyrábí v obrovských množstvích pro zemědělská hnojiva, ale v současné době se k výrobě vodíku i energie pro pohon procesu syntézy používá zemní plyn nebo jiná fosilní paliva. Stávající závody na výrobu čpavku jsou významným zdrojem emisí CO2, které tvoří přibližně 1,6 % současných celosvětových emisí.
Zelený vodík zvyšuje potenciál čpavku
Ačkoli je čpavek pro dnešní průmyslové využití nákladově efektivní, využívání fosilních surovin a zdrojů energie znamená, že čpavek zatím nehraje roli jako nositel energie – to se však nyní mění. Přechodem na zelený vodík, tedy vodík, který se vyrábí z obnovitelných zdrojů energie elektrolýzou vody, lze eliminovat emise uhlíku vznikající při výrobě čpavku.
Demonstrátor zeleného čpavku společnosti Siemens
Demonstrátor zeleného čpavku společnosti Siemens se nachází v Rutherford Appleton Laboratory ve Velké Británii a shromažďuje všechny technologie potřebné k demonstraci kompletního energetického cyklu čpavku. Zelený vodík se vyrábí pomocí 13kilowattového (kW) elektrolyzéru, který produkuje 2,4 běžného metru krychlového vodíku za hodinu (Nm3/hod). Dusík se získává ze 7kW vzduchové separační jednotky využívající princip tlakové swingové absorpce k výrobě 9 Nm3/hod. dusíku. Obnovitelnou elektřinu dodává 20kW větrná turbína umístěná v testovacím místě.
Vodík a dusík se kombinují za účelem výroby čpavku prostřednictvím na zakázku postavené syntézní jednotky Haber-Bosch s kapacitou 30 kg čpavku denně. Čpavek je skladován jako stlačená kapalina v nádrži o objemu 350 kg a následně je využíván k pohonu 30kW pístového zážehového generátoru. Celý systém je řízen na zakázku nasazeným řídicím systémem Siemens PCS7 pro bezobslužný provoz.
Cílem demonstrátoru je ukázat, že tento proces lze využít nejen k výraznému snížení emisí z výroby čpavku pro konvenční použití, ale že čpavek může být také praktickým nositelem vodíkové energie, který dále sníží emise CO2 v našich energetických systémech tím, že umožní skladování obnovitelné energie ve velkém měřítku.
Technologie výroby ve velkém měřítku je již vyzkoušená
Zvláštní výhodou čpavku je, že technologie potřebná k jeho nasazení jako energetického vektoru již v potřebném měřítku existuje: průmyslové procesy separace vzduchu k výrobě dusíku jsou rutinní; elektrolýza vody se prováděla průmyslově dříve, než se parní reforming metanu stal levnějším zdrojem vodíku; velkokapacitní nádrže a cisterny na čpavek jsou v běžném provozu již desítky let. Fritz Haber získal Nobelovu cenu za syntézu čpavku z jeho prvků v roce 1918; Carl Bosch byl za své úsilí rozvinout tento proces do průmyslového měřítka oceněn Nobelovou cenou v roce 1931; a infrastruktura pro podporu čpavkového průmyslu se od té doby neustále optimalizuje.
Chemická energie versus baterie
Často se mě ptají, která technologie skladování je „nejlepším“ řešením pro obnovitelné zdroje energie, moje odpověď zní, že musíme nasadit řadu technologií skladování, které jsou vhodné pro danou aplikaci. Baterie hrají důležitou roli, ale jednou z nevýhod je, že náklady na skladování u baterií jsou lineární: pokud potřebujete dvojnásobnou kapacitu, pak jsou to dvě baterie.
Pokud jde o chemické skladování energie, nejprve můžete oddělit výkon a energii. Můžete si vybrat plynovou turbínu, která bude poskytovat požadovaný výkon, a pak to, jak dlouho chcete tento motor provozovat, určuje velikost potřebné nádrže. Pokud chcete velkou kapacitu energie, stačí nádrž zvětšit, což je relativně levné – zejména ve velkém měřítku.
Budoucnost pro čpavek
Pro skladování velkého množství energie představují chemická paliva energeticky husté a výhodné médium – to je důvod, proč jsou dnes všudypřítomná. Problémem paliv, která používáme nyní, jsou emise uhlíku, které vznikají při jejich spalování. Jedním ze způsobů, jak uvažovat o čpavku, je, že řeší hlavolam nahrazení uhlovodíkových paliv něčím, co neobsahuje žádný uhlík, a zároveň překonává problémy spojené se skladováním a distribucí vodíku ve velkém. Jednou z lákavých věcí na čpavku je, že dnes existuje velmi zavedený čpavkový průmysl.
O našem budoucím energetickém systému bylo provedeno mnoho studií, a přestože jsou užitečné a informativní, přijde čas, kdy je třeba začít stavět a testovat systémy, abychom se dozvěděli o reálných problémech při jejich nasazení. A pro čpavek jako zelený energetický vektor si myslím, že ten čas nastal právě teď.
***
Ian Wilkinson je programový manažer ve společnosti Siemens Gas & Power
.