30.07.2021 Napísali o nás

B. Hatala, A. Hanzel a V. Slugeň pre Jaderná energie: Vysokoteplotné reaktory a vodík vo svetle svetových trendov

Článok sa zaoberá novými požiadavkami na výrobu vodíka a možnosťami efektívnej, trvalo udržateľnej a spoľahlivej výroby vodíka.

Vodík a Európska komisia

Myšlienku širokého využitia vodíka v priemysle, doprave, resp. ako média na zmysluplné skladovanie energie je možné len privítať, avšak v reálnych technických súvislostiach. Vodík je najčastejšie sa vyskytujúci prvok na zemeguli. Pre energetické využitie sa javí ako veľmi výhodný, má veľmi vysokú výhrevnosť, najvyššiu zo všetkých organických zlúčenín 141,7 MJ/kg, čo je 6-krát viac ako zemný plyn. Jeho veľkou nevýhodou je, že sa v prírode samostatne nevyskytuje a musí sa vyrábať. Dnes sa vodík väčšinou vyrába zo zemného plynu, čo je však ekologicky neprijateľné. Pri takejto výrobe vzniká CO2 aj metán. Ekologická budúcnosť vodíka môže byť zabezpečená udržateľným spôsobom len v prípade jeho výroby:

- elektrolýzou z obnoviteľných zdrojov

- v jadrových reaktoroch

Európska zelená dohoda je plánom na zabezpečenie udržateľnosti hospodárstva EÚ, ktorý do roku 2050 predpokladá klimatickú neutralitu. Podľa Európskej zelenej dohody bude od roku 2020 do roku 2024 v EÚ podporená inštalácia elektrolyzérov pre výrobu obnoviteľného vodíka s minimálnym výkonom 6 GW a podporená tak výroba až jedného milióna ton vodíka ročne z obnoviteľných zdrojov. Pre výrobu jedného milióna ton vodíka je potrebných približne 60 TWh elektrickej energie ročne.

Výroba takého objemu vodíka teda vyžaduje veľkého množstva elektrickej energie. Pre lepšiu predstavu, obidva bloky v JE Jaslovské Bohunice vyrobia v priemere 7,5 TWh za rok. Nové typy JE (napr. AP1000) vyrobia ročne približne 9 TWh elektrickej energie. Ak teda chce EÚ zabezpečiť výrobu jedného milióna ton vodíka prostredníctvom elektrickej energie, je potrebné vybudovať aspoň 7 nových jadrových elektrární s elektrickým výkonom 1200 MWe. Uvádzame len počet jadrových elektrární, pretože jadrová elektráreň je zdroj, ktorý vie vyrobiť energiu na relatívne malej ploche v porovnaní s fotovoltikou a zabezpečuje spoľahlivú dodávku elektrickej energie počas celého roka, bez ohľadu na vplyv počasia. Na porovnanie, Slovenské elektrárne majú približne 1MW inštalovaného výkonu fotovoltických elektrární na pozemku vo Vojanoch s rozlohou takmer 3 ha, kde koeficient využitia je cca 12%. Vyrobiť 60TWh elektrickej energie ročne prostredníctvom fotovoltiky by teda zabralo viac ako milión hektárov plochy.

Európska zelená dohoda politicky stanovila ambiciózne ciele extrémne vysoko, chýba však analýza ako stanovené ciele v nasledovnom období do roku 2024 dosiahnuť.

Európske výskumné centrum Joint Research Centre (JRC) v Ispre už v roku 1969 študovalo možnosti výroby a použitia vodíka, na čo nadväzoval kompletný výskumný program. Pri uvážení všetkých fyzikálnych a chemických zákonov, vedci a inžinieri po mnohých analýzach, testoch a demonštráciách dospeli k záveru, že nízka účinnosť a vysoké ekonomické náklady limitujú priestor pre priemyselné využitie vodíka ako nosiča energie.

Prípad Nemecka, kde sú vo veľkej miere rozmiestnené nestabilné obnoviteľné zdroje energie, poukazuje na výrazné obmedzenia, ktoré s rozmiestnením súvisia. Stratégia Energie Wende, ktorá je nákladná (25 miliárd € dotácií ročne na obdobie 20 rokov, čo zodpovedá približne 1000 € na rodinu ročne), má z hľadiska dekarbonizácie prakticky nulový dopad, veterná energia a solárne panely vyrábajú iba 4,3% primárnej energie. Výsledkom rozsiahleho nasadenia týchto technológií je buď nadmerná alebo nedostatočná výroba elektrickej energie v porovnaní s dopytom. V prípade nedostatku, ku ktorému dochádza po väčšinu času, sa Nemecko, pri jeho postupnom vyraďovaní jadrovej energie, spolieha na fosílne palivá, hnedé alebo čierne uhlie, alebo dovážaný ruský plyn, čo vysvetľuje nízky dopad stratégie na dekarbonizáciu. V ideálnom prípade by bolo potrebné pri nadmernej výrobe zabezpečiť prostriedky na masívne ukladanie „zelenej“ obnoviteľnej elektriny na jej neskoršie použite. Ale na uskladnenie elektriny vyrobenej z veternej energie a solárnych panelov počas obmedzenej doby, kedy pracujú, existuje iba zopár spôsobov: batérie, vodné prečerpávacie elektrárne, alebo použitie vloženého nosiča energie, ako je vodík.

Oveľa väčší zmysel má preto využívanie jadrovej energie, jedinej plne dekarbonizovanej primárnej energie, kde sú jadrové elektrárne schopné masívne vyrábať distribuovateľnú elektrinu a optimalizovať tak prerušované nasadenie obnoviteľných zdrojov.

Na Slovensku bola vypracovaná a v marci 2021 Vládou SR aj schválená „Národná vodíková stratégia“ s podnadpisom „Pripravení na budúcnosť“. Tento materiál predpokladá, že výroba vodíka bude zabezpečovaná elektrolýzou v nasledovných množstvách. Do roku 2030 sa predpokladá ročná spotreba 178 kt a do roku 2050 až 400-1740 kt vodíka ročne.

Účinnosť elektrolýzy sa uvádza v rôznych materiáloch od 60-80%. Ďalšia potreba energie na distribúciu a prípadnú kompresiu znižuje celkovú účinnosť výroby vodíka na hodnotu 30-40%. Ak sa bude vodík následne používať na jednoduché spaľovanie, bude to cenovo neefektívne. Dnešné využívanie vodíka v palivových článkoch jeho energiu ďalej degraduje. Vodík sa v palivových článkoch využije len na 50 % na reálnu prácu, ostatých 50 % predstavujú tepelné straty.

Národná vodíková stratégia predpokladá výrobu vodíka z OZE. Z tohto materiálu však priamo aj nepriamo vyplýva, že OZE nie sú vhodné na žiadnu samostatnú výrobu elektrickej energie. Problém je v tom, že výroba elektriny pomocou veternej energie alebo slnečných panelov má ročné využitie maxima (load factor) iba 11-20%. Navyše, kvôli neustálemu prerušovaniu vetra a slnečného žiarenia by potrebná elektrolýza musela tiež pracovať prerušovane a to by do ekonomiky vnieslo ďalšie problémy.

Výroba vodíka vo vysokoteplotných jadrových reaktoroch

V súčasnosti je verejnosti známa predovšetkým výroba vodíka prostredníctvom elektrolyzérov. Elektrolýzou je možné vyrábať vodík buď z vody, alebo efektívnejšie, z vodnej pary pri vysokých teplotách, kde ide o vysokoteplotnú elektrolýzu. S rastúcou teplotou potrebujeme oveľa menej elektrickej energie pre napájanie elektrolyzérov.

Pre pripomenutie, účinnosť výroby elektrickej energie v tepelných elektrárňach je približne 35%. Následne takto vyrobenú elektrickú energiu použijeme na výrobu vodíka v elektrolyzéroch z vody, kde účinnosť výroby vodíka je cca 60%. Na výrobu 1 kg vodíka elektrolýzou je potrebných 9 l vody a 60 kWh elektrickej energie.

Elektromobil potrebuje na 100 km približne 20kWh elektrickej energie a automobil využívajúci vodík potrebuje 1kg vodíka a teda cca 60 kWh elektrickej energie.

Otázka znie: Oplatí sa nám vyvíjať vodíkové autá, keď elektrická energia je vysoko kvalitná a exkluzívna forma energie? Má význam vyvíjať vodíkové technológie? Má toto riešenie logické opodstatnenie, keď 1km vo vodíkovom aute je trikrát drahší ako v aute poháňanom baterkami? Alebo... Vieme vyrobiť vodík aj iným spôsobom a zároveň efektívne?

Áno, vieme.

Vo svete sú aj iné technológie ako vyrobiť vodík z vody. Riešením sú vysokoteplotné jadrové reaktory. Žiaľ, spojenie jadrového reaktora a výroby vodíka je v Európskej únii nepochopené a teda zatiaľ aj neakceptovateľné, hoci výsledky analýzy Európskeho výskumného centra JRC neuvádzajú žiadne vedecky podložené dôkazy o tom, že jadrová energia škodí viac ľudskému zdraviu alebo životnému prostrediu ako iné technológie na výrobu elektriny.

Vysoká výstupná teplota z aktívnej zóny vysokoteplotného reaktora umožňuje efektívne vyrábať vodík prostredníctvom známych technológií vysokoteplotnej elektrolýzy. Ďalší spôsob výroby vodíka je termochemickou cestou tzv. jódovodíkovým kyselino-sírnym cyklom (IS cyklus), ktorý je taktiež používaný na produkciu vodíka s účinnosťou celého výrobného cyklu v rozmedzí 40-50%. V porovnaní s elektrolýzou má vyššiu účinnosť, pretože vyrobené teplo nie je nutné meniť na elektrickú energiu so značnými stratami. Vysokoteplotný reaktor umožňuje kombinovanú výrobu vodíka a elektrickej energie, kde účinnosť veľkého cyklu značne rastie.

Uvedený spôsob výroby vodíka je prakticky overený v Japonsku vo výskumnom ústave Japan Atomic Energy Agency (JAEA) v Oarai, kde je prevádzkovaný reaktor HTTR. Výkon reaktora je 30MWt a demonštruje efektívnu výrobu vodíka pri teplote 850°C. Túto teplotu sa darí dosahovať vďaka využitiu hélia ako primárneho chladiva aktívnej zóny [4].

V areáli Inštitútu technológie jadrovej energetiky Univerzity Tsinghua v Číne bol prednedávnom sprevádzkovaný nový typ vysokoteplotného reaktora HTR-PM, kde chladiacim médiom je tiež hélium, ktoré teda umožňuje dosahovať extrémne vysoké teploty [5].

Výstavba testovacej elektrárne v čínskej provincii Shandong sa začala v roku 2012. Projekt tvoria dva héliom chladené modulárne reaktory HTR-PM s tepelným výkonom 250 MWt a turbína s 210 MWe generátorom [2].

Aktívna zóna tohto reaktora je veľmi špecifická a je tvorená palivom guľového tvaru s časticami TRISO. V klasických ľahkovodných reaktoroch je palivo uložené v palivových prútikoch. V tomto type reaktora je palivo guľového tvaru priemeru 6 cm a pozostáva z množstva malých častí obalených grafitom a kremíkom. Čína má samozrejme zvládnutú aj technológiu výroby tohto špecifického typu paliva.

Aktívna zóna reaktora má priemer 3 m a výšku 11 m, pričom nádoba reaktora má priemer 5,7 m a výšku 25 m. Každý reaktor má 3 tri slučky. Aktívna zóna reaktora je konštruovaná s negatívnym teplotným koeficientom reaktivity, s cieľom zvýšenia bezpečnosti.

V EÚ by mohol byť reprezentantom vysokoteplotnej technológie prototyp reaktora ALLEGRO, jeden zo šiestich typov reaktorov IV. generácie. Héliom chladený rýchly reaktor ALLEGRO predstavuje unikátnu kombináciu technológií. Ide o reaktor s rýchlym spektrom neutrónov, ktorý umožňuje vyrobiť vysokoparametrické teplo s možnosťou rôznych aplikácií, akými sú výroba vodíka, dodávka tepla pre energeticky náročné chemické technológie, alebo výroba elektrickej energie s vysokou účinnosťou. Výstupná teplota z aktívnej zóny reaktora môže byť až 850 °C. Reaktor ALLEGRO je v súčasnosti predmetom výskumu a vývoja zoskupenia krajín Francúzsko, Slovensko, Česko, Maďarsko a Poľsko. Otázka výstavby tohto typu reaktora v Európe je na rozdiel od čínskeho reaktora stále otvorená.

Výhodou jadrových technológií je trvalo udržateľná a spoľahlivá výroba a tiež veľmi dlhá životnosť jadrových reaktorov. Reaktory, ktoré sú v súčasnosti vo výstavbe majú plánovanú životnosť 60 rokov s možnosťou predĺženia až na takmer 80 rokov.

Ak aj Európska únia túži po vodíkových technológiách, môžeme s plnou vážnosťou konštatovať, že technológie na výrobu vodíka v EÚ nie sú ani zďaleka konkurencieschopné v porovnaním s ostatným svetom. Aj autá poháňané vodíkom ponúkajú predovšetkým zatiaľ len výrobcovia mimo EÚ (Honda FXC Clarity, Toyota Mirai, Hyundai Nexo).

Záver

Je nespochybniteľné, že dopyt po vodíku, využiteľného v doprave a aj v ťažkom chemickom priemysle, bude na celom svete neustále narastať.

Dnes je priemyselná výroba vodíka takmer úplne založená na fosílnych palivách. Množstvo energie potrebnej na rozklad vody, pre takéto aplikácie, je možné zabezpečiť priamym teplom vyrobeným v plne dekarbonizovaných vysokoteplotných jadrových reaktoroch. Výskum a demonštrácia takýchto reaktorov prebieha v Číne, Japonsku a USA.

Ak sa chce Európska komisia, ale aj vláda SR, vyhnúť geopolitickému vytesneniu inými regiónmi, kde je takýto vývoj na dennom poriadku, mala by sa tejto téme dôkladne venovať, ale predovšetkým do tejto technológie zmysluplne investovať. Ak je skutočný záujem vyrábať vodík v uvedenom množstve, bez jadrových elektrární to nebude technicky možné.