ilustracnyV príspevku sú uvedené schémy transformácie primárnych neobnoviteľných a obnoviteľných zdrojov energie po konečné využitie energie. Spotreba energie a produkcia emisií CO2 je porovnaná v zdrojoch s monovýrobou elektriny a tepla, ako aj v zdrojoch s kombinovanou výrobou elektriny a tepla (KVET) v teplárňach a v jadrovej elektrárni s odberom tepla. Perspektívne technológie vysokokapacitnej, priemyselnej výroby vodíka sú porovnané z hľadiska energetickej náročnosti.

Energetika predstavuje dnes jedno z najvýznamnejších, kľúčových odvetví modernej techniky a hospodárskej činnosti človeka s ekonomickými, ekologickými i politickými dôsledkami. Je založená na poznaných prírodných, najmä fyzikálnych zákonoch. Okrem toho musí zohľadňovať technické, technologické, ekonomické, bezpečnostné a ďalšie hľadiská. Energetická problematika sa tak stáva problematikou komplexnou, naviac závislou od miestnych a časových historických podmienok [1].
Prvý a najdôležitejší zákon je zákon zachovania energie. Tento zákon umožňuje zaviesť pojem energie ako fyzikálnej veličiny, uviesť na spoločný menovateľ vlastnosti rôznych foriem pohybu, ktoré skúmajú rôzne časti fyziky – mechanika, termika, náuka o elektrine a magnetizme, fyzika žiarenia, jadrová fyzika – ale aj chémia a biológia. Treba zdôrazniť, že zatiaľ čo energia je stavovou veličinou, je odovzdané teplo i vykonaná práca závislá od spôsobu cesty prechodu z počiatočného do konečného stavu. Prácu ani teplo nemožno považovať za stavové veličiny. Nie sú formami energie, charakteristikami stavu, ale charakteristikami procesu.
Nie každá energetická premena dovolená zákonom zachovania energie je reálne možná. Obmedzenie predstavuje druhý zákon termodynamiky, ktorý nedovoľuje, aby teplo samovoľne prechádzalo z chladnejšieho telesa na teplejšie.

Obr 1 Primárne neobnoviteľné zdroje energie
Obr. 1: Primárne neobnoviteľné zdroje energie [1]

Primárne zdroje energie a ich transformácia
Transformácie primárnych zdrojov energie vedú ku konečnej spotrebe energie vo forme mechanickej energie, tepla, svetla a chemických premien. Na obr. 1 sú neobnoviteľné primárne zdroje energie rozdelené na fosílne a jadrové palivá. Pre každý druh paliva sú znázornené spôsoby ich premeny a zušľachťovania. Následne sekundárne zdroje a nositelia energie sú transformované na využitie konečných foriem energie. Analogicky sú znázornené transformácie obnoviteľných zdrojov energie (obr. 2). Primárne zdroje energie sú schopné prepravy alebo sú využiteľné iba v mieste ich výskytu.

Obr 1 Primárne neobnoviteľné zdroje energie
Obr. 2: Primárne obnoviteľné zdroje energie [1]

Spotreba energie a produkcia emisií CO2 vo vybraných zdrojoch tepla a elektriny
Vo vybraných dvanástich zdrojoch tepla a elektriny sú vzájomne porovnané spotreby energie v palive a produkcia emisií CO2. Primárnym zdrojom energie je zemný plyn (ZP), v jednej domovej kotolni sú inštalované tepelné čerpadlá (TČ) voda – voda a v reaktore jadrovej elektrárne sa štiepi jadrové palivo (JP) – obohatený urán.

V porovnávaných zdrojoch s monovýrobou tepla a elektriny sú inštalované energetické stroje a zariadenia:
- domové kotolne – nízkoteplotné kotly, kondenzačné kotly, tepelné čerpadlá,
- okrsková kotolňa – nízkoteplotné kotly,
- výhrevňa – horúcovodné kotly,
- elektráreň – paroplynový cyklus.

V zdrojoch s kombinovanou výrobou elektriny a tepla (KVET) sú porovnané:
- teplárne – kogeneračné jednotky, parné kotly, protitlaková parná turbína, výmenníková stanica, paroplynový cyklus, spaľovacia turbína, utilizačný kotol,
- jadrová elektráreň s odberom tepla.

Pre vzájomné porovnanie spotreby energie v palive a produkcie emisií CO2 vo vybraných zdrojoch (Z) tepla a elektriny (tab. 1) sú uvažované nasledujúce vstupné veličiny:

veliciny

Z hodnôt vstupných veličín, určených odborným odhadom, sú podľa nasledujúcich vzťahov vypočítané charakteristické údaje, ktoré slúžia pre porovnanie spotreby energie a produkcie emisií CO2 vo vybraných zdrojoch tepla a elektriny:

veliciny2

Pre definovanú časť konečnej spotreby tepla a elektriny QKS + AKS sú výsledky výpočtov redukovanej energie v palive a redukovanej produkcie emisií CO2 v dvanástich typoch zdrojov Z tepla a elektriny uvedené v tab. 1 a znázornené na obr. 3.

Obr 3 Spotreba energie v palive a produkcia emisií CO2 vo vybraných zdrojoch tepla a elektriny
Obr. 3: Spotreba energie v palive a produkcia emisií CO2 vo vybraných zdrojoch tepla a elektriny; DK – domová kotolňa, OK – okrsková kotolňa, Vh – výhrevňa, Tp – tepláreň

Z porovnania zdrojov Z v závislosti od redukovanej spotreby energie a redukovanej produkcie emisií CO2 vyplýva:
V domových kotolniach je z hľadiska energie v palive Qpal Z reduk = 0,90 kWh/kWh výhodné inštalovať TČ. Zohľadnené sú hodnoty SCOP = 3,135 [7], termickej účinnosti elektrárne 38 % a emisného faktora CO2 spotreby elektriny v SR 330 g CO2/kWh [2], (1. 2. 2022). TČ dosahuje prevádzkové charakteristiky v objektoch s podlahovým vykurovacím systémom. Domová kotolňa s plynovými kondenzačnými kotlami má najnižšiu redukovanú produkciu emisií CO2 205 g/kWh.

Tab 1 Spotreba energie v palive a produkcia emisií CO2 vo vybraných zdrojoch tepla a elektriny
Tab. 1: Spotreba energie v palive a produkcia emisií CO2 vo vybraných zdrojoch tepla a elektriny

Z okrskovej kotolne a výhrevne s kotlami na ZP je v dôsledku nižšej účinnosti zdroja Z a tepelných strát v rozvodoch zásobovanie teplom menej výhodné ako z domových kotolní.
Pre porovnávané typy teplární je redukovaná energia v palive Qpal Z reduk = 1,14 kWh/kWh a redukovaná produkcia emisií CO2 EZ reduk = 229 g/kWh najnižšia v teplárni s inštalovanými kogeneračnými jednotkami. V teplárňach so spotrebou ZP, v ktorých sú prevádzkované parné kotly, protitlaková parná turbína a výmenníková stanica alebo PPC sú redukovaná energia v palive kWh a redukovaná produkcia emisií CO2 približne rovnaké.
V elektrárňach sú hodnoty redukovanej energie v palive od 2,29 kWh (PPC) do 3,13 kWh/kWh (jadrová elektráreň s odberom tepla) vyššie ako v iných porovnávaných zdrojoch. Je to v dôsledku kondenzačnej výroby elektriny. Pri KVET v jadrovej elektrárni s odberom tepla je redukovaná produkcia emisií CO2 38 g/kWh najnižšia zo všetkých porovnávaných zdrojov.
V menovateľoch vzťahov pre výpočet redukovanej energie v palive a redukovanej produkcie emisií CO2 je súčet konečnej spotreby tepla QKS a elektriny AKS. Treba zdôrazniť, že teplo je súčtom exergie a anergie, kým elektrina predstavuje exergiu.
V teplárňach sú hodnoty redukovanej energie v palive a redukovanej produkcie emisií CO2 závislé predovšetkým od emisného faktora CO2 používaného paliva, termickej účinnosti teplárne a teplárenského modulu inštalovaných turbín a zariadení KVET. V kondenzačných elektrárňach s monovýrobou elektriny sú hodnoty redukovanej energie v palive a redukovanej produkcie emisií CO2 podstatne vyššie, ako tieto hodnoty v teplárňach (tab. 1, obr. 3). Kombinovaná výroba elektriny a tepla KVET v teplárni v porovnaní s monovýrobou elektriny v elektrárni je z hľadiska energetickej náročnosti a produkcie emisií CO2 výhodnejšia. Teplárne so spaľovaním ZP sú vďaka KVET aj napriek nižšej termickej účinnosti a tepelným stratám pri distribúcii tepla konečným spotrebiteľom výhodnejšie ako domové kotolne [7].

ilustracny2

Technológie a energetická náročnosť výroby vodíka
Existuje niekoľko spôsobov štiepenia molekúl vody elektrolýzou. Za najbežnejšie spôsoby, u ktorých sa predpokladá priemyselné využitie, sú elektrolýza alkalickej vody, elektrolyzéry pevných oxidov (SOEC) a elektrolýza s polymérovo elektrolytickou membránou (PEM).
Najnižšiu účinnosť, cca 55 %, má elektrolýza alkalickej vody [3]. Elektrolyzéry SOEC na základe pevných oxidov majú účinnosť nad 80 %, avšak proces prebieha pri teplotách 500°C až 850°C. Technológia PEM zaznamenala v posledných rokoch výrazný nárast účinnosti na 70 % až 80 %. Hlavnou výhodou tejto technológie je prevádzkový stav procesu, a to atmosférický tlak a teploty 20°C až 100°C [4]. Vysoká účinnosť a vhodné podmienky predurčujú túto technológiu ako najviac uvažovanú technológiu na výrobu vodíka elektrolýzou [5].
Na určenie celkovej účinnosti výroby vodíka je však potrebné zahrnúť aj účinnosť výroby elektriny. Ak uvažujeme elektrinu vyrobenú v jadrovej elektrárni PWR s termickou účinnosťou ηe JE = 33 %, potom účinnosť výroby vodíka ηH2 aplikáciou technológie PEM je:
ηH2 = ηe JE . ηPEM = 0,33 . 0,75 = 0,2475 = 24,75 %
Ak uvažujeme použite elektriny vyrobenej z obnoviteľných zdrojov – solárnej energie a vetra – je účinnosť ηH2 výroby vodíka
ηH2 = ηe solár . ηPEM = 0,20 . 0,75 = 0,15 = 15 %
ηH2 = ηe vietor . ηPEM = 0,40 . 0,75 = 0,40 = 30 %

Vodík možno vyrábať nielen elektrolýzou, ale aj rôznymi termochemickými cyklami a hybridnými systémami [6].
Termochemický, hybridný cyklus síry HyS na výrobu vodíka prebieha štiepením vody kombináciou chemických reakcií a elektrolýzy. Energia dodaná do systému je vo forme tepla s teplotou média cca 900°C a elektriny.
Cyklus síra-jód (S-I) pozostáva z troch chemických reakcií, ktorých výsledkom je rozštiepenie vody na vodík a kyslík. Energetické vstupy do procesu sú teplo pre reakcie H2SO4 a HI na ich rozklad a elektrina potrebná na čerpanie procesných tekutín a tepelných čerpadiel.
Cyklus vápnik-bróm (Ca-Br) pozostáva z dvoch reakcií plyn – pevná látka a jednej reakcie v plynnej fáze.
Bolo skúmaných niekoľko alternatívnych termochemických cyklov na výrobu vodíka, ktoré fungujú pri teplotách v rozsahu 500°C až 600°C. Štvorkrokový cyklus meď – chlór (Cu-Cl) možno prevádzkovať pri maximálnej teplote 550°C.
Reformovanie metánu parou (SMR) je termochemický proces, ktorý sa bežne používa v priemysle na výrobu vodíka. Proces pozostáva z reakcie metánu, bežnejšieho zemného plynu, a pary. Konvenčný proces prebieha v chemickom reaktore pri teplotách 800°C až 900°C. Teplo sa väčšinou dodáva spaľovaním nadbytku plynu.
Pyrolýza metánu je založená na štiepení väzieb C-H a následnej tvorbe metylových radikálov. Na rozdiel od iných technológií, ktoré získavajú vodík z uhľovodíkov, tento proces nevyžaduje následne zachytávanie uhlíkových produktov, preto sa celková účinnosť pohybuje okolo 58 %.

Počas splynovania sa v splynovači uhlie prefukuje kyslíkom a parou, pričom sa zároveň zahrieva.
Mnoho ďalších systémov priemyselnej výroby vodíka je aktuálne v procese výskumu a optimalizovania. Väčšina týchto systémov vyžaduje teploty nad 1 200°C. Napríklad cyklus oxidu železa, cyklus zinku a oxidu zinočnatého, samovoľná tepelná disociácia molekúl vody prebiehajú pri teplotách viac ako 2 000°C, praktické využitie je od teploty 3 000°C.
Zhrnutie perspektívnych technológií vysokokapacitnej, priemyselnej výroby vodíka, požadované teploty a účinnosť výroby je uvedené v tab. 2.

Tab 2 Technológie výroby vodíka
Tab. 2: Technológie výroby vodíka

Záver
Optimalizácia transformácie neobnoviteľných a obnoviteľných zdrojov energie na využiteľné druhy energie a optimalizácia ich využitia je multidisciplinárna úloha pre odborníkov z oblastí fyziky, chémie, energetiky, materiálového inžinierstva, stavebníctva, urbanizmu, pôdohospodárstva, životného prostredia, sociológie, ekonomiky, atď. Je potrebné, aby výsledky týchto optimalizačných úloh rešpektovali politici na miestnej, štátnej i svetovej úrovni.
V rozvinutých krajinách je nevyhnutné znižovať, minimálne nezvyšovať, konečnú spotrebu energie. Podľa konečnej spotreby energie je treba pravidelne aktualizovať energetický mix v závislosti od dostupných primárnych zdrojov energie.

text prof. Ing. František Urban, CSc., doc. Ing. František Ridzoň, CSc., Ing. František Világi, PhD., Ing. Peter Mlynár, PhD.; Ústav energetických strojov a zariadení, Strojnícka fakulta STU v Bratislave

Literatúra
[1] NOHEL, Jaroslav.: Zdroje a premeny energie. Vysokoškolská učebnica. SjF STU v Bratislave 2011, nevydané.
[2] https://www.electricitymap.org/zone/SK
[3] Carmo, M; Fritz D; Mergel J; Stolten D (2013). „A comprehensive review on PEM water electrolysis“. Journal of Hydrogen Energy. 38 (12): 4901.
doi:10.1016/j.ijhydene.2013.01.151.
[4] Werner Zittel; Reinhold Wurster (8 July 1996). „Chapter 3: Production of Hydrogen. Part 4: Production from electricity by means of electrolysis“. HyWeb: Knowledge – Hydrogen in the Energy Sector. Ludwig-Bölkow-Systemtechnik GmbH. Archived from the original on 7 February 2007. Retrieved 14 January 2006
[5] Yu Luo, Yixiang Shi, Ningsheng Cai, Chapter 3 – Bridging a bi-directional connection between electricity and fuels in hybrid multienergy systems, Hybrid Systems and Multienergy Networks for the Future Energy Internet, Academic Press, 2021, Pages 41-84, ISBN 9780128191842,
https://doi.org/10.1016/B978-0-12-819184-2.00003-1.
[6] IAEA Nuclear Energy Serie, Hydrogen Production. Using Nuclear Energy, https://wwwpub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/Pub1577_web.pdf
[7] URBAN, František – RIDZOŇ, František – MALÝ, Stanislav – VILÁGI, František – MLYNÁR, Peter. Produkcia CO2 pri monovýrobe a kombinovanej výrobe elektriny a tepla. In Vykurovanie 2021 [elektronický zdroj]: zborník prednášok z 29. medzinárodnej vedecko-odbornej konferencie na tému – Alternatívne zdroje energie pre budovy s takmer nulovou potrebou energie. Horný Smokovec, Vysoké Tatry, 21. – 25. jún 2021. 1. vyd. Bratislava: Slovenská spoločnosť pre techniku prostredia, 2021, S. 131 – 138. ISBN 978-80-89878-72-7.