Náhrada za ruský plyn se nehledá snadno

Plynovod Nord Stream 1 je od 11. července odstaven kvůli pravidelné údržbě. Odstávka je plánovaná na deset dní, ale nejistota ohledně termínu jejího obnovení a případného omezování objemů dodávky akceleruje snahy Evropské unie nahradit ruský plyn z jiných zdrojů. A nejde jen o plynovody. Například španělská ministryně energetiky Teresa Riberová vyzvala tamní společnosti k tomu, aby omezily z Ruska i odběr LNG a začaly hledat alternativní dodavatele. 

Jak se obejít ruského plynu?

Evropská komise už začátkem června zveřejnila plán, jak se ze závislosti na Putinových rozmarech co nejrychleji vyvázat. Ambiciózní projekt předpokládá, že se brzy podaří nahradit dvě pětiny současné spotřeby Evropy v podobě 155 miliard metrů krychlových zemního plynu, které zajišťuje Rusko. Na financování celého procesu nazvaného REPowerEU má Brusel do roku 2027 poskytnout dodatečných 210 miliard eur.

REPowerEU má tři hlavní nástroje – výrazné úspory energie, rozvoj bezemisní energetiky a diverzifikaci. Při uzavírání nových kontraktů na dovoz plynu by se evropské státy měly opírat o společný nákup, výstavbu terminálů na přečerpávání zkapalněného plynu LNG ze zámoří, budování nových plynovodů a posilování stávajících přepravních cest. Mělo by se také zrychlit splnění cílů návrhu Fit for 55 a místo původních 40 procent podílu energie vyráběné z obnovitelných zdrojů dosáhnout do roku 2030 úrovně 45 procent. Znamenalo by to ještě větší podporu rozvoje „zelených“ elektráren, maximalizaci energetických úspor a masivní elektrifikaci. Slabinou větrných a solárních elektráren je jejich závislost na počasí, kdy je pro zajištění stabilní dodávky elektřiny nutno provozovat tzv. záložní zdroje v podobě uhelných nebo paroplynových elektráren. Jsou tedy současné technologie vůbec schopné tradiční energetické zdroje nahradit?

Vodík jako alternativa za zemní plyn

Velké naděje se vkládají do vodíku. Jedná se o nejlehčí plynný chemický prvek, který přitom podle odhadů tvoří až dvě třetiny celé vesmírné hmoty a téměř třetinu hmotnosti Slunce. Na Zemi jde o třetí nejrozšířenější prvek, který je ale vysoce reaktivní, takže samostatně se vůbec nevyskytuje. Jeho sloučeniny najdeme prakticky všude, také ve vodě, v zemním plynu nebo v metanolu. Z hlediska toxicity jde o zcela bezemisní látku bez chuti a zápachu, které neznečišťuje životní prostředí. Je sice hořlavá, ale hoření nepodporuje.

Může sloužit jako palivo místo zemního plynu? Teoreticky ano, ale v současné době se celosvětově 96 procent vodíku vyrábí z fosilních paliv, zejména takzvaným parním reformingem zemního plynu. Jde o poměrně levný chemický proces, kdy se vodní pára o teplotě 750 až 950 stupňů Celsia přivede k metanu. Směs páry a metanu reaguje, vzniká vodík (H), menší podíl oxidu uhličitého (CO₂) a oxid uhelnatý (C). Ten následně reaguje s další vodní párou a uvolňuje se další vodík a oxid uhličitý. Účinnost tohoto procesu dosahuje až 75 procent a vyrobený vodík nazýváme šedým vodíkem. Ale negativním jevem je produkce velkého množství CO₂, kdy na 1 kg vodíku, připadá 9–12 kg CO_2.

Takto vzniklé emise je možno snížit až o 95 procent kombinací parního reformingu s technologiemi na zachytávání CO₂ CCS (Carbon Capture Storage) nebo CCU (Carbon Capture Utilitization). Vodík vzešlý z tohoto procesu má následně název modrý vodík, nicméně při jeho výrobě stále hraje roli zemní plyn.

Evropská unie vzhlíží k výrobě vodíku elektrolýzou vody za použití elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Tímto způsobem se ale na celém světě nyní získávají sotva 4 procenta celkové výroby vodíku, který je navíc vedlejším produktem výroby chloru technologií elektrolýzy solanky. Vodík vzniklý jako vedlejší produkt chemické reakce nazýváme bílým vodíkem.  

Pokud je vodík primárním produktem a je vyráběn elektrolýzou vody za pomoci elektřiny z obnovitelných zdrojů, říká se mu zelený vodík a je považován za zcela bezemisní. Elektrolýzou demineralizované vody se štěpí chemické vazby mezi vodíkem a kyslíkem za vzniku plynného vodíku a kyslíku. Účinnost této výroby dosahuje rozmezí 50 až 60 procent podle technologie elektrolyzéru. Na výrobu 1 kg vodíku je potřeba přibližně 9 litrů demineralizované vody a kolem 50 kWh elektřiny.

Rozlišujeme ještě hnědý vodík, který se vyrábí zplynováním uhlí, nebo tyrkysový vodík získávaný ze zemního plynu, kdy je vedlejším produktem uhlík v pevném skupenství.

REPowerEU počítá s podporou výroby vodíku z obnovitelných zdrojů. Deset milionů tun zeleného vodíku by EU v řádu jednotek let chtěla dovážet, stejné množství by měla sama vyprodukovat především z přebytků solárních a větrných elektráren. Jejich instalovaný výkon by se tak během tří let měl zdvojnásobit na 320 GW a do roku 2030 by měl dosáhnout 600 GW. Je otázkou, jaká bude realita. Jisté je, že na každou tunu vyrobeného vodíku je potřeba přibližně 55 megawatthodin elektřiny, a kromě toho by požadovaných deset milionů tun zeleného vodíku znamenalo zajistit 90 milionů tun demineralizované vody…

Může Evropu spasit biometan?

Biometan je plyn vyráběný z biomasy nebo z organického odpadu v bioplynových stanicích. Při rozkladu organické hmoty bez přístupu vzduchu působením bakterií, kvasinek nebo hub vzniká bioplyn. Ten obsahuje kolem 50–55 procent metanu, který je součástí rovněž zemního plynu. Bioplyn je možno kromě biomasy vyrábět i z biologického odpadu, který vzniká v zemědělství, při chovu hospodářských zvířat nebo v potravinářství. Děje se tak v bioplynových stanicích, kde se ve fermentoru nebo reaktoru zředěná a rozmělněná organická masa promíchává a zahřívá na teplotu kolem 42 °C a rozkladné procesy vedou k produkci bioplynu. Ten se odvádí do plynojemu, upravuje a čistí.

Pokud se následně používá k výrobě elektřiny, po vyčištění se spaluje v kogenerační jednotce. To je spalovací motor s elektrickým generátorem přizpůsobený ke spalování bioplynu, který produkuje elektřinu, a teplo vzniklé při jeho chlazení je možné využít k vytápění obytných budov, zemědělských objektů, sušáren dřeva a podobně.  

Dosavadní praxe je taková, že elektřina a teplo vyrobené v bioplynové stanici jsou využívány především lokálně v daném místě. Je to nejefektivnější a z hlediska energetických ztrát či následných emisí také nejvhodnější způsob. Plány Evropské komise ale předpokládají, že bioplynky svůj plyn zpracují na biometan a odvedou jej do plynárenské soustavy, aby jím nahradily určitý objem zemního plynu.

Ve standardním bioplynu je přibližně výše zmíněných 50 až 55 procent metanu, kolem třetiny objemu tvoří oxid uhličitý (CO₂). Aby se z bioplynu stal biometan, je třeba zvýšit podíl biometanu na nejméně 95 procent a podíl CO₂ naopak snížit pod dvě a půl procenta, rovněž se odstraňují stopové příměsi sirných a dusíkatých sloučenin nebo majoritní inertní plyny.

V procesu přeměny bioplynu na biometan rozlišujeme dví hlavní fáze – čištění bioplynu a jeho zušlechťování. Při čištění bioplynu se odstraňuje voda a jiné stopové nečistoty, jako je sulfan nebo amoniak. Při zušlechťování se separuje metan a oxid uhličitý. Samotných metod na úpravu bioplynu je několik, pro příklad zde uveďme vysokotlakou vodní vypírku, chemickou vypírku, kryogenní nebo membránovou separaci. Výběr konkrétního postupu se odvíjí od zdroje bioplynu, požadavků na kvalitu biometanu, zpracovávané množství nebo zamýšlené použití výsledného produktu.

REPowerEU očekává, že biometan velmi rychle nahradí 17 miliard kubíků fosilního plynu, ve střednědobém horizontu mají evropské bioplynky produkovat až 35 miliard kubíků biometanu ročně a nahrazovat zhruba čtvrtinu ruského plynu. Pokud tomu tak skutečně bude a bioplynové stanice svůj plyn místo výroby elektřiny použijí v podobě biometanu do plynárenské sítě, může jimi dosud produkovaná elektřina chybět. Otázkou je rovněž dostupnost biomasy při takto velkorysém plánu na její spotřebu. Bude při jejím nedostatku nutné cíleně pěstovat vhodné zemědělské plodiny pro toto využití? To by znamenalo další energetické i emisní zatížení.

Zdá se, že přes výrazný technologický optimismus Evropské komise se bez fosilních paliv jen tak neobejdeme.