Vodíkové hospodářství nebo vodík hospodářství se týká ekonomického modelu , ve kterém dihydrogen (H 2) by sloužil jako vektor energie .
Tento princip poprvé zvážil Jules Verne v roce 1874 , poté podrobněji John Burdon Sanderson Haldane v roce 1923 a nacistické Německo jej využívalo k výrobě syntetických paliv z uhlí.
Produkce vodíku se v roce 2018 odhaduje na 74 Mt (milionů tun), z nichž většina je určena na rafinaci (odstranění síry) a výrobu amoniaku; 48% této produkce pochází ze zemního plynu, 30% z ropy, 18% z uhlí a 4% z elektrolýzy vody.
Vodíková ekonomika se stále více zmiňuje o svých potenciálních budoucích vyhlídkách , zejména:
Pojem vodíkové ekonomiky také evokuje globální ekonomický systém, který by mohl nahradit současnou ropnou ekonomiku , jak ji vyvolal prospektivista Jeremy Rifkin ve své knize o třetí průmyslové revoluci .
Dopad vodíku na klima zcela závisí na tom, jak se vyrábí, který může být „čistý“ (bez uhlíku) nebo „špinavý“, pokud pochází z fosilních uhlovodíků nebo kontroverzní agrochemikálie .
Od roku 2020 odstartuje Zelený pakt pro Evropu a dotace stanovené v evropském plánu obnovy vlnu projektů na výrobu vodíku bez obsahu uhlíku.
V roce 1800 objevili William Nicholson a Sir Anthony Carlisle elektrolýzu vody .
V roce 1839 objevil švýcarský chemik Christian Friedrich Schönbein princip palivového článku a v roce 1845 vyrobil William Robert Grove první palivový článek, který nazval benzínovou galvanickou baterií .
V roce 1874 , Jules Verne napsal ve svém románu L'Île mystérieuse : „Ano, moji přátelé, věřím, že voda bude jeden den být použit jako palivo, že vodík a kyslík, které ji tvoří, použitý samostatně nebo současně, bude poskytovat. nevyčerpatelný zdroj tepla a světla o intenzitě, kterou uhlí nemohlo mít “ .
V roce 1910 , Fritz Haber podán patent pro chemický proces určený k syntéze amoniaku (NH 3 ) z atmosférické dusného (N 2 ) a vodíku (H 2 ) plynu v přítomnosti katalyzátoru ; za tuto práci obdržel Nobelovu cenu za chemii z roku 1918; proces Haber byl pak k dokonalosti Francouz Georges Claude , zakladatel společnosti L' Air Liquide . Vodík se stává surovinou v chemickém průmyslu, zejména pro výrobu hnojiv a výbušnin .
Princip vodíkové ekonomiky zvažuje podrobněji než Jules Verne představením konceptu obnovitelného vodíku John Burdon Sanderson Haldane v roce 1923 ve svém článku „Věda a budoucnost“.
Nacistické Německo používalo vodík k výrobě syntetických paliv z uhlí.
V roce 1959 , Francis Thomas Bacon , z University of Cambridge, postavil první prototyp palivového článku, 5 kW , který by sloužil jako model pro budoucí palivových článků používaných v Apollo vesmírné mise .
V roce 1970 vytvořil elektrochemik John Bockris (en) termín „vodíková ekonomika“; později by vydal „Energie: Alternativa solárního vodíku“, která popisuje jeho vizi ekonomiky, kde jsou americká města poháněna solární energií pomocí vodíku, což kompenzuje její přerušovaný charakter.
V roce 1990 byl uveden do provozu první závod na výrobu vodíku na solární energii v Bavorsku (Solar-Wasserstoff-Bayern).
V roce 2002 , Jeremy Rifkin znovu - „Po Oil Ends novou ekonomickou revoluci Hydrogen Economy“ a diskutuje o tom v jeho knihu s názvem 2011 knihu o třetí průmyslové revoluce .
Produkce vodíku se v roce 2018 odhaduje na 74 Mt (milionů tun), z nichž většina je určena na rafinaci (odstranění síry) a výrobu amoniaku; 48% této produkce pochází ze zemního plynu, 30% z ropy, 18% z uhlí a 4% z elektrolýzy vody.
Vodík se v továrně vyrábí dvěma hlavními procesy:
Výrobní náklady na „zelený vodík“ se v roce 2020 odhadují na 5 € / kg oproti 2,5 € / kg pro „modrý vodík“ a 1,5 € / kg pro „šedý vodík“, avšak Rada pro vodík, která sdružuje hlavní výrobce v odvětví odhaduje, že náklady na „zelený“ vodík lze do roku 2030 snížit o více než polovinu, pokud budou elektrolyzéry nasazeny v masovém měřítku (90 GW ), aby se snížily jejich náklady a výrazně se snížila cena elektřiny z obnovitelných zdrojů prostřednictvím vývoje i v tomto scénáři mnozí věří, že vodík nebude schopen skutečně vzlétnout bez daně z paliva. uhlíku.
Další výrobní metody jsou studovány jako např
Vodík se v současné době používá hlavně v chemickém průmyslu (výroba amoniaku a methanolu) a petrochemickém průmyslu (rafinace ropy), jakož i v menším množství k výrobě rostlinných tuků.
V odvětví dopravy lze vodík používat kromě vozidel poháněných bateriemi. Zdá se, že se objevuje shoda, že vozidla s bateriovým pohonem jsou vhodnější pro lehká vozidla s malými denními vzdálenostmi (méně než 100 km / den), zatímco vodík má své místo tam, kde baterie prostě není životaschopná., Například na dlouhé vzdálenosti těžký transport. Pro námořní a leteckou dopravu může být výhodná nízká hustota vodíku, takže mohou být preferovány deriváty jako čpavek nebo syntetická paliva.
Podle ADEME je účinnost přeměny elektřiny → vodík → elektřiny (anglicky: „Power-to-H2-to-Power“) řádově 25%, nebo dokonce 30% s nejlepším současným zařízením; tato energetická účinnost je mnohem nižší než u přímého spalování jiného paliva nebo elektrochemického skladování pomocí akumulátorů nebo baterií: přibližně 70%, ale v závislosti na použití a kontextech mohou výhody a omezení těchto dvou řešení být výhodnější jeden nebo druhý, nebo kombinace obou.
Podle Samuele Furfariho citovaného v časopise Nature Climate Change (září 2020) je vodík z pohledu samotné energetické účinnosti zajímavý pouze tehdy, když se používá jako řešení přerušení obnovitelných energií.
Ve stejném článku se Holanďan Ad van Wijk domnívá, že účinnost by neměla být jediným odkazem, je rovněž nutné vzít v úvahu celkové náklady: „stejný solární panel bude na Saharu generovat 2 až 3krát více energie než“ v Nederlands. Pokud přeměníte tuto energii na vodík, přenesete ji sem a přeměníte ji zpět na energii pomocí palivového článku , získáte více energie, než kdybyste tento solární panel umístili na holandskou střechu. " ; Dodává, že elektrický kabel přepravuje nejlépe 1 až 2 GW, zatímco průměrný plynovod (jehož výstavba je 10 až 20krát levnější) přepraví 20 GW.
Jiní přikládají větší důležitost skutečnosti, že vodík nevydává CO 2 spálením, což z něj činí ideální nosič energie v hustě osídlených oblastech.
Pokud jde o objem, ziskovost a ekologický zájem - za předpokladu, že je vodík „zelený“ - těžký průmysl (zejména metalurgie) a chemikálie představují první potenciál, ale společnosti nejsou připraveny platit cenu. Zelený plyn je v současné době několikrát dražší než šedá; což vysvětluje „tlak těžkého průmyslu na integraci zeleného vodíku do silniční dopravy tak, aby část původních nákladů nesli vlastníci osobních automobilů. Věříme však, že to bude vzácný zdroj a že má větší smysl zvyšovat poptávku v odvětvích, jako je těžký průmysl, kde neexistuje žádná alternativa k dekarbonizaci “ .
Vodík s velmi nízkou hustotou musí být stlačen na vysoký tlak ( 200 až 700 barů), aby byl transportovatelný v přiměřeném objemu. Kromě bezpečnostních problémů, které zahrnuje, vyžaduje tato komprese spoustu energie. Může však být také skladován v plynoměrech při velmi nízkém tlaku ( 2 bary) a poté znovu vstřikován do plynové sítě, jako je to, co se již dělá pro zásobování ropných rafinérií v Dunkirku na severu Francie. Nakonec jej lze skladovat v pevné formě prostřednictvím hydridů . Jiná řešení jsou zvažována, ale zatím nejsou zvládnuta; Předpokládá se skladování v kapalné formě při velmi nízké teplotě, které se však nekontroluje na palubě vozidla, zatímco například u rakety Ariane je již dlouho řízeno .
Doprava: to by vyžadovalo významnou infrastrukturu ve spojení s čerpacími stanicemi a pro elektrická vozidla k výrobě, skladování a přepravě vodíku na vzdálenosti napříč zemí. Jedná se o úsilí srovnatelné s rozvojem ropných distribučních kanálů, které trvalo několik desetiletí. Náklady na zavedení kompletního distribučního systému mohou jen pro Spojené státy dosáhnout 10 až 15 miliard dolarů . Tato ekonomická brzda znamená, že přechod na vodík může být výsledkem pouze zevšeobecněného výběru a také vyžaduje vyhlazení stávajících obtíží.
v února 2020„Společnosti Volvo a Daimler spolu s logistickými giganty, jako jsou Deutsche Post DHL a Schenker, uvedly, že budoucnost nákladní nákladní dopravy je pro ně lokálně elektrická pro krátké cesty a hybridní (elektrická + vodíková) pro dlouhé cesty.
Vodíková ekonomika se stále více zmiňuje o svých potenciálních budoucích vyhlídkách , zejména:
Dopad vodíku na klima zcela závisí na tom, jak se vyrábí, což může být čisté nebo špinavé, pokud pochází z fosilních uhlovodíků nebo kontroverzních agrochemikálií ; Dries Acke (vedoucí energetického programu Evropské klimatické nadace, jehož cílem je katalyzovat přechod k uhlíkově neutrální ekonomice „ Energetická účinnost , obnovitelné zdroje a přímá elektrifikace jsou hlavními řešeními [ke změně klimatu]“ Je do toho zapojen vodík. je nezbytné k dosažení nulové čisté hodnoty v určitých odvětvích, jako je průmysl, ale mluvíme o posledním 20% snížení emisí . “
Mezinárodní agentura pro energii (IEA) pocházel její „velký potenciál“ ve vůbec první zprávě o vodíkemčervna 2019.
Podle agentury Bloomberg New Energy Finance čistý vodík „může do roku 2050 pomoci snížit nejtvrdší třetinu celosvětových emisí skleníkových plynů“ do rokubřezen 2020.
Zpočátku se vodíková ekonomika zaměřovala na velké průmyslové nebo institucionální subjekty, a to kvůli investičním nákladům spojeným s její vznikající povahou. Zdá se však, že se objeví „obecnější“ použití s demokratizací vodíkového palivového článku nebo například první domácí vodíkový nástěnný kotel uveden do provozu (Nizozemsko) v polovině roku 2019 před plánováním větší zkoušky ve Velké Británii (více než 400 strojů nainstalován do konce roku 2020).
V roce 2020 se v rámci plánů hospodářské obnovy objevilo mnoho projektů elektrolyzérů, přičemž oznámené velikosti projektů vzrostly z 10 MW na 1 až 10 GW pro uvedení do provozu v roce 2030, tj. Stokrát větší nárůst nebo 1000 velikostí elektrolyzérů inzerovaných v jeden rok; 80 GW je ve vývoji, z toho 50 GW oznámených v roce 2020.
Světová dvojka v průmyslových plynech, Air Liquide , plánuje v březnu 2021 ztrojnásobit svůj obrat z vodíku, který dnes poskytuje méně než 10% jejích příjmů, z 2 miliard EUR dnes na více než 6 miliard EUR v roce 2035. Vodík představuje téměř 30% emisí společnosti Air Liquide, tedy přibližně 9 milionů tun ročně. Společnost oznamuje v roce 2030 kapacitu pro elektrolýzu 3 000 MW , což je dost na to, aby poskytla 120 milionů tun zeleného vodíku denně. Rovněž plánuje vyrábět vodík z biometanu. Celkově bude téměř polovina vodíku společnosti Air Liquide vyrobena bezuhlíkovým způsobem v letech 2030 až 2035.
V Evropě je implementace vodíkové ekonomiky organizována různými aktéry. Veřejného a soukromého sektoru pro palivové články a vodík Společný podnik (FCH JU) Vodík Europe řídí financování projektů výzkumu a vývoje. Spravuje ji Evropská komise , sdružení průmyslníků Hydrogen Europe a sdružení výzkumných subjektů Hydrogen Europe Research.
V roce 2018 se vodík objeví v osmi scénářích čistých nulových emisí CO 2z Evropské komise pro rok 2050 . A Zelený pakt pro Evropu zavazuje Evropu, aby se do roku 2050 stala prvním klimaticky neutrálním kontinentem na světě. Společnost NEL, výrobce elektrolyzérů, oznamuje vytvoření továrny s výrobní kapacitou 360 MW / rok, neboli desetinásobek její roční produkce.
The 8. července 2020Komise představila svůj vodíkový projekt na rok 2050 s cílem zvýšit vodík na 12 nebo 14% energetické skladby; výrobní kapacita by měla dosáhnout 6 GW v roce 2024, poté 40 GW v roce 2030. Komise odhaduje investiční potřeby mezi 180 a 470 miliardami eur do roku 2050. Thierry Breton , evropský komisař odpovědný za vnitřní trh, oznamuje vytvoření „vodíkové aliance“ „Sdružování průmyslníků, členských států a zástupců občanské společnosti s cílem „ reindustrializovat Evropu při respektování klimatického imperativu “ . Komise nakonec po náročných interních debatách navrhla, aby nejprve nebyl vyloučen žádný mechanismus výroby vodíku: mezi potenciálními kandidáty bude i nadále jaderná energie, stejně jako fosilní paliva s technologií zachycování uhlíku.
Provozovatelé sítí plynu GRTgaz (francouzsky) a Creos (Lucembursko a německé) oznámitčervence 2020vytvoření vodíkové sítě MosaHyc (Moselle Sarre Hydrogen Conversion) do roku 2022 na základě stávajících infrastruktur; tento přeshraniční plynovod o délce 70 km bude sloužit průmyslu v Moselle, Saaru a Lucembursku. Na platformě Carling se Uniper připravuje na uzavření uhelné elektrárny Émile-Huchet a uvolní blok, který by mohl pojmout jednotku na výrobu vodíku elektrolýzou. Studie zveřejněná v roce 2019 devíti provozovateli v tomto odvětví ukazuje možnost integrace v krátkodobém horizontu a bez větších úprav 10%, poté 20% vodíku do směsi plynů, než se do roku 2050 uvažuje o „klastrech“. 100% vodík.
Průmyslové projekty usilující o snížení nákladů na výrobu bezuhlíkového vodíku radikální změnou rozsahu se množí: norská Nel oznamuje na konci ledna 2021 projekt výstavby nové automatizované výrobní linky schopné produkovat až 500 MW ročně doufá tedy, že své výrobní náklady téměř vydělí 2; projekt CEA a Schlumberger na vybudování „gigafactory“ v Béziers od roku 2025 by dosáhl roční výrobní kapacity 1 GW , přičemž podle CEA by měl být cíl nižší než 2 € za kilogram zeleného vodíku, oproti ceně, která se pohybuje mezi € 4 a 6 EUR v roce 2020. Společnost Siemens Energy and Air Liquide rovněž oznamuje v únoru 2021 podepsání memoranda o porozumění k výrobě elektrolyzérů v průmyslovém měřítku ve Francii a Německu. Uvažuje se o třech technologiích: nejvyspělejší technologií je alkalická elektrolýza, která má podíl na trhu téměř 80%, ale někteří výrobci, jako jsou Siemens Energy, Linde nebo Air Liquide, sázejí na potenciál technologie elektrolýzy PEM, která lépe reaguje na přerušovanost obnovitelných energií, ale dražší; CEA a Schlumberger zkoumají třetí cestu, která byla dosud testována pouze v laboratoři: vysokoteplotní elektrolýza, která slibuje zvýšení výtěžku o 20 až 30%.
NěmeckoMinistr hospodářství Peter Altmaier slibuje5. listopadu 2019dokončení národní strategie do konce roku 2019 „připravit půdu pro to, aby se Německo stalo světovou jedničkou v oblasti vodíkových technologií“ . Německo pokrývá více než 40% své spotřeby elektřiny obnovitelnými energiemi a země chce do roku 2030 zvýšit tento podíl na 65%; obejít se bez uhlí od roku 2038, kdy v roce 2018 stále poskytoval 38% spotřeby elektřiny v zemi, bude nutné energii z větrných turbín a solární energii ukládat ve formě vodíku vyrobeného elektrolýzou, aby bylo možné ji využívat přímo, například v chemickém nebo ocelářském průmyslu, nebo jako palivo pro vodíková auta, jejichž počet se v roce 2022 očekává na 60 000.
The 10. června 2020, německá rada ministrů přijala svoji „národní strategii pro vodík“, která zmobilizuje 7 miliard ze 130 miliard eur německého plánu obnovy: Německo si klade za cíl stát se „dodavatelem a výrobcem číslo 1“ vodíku. Cílem je dosáhnout v roce 2030 výrobní kapacity vodíku z obnovitelných zdrojů energie 5 GW , poté 10 GW v roce 2040. Proces elektrolýzy vody na výrobu vodíku zahrnuje 30% energetické ztráty; vláda proto odhaduje, že k výrobě 14 TWh vodíku, což odpovídá cílené hodnotě 5 GW, bude zapotřebí 20 TWh obnovitelné elektřiny . Vláda plánuje další 2 miliardy eur na rozvoj a zabezpečení dodávek prostřednictvím mezinárodních partnerství; téhož dne bylo podepsáno první partnerství s Marokem. Úsilí se zaměří na odvětví, která mají nejbližší ekonomickou životaschopnost nebo která nelze jinak dekarbonizovat, především na ocelářství, které představuje přibližně 30% emisí CO 2 .Německý průmysl, stejně jako chemický a nákladní nebo hromadná doprava; Pod tlakem unie CDU-CSU plán počítá také s dotacemi 2,1 miliardy eur na nákup vodíkových osobních automobilů z celkového objemu 3,6 miliardy.
FrancieV roce 2019 bude vodík spotřebovaný ve Francii splňovat téměř výhradně neenergetické průmyslové využití, zejména v odvětví rafinace ropy a chemickém průmyslu. Vodík používaný v těchto procesech se vyrábí hlavně z fosilních paliv (95% z plynu, ropy a uhlí), která emitují CO 2. Část této výroby je „fatální“ a je spojena s příslušnými průmyslovými činnostmi. Dalších (asi 40%) se vyrábí specializovanými jednotkami na parní reformaci metanu: mohl by být nahrazen nízkouhlíkovým vodíkem vyráběným elektrolýzou, elektřina vyrobená ve Francii je již z velké části bez uhlíku (93%) a ohlášené uzavření uhelné elektrárny budou dále zlepšovat svou uhlíkovou stopu.