Vodík jako obnovitelný zdroj energie: Výhody a nevýhody

09.12.2025

Při hledání možných postupů dekarbonizace energetiky i mobility se jako jedna z možností jeví akumulace energie z bezuhlíkových zdrojů (obnovitelných občasných zdrojů energie, tedy OZE, a jaderných elektráren) do stlačeného nebo dokonce zkapalněného vodíku. Ten je pak možno převádět zpět na elektřinu či teplo, např. pomocí palivových článků. Vodík je stále důležitější jako slibný nosič čisté energie - zejména s ohledem na budoucnost, která bude ohleduplnější ke klimatu.

Proč ukládat energii do vodíku?

Proč se má ukládat energie z bezuhlíkových zdrojů do vodíku? Jaké druhy energie vodík pomůže akumulovat a posléze je znovu vyrobit a s jakou účinností? Pomůže dekarbonizovat dopravu a snížit emise skleníkových plynů z energetických zdrojů? Kolik elektrické energie musíme vyrobit, abychom získali zdroj pro náhradu fosilních paliv v dopravě? K odpovědím na tyto otázky se pokouší přispět tento článek.

Vodík lze použít jako akumulátor elektrické energie pro následnou zpětnou přeměnu na elektřinu nebo teplo prostřednictvím palivových článků - u vozidel nízkoteplotních, nebo spalovacích motorů s elektrickým generátorem, které poskytují možnost kogenerace tepla a elektřiny. Pro stacionární účely lze použít v kogeneraci i vysokoteplotní palivové články.

Výroba a skladování vodíku

Výroba a skladování vodíku jsou klíčové aspekty jeho využití jako zdroje energie. V budoucnu se uplatní elektrolýza vody za nízké či vysoké teploty, kdy je však spotřeba energie vždy značně vyšší než získaná potenciálně využitelná výhřevnost. Při využití elektřiny z obnovitelných zdrojů se získá vodík „zelený“, z jaderných elektráren „modrý“. Vedlejším využitelným produktem je kyslík.

Účinnost elektrolýzy se pohybuje mezi 60 a 80 % podle proudového zatížení elektrod a tlaku v elektrolyzéru (kapalná voda se nesmí při nízkoteplotních procesech vařit). Z toho důvodu jsou obvyklé elektrolyzéry velmi rozměrné a investičně náročné. Kompaktnější elektrolyzér lze zkonstruovat s kationtově (protonově) propustnou membránou, tedy s principem „obráceného“ palivového článku.

Čtěte také: Vodíková ekonomika: Realita nebo utopie?

Při vyhodnocování energie na výrobu vodíku je nutno současně vzít v potaz energetické náklady na jeho skladování, protože energetická hustota jak stlačeného, tak kapalněného vodíku je ve srovnání s dalšími palivy malá. V úvahu přichází stlačení - u osobních vozidel s kompozitovými tlakovými lahvemi se používá tlak 70 MPa, u nákladních vozidel a autobusů, případně drážních vozidel pak cca 35 MPa, tedy více než pro stlačený zemní plyn (CNG).

Další, spíše stále teoretickou možností je energeticky extrémně náročné zkapalnění (LH2) s ohledem na nízkou kritickou teplotu i velmi nízkou teplotu varu při atmosférickém tlaku. Jistým kompromisem, nejvýhodnějším z hlediska hustoty plynu samotného, je tzv. kryokomprese při teplotě poněkud nadkritické. Tlak bývá cca 25 MPa, teplota pod 60 K.

Nízkoteplotní palivové články

Nízkoteplotní palivové články s protonově propustnou membránou - PEM FC se intenzivně vyvíjejí od osmdesátých let minulého století díky plastovým teflonovým membránám. Pracují obvykle při teplotách na straně katody (vzduchu) do 80 °C, neboť membrána musí být zvlhčená vzniklou vodou.

Pro zvýšení výkonové hustoty jsou články pro vozidlové použití přeplňovány elektricky hnaným kompresorem nebo turbodmychadlem s vestavěným elektromotorem. Účinnost svazku sériově řazených článků s příslušenstvím je snížena o spotřebu energie pro pomocná zařízení a zřídka přesahuje 60 %. Pro použití ve vozidlech je nutné článek doplnit akumulátorovou baterií, protože na změnu zatížení reaguje dosti pomalu (u typických instalací pro osobní automobily v řádu sekund).

Cena současných palivových článků je vysoká i při srovnání s bateriemi, dosahuje cca 500-700 $/kW (Lithium-iontová baterie cca 300-600 $/kW), a to jak kvůli obsahu platiny a dalších vzácných prvků, tak kvůli náročné technologii. Platinový katalyzátor je citlivý na otravu oxidem uhelnatým, tedy také na přítomnost uhlovodíků. Na čistotu vodíku i vzduchu jsou proto kladeny vysoké nároky.

Čtěte také: Přírodní zdroje vodíku

Výroba tepla z vodíku

První je využití vodíku pro výrobu tepla, tedy prosté spalování, a to čistého vodíku nebo jeho směsi se zemním plynem nebo biometanem. Co se týče směsí s metanem, je sice výhřevnost u vodíku cca 2,5krát vyšší, ale plynová konstanta, nepřímo úměrná hustotě, je osmkrát vyšší. Výsledkem je, že hustota směsi obou paliv při zvyšujícím se obsahu vodíku klesá rychleji, než roste výhřevnost, takže objemová hustota energie klesá.

Překvapivější výsledky byly dosaženy i na mírně upravených vznětových motorech ve dvojpalivovém provozu, kde lze vodíkem nahradit přes 80 % motorové nafty. Nízké teploty plamene v chudé směsi přitom omezují nutnost použití drahých selektivních katalyzátorů oxidů dusíku, používajících jako redukční činidlo močovinu.

Energetická náročnost

Předchozí odstavce ukázaly důvody navýšení spotřeby primární elektrické energie při různém využití vodíku s ohledem na jeho akumulaci a zpětnou konverzi. Zejména při použití obnovitelných zdrojů jsou nároky na instalovaný výkon s jeho časovým využitím při podmínkách ČR cca 12 % (u větru by to bylo cca 21 %) zcela extrémní - při plnění zásobníku nahrazujícího naftu po celý rok by šlo o instalovaný výkon FVE mezi 59 a 73 GW (!) pro stlačení vodíku na 10 MPa a účinnosti elektrolýzy mezi 60 a 75 %.

Podle údajů z University of Bath ve Spojeném království lze odhadovat, že u bateriových úložišť, vodíku s palivovým článkem nebo u syntetického uhlovodíkového paliva se spalovacím motorem lze odhadovat poměr využití elektrické energie na svorkách nabíječky nebo výrobního zařízení v poměru 69 : 26 : 13. Hlavní slabinou syntetických paliv je nutnost využití zdroje obnovitelného oxidu uhličitého.

Jako kompromisní cesta se jeví japonský systém zachytávání oxidu uhličitého ze spalin elektráren na fosilní paliva a recyklace CO2 do kapalných paliv, tedy místo zachytávání a ukládání oxidu uhličitého (carbon capture and storage - CCS) jeho použití (carbon capture and use - CCU), což je energeticky méně náročné s ohledem na molární zlomek a parciální tlak CO2 ve spalinách v řádu vyšších jednotek procent, tedy tlakových poměrů pro rekompresi v řádu větších desítek.

Čtěte také: Voda a rozpustnost vodíku

Výhody a nevýhody vodíku

Podrobné energetické bilance použití vodíku ukazují stejně jako u bateriových vozidel výhody i nevýhody. Výhodou je akumulace elektrické energie z obnovitelných zdrojů, pokud se zajistí nepřerušovaný přívod energie během výroby. Vodík představuje levnější alternativu ve srovnání s akumulátorovými bateriemi, a to zejména pro případy zvládnutých spalovacích procesů v hořácích nebo spalovacích motorech.

Přidávání vodíku do metanových paliv je v principu možné, ale vyžaduje velkou opatrnost z hlediska seřízení hořáků i bezpečnosti potrubního systému proti únikům. Masivnější nasazení palivových článků je dosud nemožné z cenových i infrastrukturních důvodů a vyžádá si nejméně dalších deset let vývoje. Vybudování potřebné infrastruktury by mohlo být motivováno použitím dvoupalivových spalovacích motorů, které mohou být provozovány i na fosilní nebo obnovitelné kapalné palivo.

Transformace energetické struktury nebude v žádném případě levnou záležitostí a její aplikace je iluzorní v rozvojových zemích, produkujících nyní většinu skleníkových plynů.

Současná situace a perspektivy

Společnosti i státy už dlouhodobě vidí ve vodíku energetickou alternativu pro budoucnost, zvláště nyní s ohledem na energetickou krizi způsobenou ruskou invazí na Ukrajinu. A to mimo jiné i v dopravě. Automobilka Toyota nedávno uvedla na trh druhou generaci auta na vodík, Toyotu Mirai. V Česku se zatím prodalo 10 kusů.

Německá spolková vláda se například rozhodla investovat do dalšího cíleného vývoje vodíkové infrastruktury devět miliard eur a spolu s dalšími jedenadvaceti státy Evropské unie a Norskem zařadila vodík mezi projekty společného evropského zájmu. I přes zmiňované výhody, které vodík přináší, brání jeho masivnímu využití chybějící infrastruktura a vysoké náklady na jeho výrobu, skladování a distribuci.

Vodík bezpochyby patří mezi technologie, které mohou sehrát důležitou roli při přechodu k nízkoemisní energetice. Jeho potenciál je značný - může nahradit fosilní zdroje v řadě odvětví. Jenže zatím je to stále spíš jen představa než realita. Širšímu využívání vodíku brání vysoké náklady na výrobu zeleného vodíku, technologická náročnost jeho skladování i přepravy.

Aby se mohl vodík stát plnohodnotným pilířem udržitelné energetiky, bude potřeba další výzkum a vývoj jeho efektivnějšího zpracování - a zároveň realistické zhodnocení, kde dává využití vodíku smysl a kde by šlo spíše jen o „drbání se pravou rukou za levým uchem“. Tedy o zbytečně komplikované a nákladné řešení, často i se skrytou zátěží pro životní prostředí.