Nejisté vyhlídky podzemního skladování vodíku v Evropě

ABSTRACT: European renewable hydrogen targets for 2030 require rapid development of not only production and transport but also storage capacities. However, underground hydrogen storage projects have not yet transcended the phase of pilot projects due to technological immaturity. Moreover, repurposing existing underground natural gas storage facilities comes with capacity losses and appears politically unviable in the short term.

Vodík má v evropské energetice budoucnosti hrát stěžejní roli nejen jako alternativní palivo v těžko dekarbonizovatelných sektorech, jakými jsou například některé části průmyslu, ale také jako zdroj flexibility. Druhému zmíněnému účelu by měly v budoucnu posloužit kombinace elektrolyzérů poháněných obnovitelnými zdroji, vodíkových elektráren (hydrogen-to-power) a podzemních úložišť vodíku (PÚV), umožňujících sezónní skladování velkých objemů obnovitelného plynu a zajišťujících jeho rovnoměrnou celoroční dostupnost.

Odborné studie i politické strategie se shodují, že bez PÚV to nepůjde. Jejich přínosy jsou pro budoucí evropský energetický systém zásadní: umožní efektivnější organizaci dekarbonizované energetiky, přispějí k nižší cenové volatilitě a pomohou omezit plýtvání obnovitelnou elektřinou (ať už v podobě nutnosti vypínat obnovitelné zdroje či naopak potřebě zapínat záložní výrobny využívající fosilní paliva), díky čemuž by měly rovněž uspíšit rozmach jak obnovitelných zdrojů, tak vodíkové ekonomiky.

KAM S VODÍKEM? NEJISTOTA PŘETRVÁVÁ

Společná studie analytiků z Artelys a Frontier Economics předpovídá, že pokud se Evropské unii povede naplnit cíl (stanovený strategií REPowerEU) spotřebovávat do konce desetiletí 20 Mt zeleného vodíku ročně, budou v roce 2030 potřeba PÚV schopná skladovat vodík o objemu ekvivalentním až 45 TWh elektřiny (asi 1,35 Mt). V polovině století, má-li se Evropa do té doby stát uhlíkově neutrální, by požadovaná skladovací kapacita mohla narůst až na téměř 300 TWh (asi 9 Mt). Tyto modelové předpovědi silně kontrastují s realitou: do roku 2030 je dosud ohlášeno 25 projektů s celkovou kapacitou zhruba 0,27 Mt.

Investicím do PÚV totiž brání mnoho bariér, od komplexních povolovacích procesů a nedostatku politické podpory po technologickou nejistotu. Ta přetrvává například ohledně čistoty směsi, v níž bude možné vodík skladovat, počtu vtlačovacích/vytěžovacích cyklů za rok, a nákladů spojených s čištěním zpětně vytěženého vodíku, jemuž v podzemí hrozí kontaminace mimo jiné kvůli mikrobiální aktivitě nebo chemickým reakcím se zbytkovými uhlovodíky.

Analýzy navíc mnohdy počítají s tím, že velkou část potřebné skladovací kapacity zajistí konverze lokací, které jsou dnes využívány jako zásobníky zemního plynu. Ve světle vývoje posledních dvou let a oživeného odhodlání evropských států zajistit energetickou bezpečnost se však nezdá pravděpodobné, že by byly (či měly být) ochotné vzdát se v blízkých letech ve prospěch vodíku větší části těchto úložišť.

Vlastnosti jednotlivých typů podzemních úložišť vodíku

Zdroj: Energiewirtschaftliches Institut an der Universität zu Köln (EWI) (2024). Die Bedeutung von Wasserstoffspeichern – Eine Analyse der Bedarfe, Potenziale und Kosten.

TECHNOLOGICKÉ (NE)MOŽNOSTI

Vodíková strategie České republiky představená v roce 2021 se podzemnímu skladování vodíku věnuje ve dvou krátkých odstavcích, vyzdvihujících možnost skladovat vodík buď v kombinaci s metanem v existujících zásobnících zemního plynu nebo v „čisté“ podobě ve vytěžených ropo-plynových strukturách. Zato nezmiňuje možnost ukládat vodík do solných kavern neboli umělých dutin v solných horninách vyhloubených pomocí tzv. těžby louhováním. A má k tomu dobrý důvod: geologický potenciál pro úložiště tohoto typu je v Česku mizivý.

Pro evropské plány na podzemní skladování vodíku je však tato technologie zásadní, jelikož je oproti alternativám zdaleka nejzralejší, nese nejmenší rizika (ať už co do znehodnocení uloženého plynu či jeho úniků) a umožňuje nejvyšší frekvenci vtlačovacích cyklů (během roku jich může být až deset). Komparativně navíc solné kaverny vyžadují nejmenší pracovní polštář, tj. relativní objem plynu (v poměru vůči celkové kapacitě), který musí v uložišti trvale zůstat pro zajištění správného tlaku a fungování. Zatímco v případě vytěžených struktur plynu či ropy musí tento polštář trvale zabírat více než polovinu celkového objemu (a u hlubokých zvodní až 80 %), u solných jeskyň by mohl stačit 20–30% podíl. U vytěžených ložisek navíc panují obavy ohledně možných reakcí vodíku se zbytkovými uhlovodíky.

Díky těmto a dalším výhodám jsou solné kaverny zatím bezkonkurenční – pokud však disponujete vhodnými lokacemi. Ty se obecně nacházejí v pobřežních lokalitách, které umožňují snadno se zbavit solného roztoku vzniklého během těžby. V Evropě dnes solné kaverny skladují zemní plyn o objemu ekvivalentním 200 TWh elektřiny (celkově podzemní úložiště na zemní plyn dosahují kapacity 1200 TWh). Kvůli nižší objemové hustotě vodíku by však jejich konverze stačila dle společnosti ENGIE na pouze asi 50 TWh.

Nejdůležitějším hráčem je v tomto směru Německo: s celkovou skladovací kapacitou 286 TWh pokrývá více než čtvrtinu celoevropské kapacity, z 62 % pak k tomuto účelu využívá právě solné jeskyně (37 % představují vytěžená ložiska, 1 % akvifery/zvodně). Studie výzkumníků z Institutu Ekonomie Energetiky na univerzitě v Kolíně nad Rýnem pak určila teoretický potenciál aktuálních německých úložišť konvertovaných na vodík na zhruba 30–33 TWh, z toho 18 TWh by měly obstarat vytěžené ropo-plynové struktury, zbytek solné kaverny.

Německý svaz společností zajišťujících skladování zemního plynu (INES) aktuálně předpokládá, že všech 31 jeskynních úložišť a 4 z 16 porézních úložišť bude na vodík během 5 až 7 let opravdu konvertováno a technologický potenciál beze zbytku naplněn. I tak by však existující úložiště Němcům stačila nejpozději do roku 2040, při konzervativnějších odhadech poptávky do roku 2050. Proto se studie z kolínské univerzity věnuje také výpočtu jak investičních, tak vyrovnaných nákladů na skladování vodíku („levelised cost of hydrogen storage“), které pro nově vyhloubené jeskyně odhaduje mezi 0,66–1,75 euro/kg (neboli 19,8–52,5 eur/MWh), v závislosti především na jejich hloubce, velikosti a počtu cyklů. Pro kontext: v současném německém energetickém systému by se výroba vodíku měla pohybovat kolem 3–4 eur za kilogram, podzemní ukládání touto formou by tedy tvořilo asi čtvrtinu celkových nákladů. Investice potřebné k vyhloubení a zprovoznění nových solných kavern se pak pohybují v řádu desítek milionů eur, přičemž průměrná jeskyně by měla uskladnit objem ekvivalentní 35 až 140 GWh elektřiny.

Vlastnosti různých způsobů ukládání energie

Zdroj: Artelys & Frontier Economics (2024). Why European underground hydrogen storage needs should be fulfilled, s.17.

PROJEKTY A PŘÍSLIBY

Velkoobjemová podzemní úložiště jsou nicméně zatím pouze v plánovacím stádiu. Například společnost ENGIE slibuje do roku 2030 napříč Francií, Spojeným královstvím a Německem kapacitu ekvivalentní 1 TWh elektřiny. Německý Uniper pak do konce desetiletí plánuje v solných jeskyních ukládat alespoň 250 GWh, první projekt na komerční škále však má být spuštěn až v roce 2029. Ambice má rovněž rakouská společnost RAG Austria, jež sází primárně na vytěžené plynové struktury: na jaře 2023 spustila v Gampernu (Horní Rakousy) první evropské PÚV ve vytěženém nalezišti, kombinované s elektrolyzérem o kapacitě 2 MW. Aktuální kapacita tohoto úložiště je nezanedbatelných 1,2 milionu m³ (ekvivalent 4,2 GWh elektřiny), což představuje zhruba desetinu objemu, který by u Gampernu měl být uskladněn v roce 2030, kdy společnost chce dosáhnout ukládání čistého vodíku namísto současné směsi, v níž má vodík pouze 10% podíl.

Inspiraci k rozsáhlým projektům lze také hledat za oceánem: největší optimismus budí projekt ACIES (Advanced Clean Energy Storage) v americkém Utahu, který kombinuje elektrolyzéry s celkovým výkonem 220 MW, paroplynovou elektrárnu s turbínou o výkonu 840 MW (schopnou využívat vodík nejdříve ve směsi se 70% podílem zemního plynu, do roku 2045 pak dle předpokladů v čisté formě) a dvě kaverny s celkovou kapacitou skladovat vodík ekvivalentní 300 GWh elektřiny. Projekt je financován pomocí úvěrové záruky od federálního Ministerstva pro energetiku ve výši více než půl miliardy dolarů (přes 11 miliard korun). Ve Spojených státech mají navíc se skladováním větších objemů vodíku v solných jeskyních dlouholeté zkušenosti: příkladem budiž projekt Clemens Dome v Texasu, který v hloubce 850 metrů uschovává pro využití v chemickém sektoru téměř 600 000 m³ vodíku (ekvivalentních necelým 92 GWh elektřiny) již od roku 1986, a to ve směsi s pouhými 5 % zemního plynu.

V Evropě můžeme podobné projekty zatím jen závidět, snad s výjimkou tří britských kavern u průmyslového centra Teesside. Ty mají celkový objem 210 000 m³, ukládají směs o čistotě srovnatelné s americkými jeskyněmi a fungují již od 70. let, a to navíc v téměř poloviční hloubce, která přináší nižší náklady. Jinde v Evropě solné kaverny dodnes pro vodík, i z geologických důvodů, na větší škále využity nebyly. První výrazný projekt (ač stále s dosti omezenou kapacitou), financovaný z velké části Evropskou unií, se teprve rozjíždí ve Francii pod názvem HyPSTER: úložiště doprovázené 1MW elektrolyzérem již uskladňuje asi 3 tuny vodíku (zatím ve směsi s 80 % zemního plynu), jeho funkční kapacita by ale do roku 2026 měla narůst na 44 tun. Celková kapacita jeskyně je sice podle oficiální dokumentace 80 tun vodíku (8000 m³), projekt však počítá s pracovním polštářem 36 tun, což naznačuje, že výše zmiňovaných 20 - 30 % z celkového objemu nebude u kavern vždy stačit.

Z hlediska ukládání čistého vodíku rozvíjí zajímavý projekt Uniper v německém Krummhörnu, kde byl historicky v solných jeskyních skladován zemní plyn. Projekt financovaný dolnosaskou vládou letos vstupuje do pilotní fáze, v níž bude vyhloubena testovací jeskyně o objemu 3000 m³, do které bude rovnou vtlačován čistý vodík. Případný úspěch by pak otevřel dveře konverzi existujících krummhörnských kavern s objemem přes 200 000 m³.

Fanoušek dynamického technologického vývoje se při pohledu na pokusy o podzemní ukládání vodíku rozhodně nemusí nudit. Ve tváři reality však těžko odolá skepticismu vůči evropským cílům pro konec tohoto desetiletí: i v případě vodíku roste skladovací kapacita ještě pomaleji než ta výrobní.