Dekarbonizace výroby oceli pomocí vodíku z jaderných zdrojů

Výroba oceli se podílí více než sedmi procenty na celosvětových emisích oxidu uhličitého (CO₂). Tento podíl má v nadcházejících desetiletích prudce vzrůst, a to v souvislosti s rostoucí poptávkou po oceli, která je klíčová pro odvětví od energetiky a dopravy až po stavebnictví a výrobu spotřebičů. Ročně se po celém světě vyrobí přibližně dvě miliardy tun oceli. Podle Mezinárodní energetické agentury (IEA) se očekává, že poptávka po oceli do roku 2050 vzroste o více než třetinu, a to především v rozvojových zemích.

Ocelářský průmysl je do značné míry závislý na koksovatelném uhlí, které pohání vysoké pece přeměňující železnou rudu na ocel – proces, při němž vzniká velké množství emisí CO₂. Ocel lze však vyrábět i metodou zvanou přímá redukce železa, při níž vodík reaguje se železnou rudou bez nutnosti tavení, přičemž vzniká pouze vodní pára a žádný CO₂. Země po celém světě zkoumají a testují využití jaderné energie k výrobě čistého vodíku, mimo jiné právě pro účely výroby oceli.

„Množství vodíku potřebné k výrobě tzv. zelené oceli je ohromující. K výrobě téměř veškerého vodíku se tradičně využívala fosilní paliva, a proto bude zajištění potřebného množství dekarbonizovaného vodíku jednou z největších výzev,“ uvedl Francesco Ganda, technický vedoucí pro neelektrické aplikace v MAAE. „Výroba vodíku pomocí jaderné energie, která je bezemisní, může pro toto odvětví znamenat skutečný průlom, neboť jaderná energetika má potenciál dodávat dostatek tepla a elektřiny pro výrobu požadovaného množství vodíku nepřetržitě (24 hodin denně, 7 dní v týdnu). To by mohlo výrazně přispět k pokroku v přechodu na čistou energii.“

Jaderná kogenerace

Jaderné reaktory propojené se zařízením na výrobu vodíku mohou v rámci kogeneračního systému efektivně vyrábět jak energii, tak vodík; takové systémy jsou vybaveny komponenty pro elektrolýzu nebo termochemické procesy. Elektrolýza je proces, při němž dochází k rozkladu molekul vody pomocí stejnosměrného elektrického proudu, čímž vzniká vodík a kyslík. Elektrolýza vody probíhá při relativně nízkých teplotách pod 100 °C, zatímco elektrolýza vodní páry vyžaduje mnohem vyšší teploty v rozmezí 700 až 800 °C, avšak spotřebovává méně elektrické energie. Elektrolýza vody je proces, při němž se pomocí elektřiny odděluje vodík od kyslíku obsaženého ve vodě; tato technologie je komerčně dostupná již po celá desetiletí. Vysokoteplotní elektrolýza funguje na stejném principu, využívá však vodu ve formě páry, čímž snižuje nároky na spotřebu elektřiny.

Díky pokroku v technologiích elektrolyzérů je výroba vodíku pomocí konvenčních jaderných reaktorů efektivnější a levnější. Jaderná elektrárna ve Spojených státech – Prairie Island v Minnesotě – instaluje vysokoteplotní elektrolyzér a využívá teplo z reaktoru ke snížení spotřeby elektřiny, a tím i nákladů na výrobu vodíku. „Vysokoteplotní proces využívající elektrolyzéry s pevnými oxidy (SOEC) dokáže zužitkovat tepelnou energii z jaderné elektrárny na přípravu páry, což těmto zařízením zajišťuje mimořádně vysokou účinnost,“ uvedl Akhil Batheja, ředitel pro rozvoj vodíkových technologií ve společnosti Bloom Energy, která vyrábí palivové články s pevnými oxidy pro výrobu energie. „Vzhledem k tomu, že náklady na elektřinu tvoří převážnou část celkových nákladů na výrobu vodíku elektrolýzou, představuje toto řešení z ekonomického hlediska nejvýhodnější možnost pro jaderné elektrárny i pro produkci nízkouhlíkového vodíku.“

Jak vyrábět vodík pomocí jaderného reaktoru

1) Klasická elektrolýza napájená jadernou elektřinou

Jaderná elektrárna vyrábí stabilní, nízkoemisní elektřinu, ta napájí elektrolyzéry. Tato technologie je nejzralejší, je vhodná pro současné reaktory (PWR, BWR), má však nižší účinnost než vysokoteplotní metody.

2) Vysokoteplotní parní elektrolýza (HTSE/HTE)

Používá páru o teplotě 700–850 °C, kterou dodá vysokoteplotní reaktor (HTGR, VHTR). Vysoká teplota snižuje elektrickou energii potřebnou k rozkladu vody, čili účinnost je vyšší. Typickým zařízením je SOEC (solid oxide electrolysis cell). Metoda je vhodná pro budoucí reaktory IV. generace.

3) Termochemické cykly štěpení vody

Reaktor dodává teplo 550–1000 °C, které umožní chemické reakce štěpící vodu bez elektřiny. Nejznámější cykly, které se dají použít: S–I (síra–jód), Ca–Br (vápník–brom), Cu–Cl (měď–chlor). Výhodou je teoreticky velmi vysoká účinnost, nevýhodou je, že technologie je méně vyvinutá, vyžaduje extrémní teploty a speciální materiály.

Výhodou použití jaderných reaktorů pro výrobu vodíku je hlavně stabilní dodávka energie – na rozdíl od obnovitelných zdrojů, nízké emise CO₂, možnost dodávat teplo i elektřinu zároveň a účinnější výroba u vysokoteplotních pokročilých reaktorů (HTGR, VHTR, MSR).

Demonstrace výroby vodíku u provozovaných jaderných elektráren (USA, Japonsko, Jižní Korea, UK) již existují. V USA běží pilotní projekty u elektráren s PWR, kde se testuje integrace PEM elektrolyzérů. Pokročilé reaktory (HTGR) jsou vyvíjeny právě s cílem kombinované výroby elektřiny a vodíku.

Úloha MAAE

MAAE pomáhá jednotlivým zemím podporou výzkumu zaměřeného na využití stávajících jaderných kapacit k výrobě vodíku, a to mimo jiné prostřednictvím koordinovaných výzkumných projektů. S cílem pomoci zemím při hodnocení, plánování a tvorbě strategií pro rozvoj projektů výroby vodíku z jaderné energie vyvinula program Hydrogen Economic Evaluation Programme (HEEP). Jde o nástroj pro posouzení technicko-ekonomické proveditelnosti velkokapacitní výroby vodíku s využitím jaderné energie. Kromě toho MAAE v roce 2022 zahájila iniciativu zaměřenou na vytvoření plánu (tzv. roadmapy) pro komerční zavádění výroby vodíku pomocí jaderné energie a zpřístupnila e‑learningový kurz o výrobě vodíku prostřednictvím jaderné kogenerace.

„Řada zemí po celém světě zkoumá a testuje využití jaderné energie k výrobě čistého vodíku, mimo jiné pro potřeby výroby oceli,“ uvedla Aline des Cloizeauxová, ředitelka divize jaderné energetiky MAAE. „Díky nástupu nových a účinnějších technologií elektrolyzérů a s výhledem na zavádění pokročilých reaktorových technologií, jako jsou vysokoteplotní reaktory, má jaderná energie skvělé předpoklady významně přispět k výrobě čistého vodíku i k dekarbonizaci výroby oceli a dalších průmyslových odvětví.“

Vodíková ekonomika získává v různých částech světa stále větší pozornost a silnější politickou podporu. Technologie výroby vodíku s využitím jaderné energie mají značný potenciál a oproti jiným zdrojům, o nichž se uvažuje v souvislosti se zvyšováním podílu vodíku v budoucí globální energetice, nabízejí řadu výhod. Volba konkrétní technologie výroby vodíku (která bude propojena s jaderným energetickým reaktorem) do značné míry závisí na typu samotné jaderné elektrárny.

Program pro ekonomické hodnocení vodíkových technologií (HEEP)

Program HEEP (Hydrogen Economic Evaluation Program) byl vyvinut a vydán Mezinárodní agenturou pro atomovou energii (MAAE) jako bezplatný nástroj pro posouzení ekonomiky výroby vodíku ve velkém měřítku s využitím jaderné energie. Tento software umožňuje hodnotit ekonomickou stránku čtyř nejslibnějších procesů výroby vodíku: vysokoteplotní a nízkoteplotní elektrolýzy, termochemických procesů (včetně procesu S-I), konvenční elektrolýzy a parního reformingu.

Software HEEP od MAAE je vhodný pro srovnávací studie – ať už jde o porovnání jaderných a fosilních zdrojů energie pro výrobu vodíku, nebo o posouzení samotné výroby vodíku či kogenerace (současné výroby vodíku a elektřiny). Modely v programu HEEP vycházejí z ekonomických a technických údajů a z modelování nákladů, které zahrnuje různé aspekty vodíkového hospodářství (včetně skladování, přepravy a distribuce) s možností vynechat či zahrnout konkrétní podrobnosti podle potřeb uživatele.

Download HEEP software

New update – version 2021

Kalkulačka pro vodíkové technologie (HydCalc)

Jedním z klíčových faktorů při rozhodování o výrobě vodíku pomocí jaderné energie je velikost jaderného reaktoru. Větší reaktory jsou vhodnější pro kogeneraci, zatímco menší a modulární reaktory se lépe hodí pro výrobu vodíku jakožto samostatného produktu. Dalším rozhodujícím faktorem je ekonomická stránka výroby, která se stává výhodnější díky zavedení daně z emisí uhlíku. Nástroj HydCalc byl vytvořen jako jednoduchá kalkulačka pro hrubý odhad nákladů na výrobu vodíku pomocí různých technologií. Využívá aktuální odhady cen z odborných publikací a článků a vypočítává náklady na výrobu vodíku na základě průměrných odhadovaných emisí CO₂. Zohledňuje rovněž vliv daně z emisí CO₂ na výrobní náklady.

Download HydCalc software

User's Manual

(Pro použití nástroje HydCalc si stáhněte soubor „Hydcalc.zip“ z výše uvedeného odkazu. Soubory rozbalte a program spusťte pomocí souboru HydCalc.exe. Pokud program spustíte přímo ze zabaleného (zip) souboru, nebude fungovat správně.)

Soubor nástrojů MAAE pro výrobu vodíku pomocí jaderné energie

Tento soubor nástrojů (toolkit) byl vyvinut agenturou s cílem usnadnit vyhledávání informací o jejích aktivitách v oblasti výroby vodíku pomocí jaderné energie; nástroj je volně ke stažení na webových stránkách MAAE.

Download Toolkit on Nuclear Hydrogen Production

 Zdroje: Nuclear hydrogen production | International Atomic Energy Agency

Decarbonizing Steel Production with Nuclear Hydrogen | International Atomic Energy Agency