Rozhovor s profesorem Karlem Bouzkem, děkanem Fakulty chemické technologie.
V březnu se uskutečnila tradiční mezinárodní konference Hydrogen Days 2021, kterou spoluorganizuje váš ústav. Vy patříte mezi otce zakladatele a zároveň jste předsedou scientific comittee. Jaké nové pozoruhodné poznatky o vodíkových technologiích a jejich využití přinesla?
Nejprve je třeba říci, že konference má ve srovnání s klasickými odbornými konferencemi poměrně nestandardní formát. V době, kdy vznikala (letos se uskutečnil 11. ročník – pozn. autora), se v České republice vodíkovými technologiemi zabývalo několik lidí na univerzitách a to bylo vše. V první fázi jsme se tak hlavně chtěli navzájem poznat a koordinovat svou činnost. Postupně jsme se posunuli primárně k edukaci širší veřejnosti a veřejné správy, podniků a firem. Současný stav je takový, že první den je zaměřen na informace o tom, jaký je vývoj evropské politiky, naše ministerstva typicky prezentují, jakou aktuálně volí strategii, jaké připravují programy apod. Na to pak navazují informace o větších demonstračních aktivitách, o stavbách celých provozů na ověření funkce vybraných procesů i širších celků, ať už financovaných z veřejných nebo soukromých peněz. Druhý den je zaměřen více technicky a odborně s tím, že letos vystoupili se svým příspěvkem experti od Chile až po Koreu. Záběr je skutečně široký, od výroby, skladování až po způsoby využití palivových článků. Hodně se řešilo i téma vzdělávání – dnes se akcentuje potenciál vodíkových technologií pro pracovní trh, mluví se o milionech nových pracovních míst. Jenže kolik lidí má dnes kvalifikaci a kolik škol nabízí specializované vzdělávání, počínaje téměř výučním listem přes techniky na různých úrovních technologie až po vývojovou sféru?
Přípravy podobně rozsáhlé akce seberou ohromnou porci času, a to nikoli jedince, ale celé řady lidí. Proč vám Hydrogen Days stojí za takovou námahu?
Jako všechno v lidském životě to má více rovin. Samozřejmě, že to děláte pro obor, abyste ho nějakým způsobem posunuli dál. U nás před pár lety opravdu neexistovalo žádné povědomí. 99 % lidí, kteří o vodíku něco slyšeli, a nebyla to havárie vzducholodi Hindenburg, mělo názor, že jde o nějakou hračku pro pár vědců v laboratořích, jež nemá pro reálný život žádný význam. Motivace edukovat společnost, státní instituce a představitele relevantních firem tak byla logická. Nešlo samozřejmě jen o nějakých altruistický počin, pokud chcete dělat nějaký výzkum, tak musíte přesvědčit společnost, laickou i odbornou, že má smysl. Další rovina je, že každý, kdo něco podobného dělá, tak zviditelňuje, ať už vědomě či nevědomě, sebe a svou mateřskou instituci. VŠCHT se v nyní rostoucí komunitě kolem vodíku pohybuje jako vůdčí instituce, která má nejvíce výzkumných i akademických aktivit, rozpracovaných projektů a vidí asi nejhlouběji do problematiky. Neskromně si myslím, že jsme takto ostatními vnímáni. VŠCHT je také dlouhodobě jediná členem Fuel Cells and Hydrogen Joint Undertaking, organizace typu Public-Private-Partnership, neboli partnerství veřejného a soukromého sektoru v rámcovém programu Horizon 2020 na evropské úrovni. Tato organizace je zodpovědná za definici výzkumných a rozvojových priorit financovaných Evropskou komisí v tomto programu.
Evropa i svět berou vodík jako jeden z potenciálně významných nástrojů pro snižování emisí CO2. Není to ale tak, že k výrobě vodíku jsou fosilní paliva potřeba?
Nezbytně potřeba nejsou. Původně se vodík vyráběl z elektrické energie. Dnes se uvádí, že 96 % vodíku je vyráběno čistě z fosilních paliv – zejména ze zemního plynu a zplyňováním uhlí. Jde ale o čistě pragmatický, ekonomický důvod. U zbývajících 4 %, která bývají uváděny jako elektrolytický vodík, rozhoduje původ elektrické energie, kterou použijeme. Ve ¾ z těch 4 % získáváme vodík jako vedlejší produkt při výrobě chloru. A jenom kolem 1 % je cílená výroba vodíku elektrochemicky pro průmyslové použití. Obvykle se to děje ve státech, které mají nadbytek levné energie – třeba Island vyrábí vodík elektrolyticky na výrobu průmyslových hnojiv – nebo kde cena vodíku nehraje roli. Například ve Švýcarsku mají pěknou instalaci, kde pomocí vodíku vyrábějí kameny do drahých náramkových hodin; vyrábí se na místě, a jestli stojí o dolar na kilo víc, nebo míň, u drahých hodinek nikoho netrápí. Navíc je to činí zcela nezávislými na vnějším dodavateli a usnadňuje veškeré plánování. Za zmínku asi stojí i ta skutečnost, že elekrolyticky produkovaný vodík a kyslík jsou vysoké čistoty a zabezpečují vysokou kvalitu výroby.
Jak se promítají způsoby výroby vodíku do nákladů?
Pokud se má vodík vyrobit z obnovitelné energie, jsou náklady minimálně pětkrát vyšší než v případě fosilních paliv. Cílem řady evropských výzkumných programů je samozřejmě snižovat cenu výroby. Pomůže také, když vodíková zařízení, která se používají, budou vyráběna v masovějším měřítku. Sníží se tudíž náklady na pracovní sílu. Velké úsilí se soustředí na změnu materiálových nároků, stability systémů a zvýšení energetické účinnosti. Stávající jednotky mají účinnosti kolem 40 %, ale zase jsou známy případy, kdy byly provozovány 20 let bez údržby. To je pro průmyslové firmy, které je provozují, zajímavý aspekt. My ale potřebujeme účinnost zvýšit nad 60 %.
Když člověk prochází laické zprávy o konkrétním využití vodíkových technologií, narazí hlavně na automobilovou dopravu, průmyslovou výrobu či leteckou dopravu. To ale pravděpodobně nebude úplný výčet…
Před dvaceti lety byl vodík brán jako prostředek na uchování energie v rámci schématu, že někde máte přebytek energie, použijete ho na rozštěpení vody na vodík a kyslík, kyslík vypustíte do vzduchu, vodík schováte. Až ho budete později potřebovat, použijete ho, kyslík vezmete ze vzduchu a vyrobíte energii.
Když si teď promluvíte s lidmi z průmyslu, ptají se, proč vodík nevyužijeme na něco užitečného. Může být využit například jako surovina v rafineriích. Koneckonců, strategický partner naší univerzity ORLEN Unipetrol spouští projekt, v jehož rámci instaluje fotovoltaické pole, kupuje elektrolyzér, který využije takto získanou elektrickou energii k výrobě vodíku. Ten chce následně použít ve výrobě fosilních paliv a snížit tak CO2 stopu paliva, které dodává. Získal by konkurenční výhodu na trhu, protože jeho palivo by zanechávalo nižší emisní stopu. Zrovna tak můžete vodík použít na výrobu průmyslových hnojiv, v ocelárnách jako redukční činidlo při výrobě oceli nebo jej lze katalyticky methanizovat s využitím CO2, které získáte z vhodného zdroje. Dnes na tomto přístupu vydělává AUDI, které nabízí auto poháněné spalovacím motorem s tím, že ekvivalent CO2, které auto uvolní během své životnosti, odeberou z bioplynových stanic a za využití vodíku získaného elektrolýzou ze zeleného proudu vyrobí metan, který vtlačí do distribuční sítě zemního plynu. Takže vaše auto se navenek bude tvářit jako CO2 neutrální. Tahle varianta s palivy je dnes brána rovněž jako nejschůdnější přístup k zelené dopravě v letectví. Musím ale upozornit, že to zní dobře na veřejnosti, ale chemičtí technologové s tím mají problém, protože získání čistého CO2, které jde dobře zpracovat, není úplně triviální věc a vhodných zdrojů je omezené množství.
Aktuálně vznikají pro vodíkové technologie strategie na národních úrovních, Evropa letos jednu ze svých strategií již implementuje. Co to znamená pro váš výzkum?
Pro nás jen dobře. Je úžasné sledovat, jak za poslední 2 až 3 roky akceleruje zájem českých firem, které vodík dlouho ignorovaly. Když jsme jako zakládající člen vstupovali do České vodíkové technologické platformy, tak tam byl Ústav jaderného výzkumu v Řeži, ČVUT a asi 3 firmy. Ty během dalších let zase vystoupily a vypadalo to, že se v tom budeme potácet sami. Teď v platformě začínají převažovat komerční průmyslové firmy, které jsou aktivní ve strojírenství, ale třeba i ve financích nebo automobilovém průmyslu. Změna na národní i evropské institucionální úrovni se projevuje i na zájmu o aplikované projekty. Technologická agentura má v právě vyhlášeném programu TA ČR Théta přímo samostatnou sekci věnovanou vodíku.
Z pohledu naší výzkumné skupiny pohledu se otevírá větší možnost aplikovaného výzkum v rámci ČR. Ale zejména doufám, že se dojde i k následnému efektu, běžnému na západ od našich hranic – a tím je zapojení velkých průmyslových partnerů. Je to problém, protože v projektech ve větším měřítku je v Evropě běžná poměrně vysoká míra spolufinancování, kterou školy nezvládnou. Otázka je, jestli se to ale v dohledné době podaří, neboť potíž tkví ve struktuře zdejšího průmyslu. Velké mezinárodní společnosti se zahraničními vlastníky mají mizivý zájem u nás realizovat dlouhodobý strategický výzkum. Naše národní firmy, které vznikly před 20 či 30 lety například v garáži, sice již mají stovky či tisíce zaměstnanců, ale pořád nejsou v pozici investovat do výzkumu s návratností 10-20 let. Za tříletou návratnost jde opravdu málokdo. Naopak v Německu či Anglii je to jinak, navíc v úplně jiných řádech.
Můžete uvést příklad?
V rámci jedné evropské výzvy byl udělen projekt Hydrogen Valley. Objem projektu je okolo 100 milionů euro, dotace z Evropy je 20 milionů, zbytek je spolufinancování, které musí být odjinud… Na Hydrogen Days mluvil zástupce Německého spolkového ministerstva pro vzdělávání a výzkum o tom, že spouštějí zvláštní program zaměřený výhradně na vodíkové technologie. Jednou z jeho částí jsou 3 vlajkové projekty, které mají rozpočet 700 milionů euro. Srovnejte tuto částku s ročním rozpočtem ČR na výzkum (směje se). To není stížnost, jen fakta. My jako Česká republika na tom nejsme špatně v participaci ve velkých evropských projektech v akademickém výzkumu, ale nemáme sílu na zapojení do velkých demonstračních projektů. Potřebujeme za sebou zázemí průmyslu, nemůžeme do toho jít sami.
Když jsme u evropských projektů, běží vám výzkumný projekt NEWELY, koordinovaný Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku. Oč jde?
Projekt probíhá v rámci Horizon 2020 a je zaměřen na nový konstrukční typ elektrolyzérů pro výrobu vodíku. Existují tři principiální typy elektrolytické výroby vodíku, které jsou v různém stupni zralosti pro uplatnění v praxi. Alkalický, ten vznikl už v 19. století a do dneška je základem velkých průmyslových aplikací. Pak je tzv. PEM, Proton Exchange Membrane, protonově vodivá polymerní membrána – tento typ vám umožní konstrukci jednotky o příkonu řádově 1 MW elektrické energie a o objemu přibližně metr krychlový. Z hlediska technika jde o něco úžasného a také to vzbudilo velké nadšení. Až takové, že alkalická cesta byla náhle považována za mrtvou. PEM jsou úžasné, jenže mají dvě drobné vady. Jsou drahé. A protože využívají platinové kovy a fluorované polymery, získávání, či výroba komponent nejsou příliš vstřícné k životnímu prostředí. Takže opět pošilháváme zpět po alkalickém typu a hledáme cesty, jak ji vylepšit. Naším cílem je vyvinout demonstrační, relativně malý elektrolyzér, který bude používat demineralizovanou vodu namísto koncentrovaného hydroxidu a bude schopen imitovat do jisté míry funkci toho úžasného PEM elektrolyzéru, ale na nutnosti využití neplatinových kovů.
Další mezinárodním projektem, na němž participujete, je NextAEC.
Cíl je podobný – vyvinout alkalický elektrolyzér, který bude na bázi membrán. Je ale stavěný na jiném typu separátorů, tzv. solvatujících membránách. Ty vyžadují a priori ke své funkci roztok hydroxidu draselného, ale tím, že využívají takzvané neporézní membrány, tak eliminují problém penetrace vodíku přes překážku a v důsledku toho rovněž nebezpečí vzniku explozivní směsi vodíku a kyslíku. Zajímavé je, že využíváme jiný typ materiálu než u NEWELY, přistupujeme jinak ke konstrukci elektrod a celkově k tomu, jak celu postavit. Je inspirativní pracovat na dvou odlišných cestách vedoucím ke stejnému cíli, sledovat a porovnávat jejich výhody a nevýhody.
Rád bych zmínil ještě projekt TeacHy, který je zaměřen na vývoj evropského kurikula magisterské studijního programu, přičemž má jít o program vyučovaný distanční formou. Samozřejmě s výjimkou laboratorní výuky. Koordinátorem je Birminghamská univerzita a zapojeni jsou všichni hlavní evropští hráči od Itálie po Dánsko. Největší výzvou budou národní legislativy členských zemí, protože každý partner funguje v jiném prostředí a má jiné požadavky na akreditaci odpovídajícího studijního programu. Je zajímavé zažít, jak třeba Birminghamská univerzita natvrdo bere nový program jako obchodní záležitost. Je o to zájem? Zaplatí školné? OK, nic jiného nás dvakrát nezajímá. Ostatní se začínají diverzifikovat podle toho, jak moc ta univerzita stojí na školném a veřejných prostředcích. My bychom teoreticky měli akreditovat distanční magisterský program na vodíkové technologie na VŠCHT, ale mám pocit, že ukládání oficiálních materiálů ve sdíleném prostoru, netradiční přístup k portfoliu garantů a další náležitosti nebudou NAÚ příliš vyhovovat. Jsem zvědav, jak to nakonec dopadne.
Jak si vedete v rámci výzev českých poskytovatelů podpory?
Na čistě národní úrovni řešíme jeden juniorský projekt GAČR, který získal náš postdoc z ChemJets na kyselou elektrolýzu vody. Vedle toho máme několik běžících projektů TA ČR, v jejichž rámci vyvíjíme například vodíkovou plničku či reversibilní alkalický palivový článek, jenž by fungoval jako elektrolyzér, a kdyby bylo třeba, tak by fungoval jako palivový článek. Dále participujeme na vývoji alkalických baterií země vzduch, kde je nositelem projektu sesterská Fakulta chemicko-inženýrská, nebo se podílíme na přípravě nákladního vozu Tatra s vodíkovým pohonem.
V rámci Norských fondů ještě koordinujeme vývoj nových bipolárních desek nebo se podílíme na návrhu strategie zavádění vodíkových vlaků na české železnice. Získali jsme také bilaterální projekty GAČR zaměřené na výzkum středně teplotních a vysokoteplotních palivových článků a rovněž kyselé membránové elektrolýzy.
V jednom z vašich popularizačních článků jsem se dočetl, že výzkum vodíku v ČR má 60letou tradici. Kdo stál na počátku?
ČKD (československý strojní podnik, která vznikl znárodněním společnosti Českomoravská-Kolben-Daněk, pozn. red.), kde tehdy vyráběli lokomotivy. Měli vývojové laboratoře a zkoušeli vyrobit alkalický palivový článek pro pohon těch lokomotiv. V 70. letech ale přišel útlum. Proč, to nevíme přesně, zprávy se rozcházejí. Jedni říkají, že to bylo díky ropné krizi. Státy produkující ropu zkusili vyšroubovat ceny, utáhli kohoutky, a tak se Západ vrhnul na vývoj alternativních technologií včetně palivových článků. Díky tomu byly palivové články označeny komunistickou propagandou za dekadentní kapitalistickou technologii, jíž se socialistické země nebudou zabývat. Druhá, asi pravděpodobnější, varianta zní, že výzkumníci potřebovali na palivové články těsnění a pojivo pro konstrukci plynově-difúzních elektrod na bázi Teflonu. Ten se tehdy ovšem dovážel za devizy.
Jaká je tradice výzkumu vodíkových technologií na VŠCHT?
V roce 1996 jsme podávali, bohužel neúspěšně, návrh prvního výzkumného projektu na vývoj polymerních elektrolytů pro palivové články ve spolupráci s ÚMCH AV ČR. To byla první vlaštovka. V roce 1998/1999 jsem pak byl na postdoku v Německu, kde jsem se zabýval palivovými články, konkrétně jsem zkoušel alternativní postupy výroby elektrod. Těsně před tím, než jsem postdok dokončil, mě oslovil kolega z Řecka, že na vodíkové technologie připravují evropský projekt v rámci 5. rámcové programu. Potřebovali někoho z východní Evropy, za což šlo získat dodatečné body v hodnocení…Nicméně projekt jsme dostali, já se mezitím vrátil na VŠCHT. Na přelomu let 2000/2001 jsme pak na tématu začali pracovat.
Proč jste se vůbec po skončení studia rozhodl pro vodíkové technologie?
Jak už to bývá – protože byla šance. Víte, co to znamená akademická svoboda? Máte tu svobodu bádat nad tím, na co dostanete peníze (směje se).
Šlo o souhru několika věcí. Po mé obhajobě předsedal můj školitel evropskému symposiu v oblasti elektrochemického inženýrství. S jedním z účastníků jsem seděl u večeře. Byl shodou okolností ředitelem výzkumného ústavu. Říkal jsem mu o tom, že bych rád brzo vyjel na postdok. Slovo dalo slovo, probírali jsme tématiky, které by zapadly do výzkumného programu jeho laboratoře, a vyšly z toho vodivé polymery a palivové články. Na dané téma jsem připravil přihlášku projektu. Zřejmě toto téma za zajímavé považovalo více lidí, neboť jej podpořila Humboldtova nadace, která můj postdok financovala. Nebyl to ale nikdy jediný směr, kterým jsem se já, nebo lidé v naší výzkumné skupině zabývali.