Zaujalo nás – inovácia z War-room-u

O vodíku sa v poslednom čase veľa píše a hovorí a to najmä v súvislosti s náhradou fosílnych palív. V budúcnosti sa čoraz viac uvažuje o využití vodíka ako paliva v námornej, leteckej, kamiónovej, či verejnej doprave. Na svete sú už aj osobné motorové vozidlá využívajúce vodík avšak zatiaľ v našich končinách sú raritou. Výhodou je ich oveľa rýchlejšie natankovanie v porovnaní s časom potrebným na nabitie batérií u čisto elektrických áut. Nevýhodou je zatiaľ cena vodíka. Ako vidieť na obrázku, najdrahším vodíkom je vodík vyrobený z obnoviteľných zdrojov a najlacnejším je vodík vyrobený parným reformingom zo zemného či koksárenského plynu. Na čerpacích staniciach je dnes možné kúpiť kilogram vodíka za cenu okolo 9 eur, čo je hodnota blízka hodnote ekvivalentu konvenčného paliva pre spaľovacie motory.

Projekt Black Horse

Dekarbonizácia so sebou priniesla výzvy, ako čo najefektívnejšie zredukovať oxid uhličitý v priebehu najbližších 20 rokov tým, že v roku 2050 chceme dosiahnuť uhlíkovú neutralitu. V rámci týchto výziev vznikol aj projekt Black Horse, ktorý je zameraný na využitie vodíka v doprave. Projekt plánuje postaviť 270 nových čerpacích staníc na vodík v krajinách V4 (v Poľsku 156 staníc, v Českej republike 40 staníc, na Slovensku 26 staníc a v Maďarsku 48 staníc). Zámerom je podporiť najmä nákladnú dopravu. Len pre predstavu, ak 10 000 nákladných vozidiel na vodík nahradí nákladné vozidlá na naftu, ročne tým znížime množstvo oxidu uhličitého (CO₂) o 890 000 ton. Tento európsky projekt má celkové predpokladané náklady pri prechode na vodíkovú nákladnú dopravu vo výške 5,8 mld. eur. Tieto náklady zahŕňajú zaobstaranie nákladných vozidiel na vodík, vybudovanie staníc na vodík, zariadení na výrobu vodíka - elektrolyzérov a zariadení na výrobu zelenej energie (solárne články, veterné turbíny, hydroelektrárne a pod.). V tejto súvislosti môžeme očakávať nedostatok zeleného vodíka, vodíka vyrábaného z  obnoviteľných zdrojov elektrickej energie. Dnes sa výrobné náklady zeleného vodíka pohybujú na úrovni 6,30 eur za 1 kg vodíka, pričom náklady na vodík vyrobený zo zemného plynu či koksárenského plynu sú na úrovni od 2,40 do 2,70 eur za 1 kg vodíka.

Koksárenské batérie môžu vyrábať sivý vodík

Zvýšený dopyt po vodíku je príležitosťou pre efektívne využitie našich dvoch koksárenských batérií, ktoré sú súčasťou dnešného hutníckeho výrobného cyklu. Využitím koksárenského plynu máme potenciál vyrobiť 100 - 200 ton tzv. sivého vodíka každý deň a napomôcť tak východoslovenskému regiónu redukovať CO₂ emisie v doprave. Toto množstvo vodíka je schopné plne zásobovať vodíkom prevádzku cca 3 000 kamiónov a tiež by umožnilo budovať vodíkovú infraštruktúru v regióne oveľa skôr ako bude dostupný zelený vodík získavaný elektrolýzou vody použitím obnoviteľných zdrojov. Všetky tieto skutočnosti nás vedú k inému pohľadu na hodnotu koksárenského plynu. Pre porovnanie, spotreba elektrickej energie na výrobu takého istého množstva, tzv. zeleného vodíka, je cca 500 MW. Jeden blok jadrovej elektrárne v Mochovciach má výkon do 500 MW.

V rámci integrovaného prvovýrobného komplexu sa ročne viac ako 2 mil. ton uhlia vyhreje na teplotu nad 950 ^oC prevažne použitím nízkokalorického vysokopecného plynu 3.1 MJ/Nm³ a jedným z produktov je hodnotný koksárensky plyn s výhrevnosťou nad 16 MJ/Nm³. Koksovňa u nás je akoby transformátorom nízkohodnotného vysokopecného plynu na vysokohodnotný koksárenský plyn.

Prečo sa dá vyrobiť vodík z koksárenského plynu? Je to vďaka jeho chemickému zloženiu. Koksárenský plyn totiž obsahuje až 55,2 % vodíka (H₂) a 21,1 % metánu (CH₄), zvyšok tvorí s 11,8 % dusík (N₂), 4,75 % oxid uhoľnatý (CO) a ďalšie plyny ako etylén (C₂H₄), oxid uhličitý a kyslík. Naše koksárenské batérie vyprodukujú ročne 832 miliónov kubíkov koksárenského plynu, čo predstavuje cca 40-45 tisíc ton vodíka.

Vedeli by sme vyrobiť 100 ton vodíka denne

Technológia výroby vodíka tzv. PSA technológiou (Pressure swing adsorption je technológia separácie niektorých druhov plynov zo zmesi plynov pod tlakom podľa molekulárnych charakteristík druhov a afinity k adsorpčnému materiálu). Týmto spôsobom by sme vedeli vyrobiť okolo 100 ton vodíka denne. Pri použití parného reformingu sa najprv vyrobí zmes oxidu uhoľnatého - CO a vodíka, tzv. syntézny plyn, ktorý je ľahko stlačiteľný a potom následným použitím PSA technológie je možné vyrobiť až raz toľko vodíka, cca 200 ton denne. V tomto prípade by celková hodnota vodíka pri dnešných cenách predstavovala benefit 500 tis. eur za deň. Vedľajší produkt, koncentrovaný CO plyn sa dá  využiť ako palivo, injektovaním cez výfučne alebo do šachty vysokých pecí. Touto technológiou  by sme mohli znížiť emisie z vysokopecného procesu o cca 12 % CO₂.

Vo svete je už dnes veľa príkladov využitia koksárenského plynu pri výrobe vodíka. Touto myšlienkou sa tiež zaoberá poľská firma Jastrzebska Spolka Weglowa - JSW Group, ktorá má štyri koksárenské batérie a uvažuje, že bude separovať vodík a zásobovať ním čerpacie vodíkové stanice po celom Poľsku. Ročne by vedeli vyrobiť až 74 tis. ton vodíka. Spoločnosť Zhejiang Zhenhai Oil Refining & Chemical Co Ltd. z Číny použila techniku výroby vodíka pomocou PSA technológie pri extrakcii vodíka z rozloženého a katalyzovaného suchého plynu s 96% mierou spätného získavania vodíka. Aj spoločnosti Wuhan Iron & Steel, Angang Steel, Pangang, Benxi Steel a ďalšie použili techniku PSA ako náhradu výroby vodíka procesom elektrolýzy z vody a znížili spotrebu energie, výrazne zlepšili kvalitu a produktivitu výrobkov, splnili požiadavky metalurgického priemyslu na vodík a vytvorili priaznivé podmienky pre technický vývoj.

U nás je v blízkej budúcnosti potenciál využitia vodíka ako paliva pre viac ako 400 nákladných vozidiel, ktoré denne prepravujú zvitky z USSK k našim zákazníkom a tak isto v súlade so stratégiou Košického regiónu využívať 90 vodíkových autobusov. Nás šedý vodík z koksovne by tak umožnil rýchlejší rozvoj vodíkovej infraštruktúry v košickom regióne bez čakania na dostatočné množstvo obnoviteľnej elektriny. Vtedy bude mať zmysel vybudovať centrálnu vodíkovú čerpaciu stanicu blízko U. S. Steel Košice.

Ďalším krokom ako využiť tepelnú energiu a ešte viac znížiť množstvo oxidu uhličitého, je využiť v procese výroby koksu technológiu CDQ (Coke Dry Quenching). Systém tzv. suchého chladenia koksu. To umožní spotrebovať až o 40% menej energie tak, že vytlačený koks s teplotou cca 950 ^oC sa chladí namiesto prúdu vody cirkulujúcim dusíkom, ktorý odovzdá zachytené teplo vo výmenníku, kde sa vyrobí vysokotlaká para a následne aj elektrická energia. Pri výrobe koksu cca 1, 5 milióna ton za rok je tak možné vyrobiť okolo 450 GWh elektrickej energie za rok.

Nová obchodná príležitosť

Vyššie spomínané technológie sú dobrým príkladom lepšieho a efektívnejšieho využívania existujúcich materiálových ako aj energetických zdrojov koksovne a dávajú nový pohlad na význam procesu výroby koksu v integrovanom oceliarenskom komplexe, zvlášť pri rýchlo rastúcej cene jednej tony CO₂, ktorá už prekročila hodnotu 50 EUR. Je to nová obchodná príležitosť. Koksovňa by sa stala významným energetickým centrom košickej oceliarne. Zásadne lepšie sa zhodnotia chemické zložky koksárenského plynu, teplo žeravého koksu, ktoré sa dnes vypúšta do atmosféry sa premení na vysokotlakú paru a elektrickú energiu, tiež sa vyrobi koncentrovaný CO plyn na redukciu oxidov železa vo vysokej peci,  ktorý zásadne zniži CO₂ emisie súvisiace s výrobou surového železa. Dnes by každá naša koksárenská batéria mohla cez suché hasenie žeraveho koksu poskytovať elektrický výkon na úrovni 20 – 26 MW. Toto je porovnatelný výkon ku dnešnej produkcii elektrickej energie z uhlia a po elektrifikácii processov i využitím externej nízkouhlíkovej elektriny zo siete  uplne alebo vo veľmi významnej miere nahradiť vysokouhlíkovú elektrickú energiu vyrobenú z uhlia. Tiež by sa šetrili státisíce kubikov vody ročne. Novým spôsobom chladený koks by mal veľmi nízku vlhkosť, lepšie metalurgické vlastnosti, čo je tiež príspevkom pre zníženie mernej spotreby paliva vo vysokopecnom procese a aj ďalšiu redukciu emisií oxidu uhličitého.

Podľa zverejnených informácií uznesenie Európskeho výboru regiónov zo 143. plenárneho zasadnutia v dňoch 17. – 19. marca 2021, bod 17, kde odznel “Akčný plán pre kritické suroviny”, v ktorom sa uvádza: Európsky výbor víta skutočnosť, že Európska komisia v aktuálnom zozname kritických surovín opätovne potvrdila koksovateľné uhlie ako jednu z dôležitých surovín pre oceliarsky priemysel; poukazuje na to, že táto surovina aj naďalej zostáva nenahraditeľnou pre oceliarsky priemysel, kým neexistujú technologicky a hospodársky životaschopné a plošne realizovateľné alternatívy; preto koksovne ako také zatiaľ stále môžu zohrávať významnú úlohu vo výrobe ocele a to v spojení s efektívnejším zhodnotením produktov.