PEM vs alkalické vs pevné oxidové elektrolyzéry: Souboj vodíkových technologií 2025

Vodíkové elektrolyzéry jsou srdcem revoluce zeleného vodíku. V tomto komplexním srovnání zkoumáme tři hlavní technologie elektrolýzy vody – protonvýměnná membrána (PEM), alkalická a tuhý oxid (SOEC) elektrolyzéry – a zdůrazňujeme, jak každá z nich funguje, jejich účinnost, náklady, životnost a nejnovější vývoj k roku 2024–2025. Podíváme se také, které technologie jsou vhodné pro přerušované obnovitelné zdroje, kdo jsou lídři trhu, jaké jsou nové inovace na obzoru, environmentální aspekty a co říkají odborníci o budoucnosti těchto elektrolyzérů.

Principy fungování a chemie

Alkalické elektrolyzéry: Alkalické systémy jsou nejstarší a nejzavedenější technologií elektrolyzérů. Používají kapalný elektrolyt (obvykle hydroxid draselný, KOH) a elektrody na bázi niklu. Po přivedení proudu se voda na katodě štěpí za vzniku vodíku a hydroxidových iontů (OH⁻). OH⁻ ionty migrují elektrolytem k anodě, kde se spojují za vzniku kyslíku a vody energy.gov energy.gov. Celková reakce je jednoduše štěpení vody na H₂ a O₂. Protože elektrolyt je kapalný, alkalické články obvykle pracují při středních teplotách (< 100 °C, často kolem 60–80 °C) energy.gov stargatehydrogen.com. Tento vyspělý design se používá desítky let (např. v chlor-alkalickém průmyslu a v závodech na výrobu hnojiv) a je známý svou robustností a jednoduchostí. Výstupní vodík z alkalických elektrolyzérů je vysoce čistý, ale může obsahovat malé stopy vlhkosti nebo KOH, takže pro vodík určený pro palivové články může být nutná následná úprava stargatehydrogen.com.

Elektrolyzéry s protonvým výměnným membránou (PEM): PEM elektrolyzéry používají jako elektrolyt pevnou polymerní membránu (protonvým výměnnou membránu). Voda je přiváděna na anodovou stranu, kde se štěpí na kyslík, protony (H⁺) a elektrony energy.gov. Membrána vede pouze protony, takže ionty H⁺ procházejí membránou ke katodě. Tam se znovu spojují s elektrony (dodávanými vnějším obvodem) a vytvářejí vodík energy.gov. Samotná PEM membrána zabraňuje mísení plynů, což vede k velmi vysoké čistotě vodíku (často >99,999 %) na katodě stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. PEM elektrolyzéry pracují při relativně nízkých teplotách (obvykle ~50–80 °C), podobně jako alkalické systémy energy.gov. Vyžadují drahé kovové katalyzátory (iridium na anodě, platina na katodě) a vysoce čištěnou vodu. Pevný elektrolyt a rychlý transport protonů umožňují rychlou odezvu a spuštění, což činí PEM jednotky velmi flexibilními v provozu stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com.

Pevné oxidové elektrolyzéry (SOEC): Pevné oxidové elektrolyzérní články fungují na zásadně odlišném principu – při vysokých teplotách (obvykle 700–850 °C) využívají pevný keramický elektrolyt, který vede kyslíkové ionty (O²⁻) energy.gov energy.gov. Místo kapalné vody je ke katodě přiváděna pára. Zde je pára (H₂O) redukována: přijímá elektrony a štěpí se na vodík (H₂) a kyslíkové ionty energy.gov. Ionty O²⁻ migrují skrz keramický elektrolyt k anodě, kde odevzdávají elektrony a tvoří plyn O₂ energy.gov. V podstatě jsou SOEC jako pevné oxidové palivové články naruby – využívají elektřinu (a teplo) k rozkladu páry na H₂ a O₂. Provoz při vysokých teplotách znamená, že část energie je dodávána ve formě tepla, což snižuje množství elektrické energie potřebné na kilogram vyrobeného vodíku. SOEC často využívají odpadní teplo z průmyslových procesů nebo koncentrované zdroje tepla (dokonce i jaderné elektrárny) ke zvýšení účinnosti energy.gov hydrogentechworld.com. To je však vykoupeno složitými keramickými materiály a nutností udržovat vysoké provozní teploty. (Je třeba poznamenat, že probíhá výzkum a vývoj v oblasti keramické elektrolýzy při středních teplotách kolem 500–600 °C s novými materiály energy.gov, ale dnešní komerční SOEC jednotky stále pracují při ~750 °C nebo vyšších teplotách.)

Účinnost a provozní teploty

Elektrická účinnost: V praktických podmínkách mají konvenční alkalické a PEM elektrolyzéry podobnou účinnost – navzdory některým představám, že jeden je ze své podstaty účinnější než druhý. Při srovnání na ekvivalentním základě (celková účinnost systému při plném zatížení) platí, že „téměř všechny PEM a alkalické účinnosti jsou ve stejném rozmezí“ eh2.com. Typické komerční systémy vyžadují přibližně 55–60 kWh elektřiny na kilogram H₂ vyrobeného eh2.com, což odpovídá asi 55–65% účinnosti (na základě nižší výhřevnosti). Jinými slovy, jak alkalické, tak PEM jednotky spotřebují něco málo pod 60 kWh na výrobu 1 kg H₂ (který obsahuje ~33 kWh energie LHV). Každá technologie má své konstrukční nuance – například alkalické články mohou ztrácet část účinnosti při velmi vysokých proudových hustotách a PEM systémy mohou vykazovat mírně vyšší špičkovou účinnost při částečném zatížení – ale v praxi je jejich průměrný výkon srovnatelný eh2.com eh2.com. Nedávná data z desítek projektů ukazují, že alkalické a PEM elektrolyzéry se pohybují ve stejném pásmu účinnosti, když se započítají všechny ztráty (stoh + balance-of-plant) eh2.com.

Účinnost SOEC při vysokých teplotách: Pevné oxidové elektrolyzéry mohou dosáhnout vyšší elektrické účinnosti díky využití tepla k provedení části práce při štěpení vody. Ve skutečnosti může dobře provozovaný SOEC vyrobit o 20–25 % více vodíku na kW vstupního výkonu než stejně velká jednotka PEM nebo alkalická hydrogentechworld.com. Například v roce 2023 bylo oznámeno, že 4MW SOEC systém Bloom Energy v NASA generoval vodík o 25 % efektivněji než nízkoteplotní (PEM/AWE) elektrolýza hydrogentechworld.com. Společnost Sunfire (německý vývojář SOEC) podobně dosáhla přibližně 84% účinnosti LHV ve své vícemegawattové SOEC jednotce díky využití odpadního tepla iea.org. Je však důležité poznamenat, že výhoda účinnosti SOEC přichází pouze pokud je k dispozici vysokoteplotní pára; energie je stále potřeba k výrobě této páry. Pokud je SOEC napájen externě ohřívanou párou (např. využitím průmyslového odpadního tepla nebo tepla z jaderného reaktoru), spotřeba elektřiny na kg H₂ je dramaticky nižší než u systému PEM/alkalického iea.org hydrogentechworld.com. Bez externího zdroje tepla by SOEC musel použít část své vlastní vstupní elektřiny na ohřev, což snižuje čistý zisk. Shrnutě, SOEC nabízí nejvyšší teoretickou účinnost ze všech tří – v řádu 80 % a více – ale dosažení těchto hodnot závisí na integraci elektrolyzéru se zdrojem tepla.

Rozsahy provozních teplot: Provozní teplota je klíčovým rozlišovacím faktorem:

• Alkalické: ~60–100 °C u většiny konstrukcí energy.gov stargatehydrogen.com. Tato střední teplota je potřebná pro dobrou iontovou vodivost v kapalném elektrolytu, ale je dostatečně nízká, aby ji běžné materiály (ocel, nikl) snadno zvládly.
• PEM: ~50–80 °C, někdy až do ~90 °C energy.gov stargatehydrogen.com. PEM systémy pracují o něco chladněji než alkalické, protože vodivost a životnost polymerní membrány jsou v tomto rozmezí optimální. Provoz při nízké teplotě znamená rychlý start a vypnutí.
• SOEC: ~700–850 °C pro oxid-iónové keramiky energy.gov energy.gov. Tato vysoká teplota vyžaduje speciální keramické články a izolaci. Znamená to také, že SOEC nelze rychle zapínat/vypínat ze studeného stavu – obvykle musí zůstat horké (nebo být pomalu zahřívány), aby se zabránilo tepelnému šoku.

Kapitálové náklady (CapEx) a provozní náklady (OpEx)

Kapitálové výdaje: Alkalické elektrolyzéry mají výhodu v počátečních nákladech díky použití jednoduchých, levných materiálů a desetiletím výrobních zkušeností. V nedávných analýzách mají alkalické systémy nejnižší CapEx na kW ze všech tří technologií. Například Mezinárodní energetická agentura (IEA) uvádí typické instalační náklady kolem 2 000 $ na kW pro alkalické elektrolyzéry oproti přibližně 2 450 $ na kW pro PEM systémy iea.org. (Na trzích jako je Čína, kde se alkalické jednotky vyrábějí sériově, mohou být ceny tak nízké jako 750–1 300 $/kW pro alkalické stohy iea.org.) Cenový rozdíl vyplývá z drahé membrány a katalyzátoru PEM: elektrody PEM používají kovy platinové skupiny jako iridium a platinu a samotná membrána je nákladný perfluorovaný polymer. Tyto speciální materiály způsobují, že systémy PEM jsou zhruba o 20 % dražší než alkalické v současných projektech iea.org. Je však třeba říci, že náklady na PEM rychle klesají – na výrobní (neinstalované) bázi se odhaduje, že nedávné PEM systémy stojí kolem 700–1 100 $/kW při nízkých objemech výroby energy.gov, což není o mnoho více než alkalické v rozmezí 500–750 $/kW energy.gov. Jak se technologie PEM rozšiřuje, odborníci předpovídají, že rozdíl se bude zmenšovat. Ve skutečnosti jeden čínský výrobce PEM předpověděl, že do roku 2030 by PEM elektrolyzéry mohly stát pouze asi dvakrát tolik co alkalické (oproti několikanásobně vyšší ceně v minulosti) h-raypem.com.

Pevné oxidové elektrolyzéry se zatím nevyrábějí ve velkém měřítku, takže jejich současné kapitálové náklady jsou vysoké. Pilotní jednotky SOEC jsou dnes uváděny v rozmezí 2 000–3 000 USD/kW energy.gov. Očekávají se však výrazné úspory nákladů, jakmile technologie dozraje. Společnosti jako Bloom Energy a Topsoe plánují do konce 20. let 21. století hromadně vyrábět SOEC na automatizovaných linkách, což by mohlo v dlouhodobém horizontu snížit náklady na několik set dolarů za kW energy.gov iea.org. Shrnutí: Alkalické elektrolyzéry jsou nejlevnější z hlediska pořizovacích nákladů, PEM je zatím o ~20–30 % dražší a SOEC je v současnosti nejdražší (cena pilotních jednotek), ale má potenciál ke zlevnění.

Provozní náklady: Hlavní složkou provozních nákladů každého elektrolyzéru je elektřina. Proto je účinnost klíčová – rozdíl 5 % v účinnosti může při drahé elektřině výrazně ovlivnit cenu $/kg vodíku. V tomto ohledu může výhoda účinnosti SOEC znamenat nižší náklady na elektřinu na kg H₂ pokud je k dispozici levné teplo (pro páru). U PEM a alkalických elektrolyzérů jsou jejich účinnosti podobné, takže náklady na elektřinu na kg jsou zhruba stejné. Rozdíly v provozních nákladech tedy vyplývají spíše z údržby a výměny článků (viz další sekce) a z provozního režimu elektrolyzéru (stálý vs. proměnlivý výkon). Jedna nuance: PEM elektrolyzéry často mohou pracovat při vyšších proudových hustotách (více vodíku na plochu článku), ale za cenu určité ztráty účinnosti a rychlejší degradace energy.gov. Provozovatelé se mohou rozhodnout provozovat PEM články intenzivněji (získat více vodíku z menší jednotky) nebo naopak šetřit účinnost – jde o konstrukční/provozní kompromis. Alkalické systémy naproti tomu často využívají větší plochy článků a nepracují s tak vysokými proudy na cm², což přispívá k jejich větší fyzické velikosti, ale také dlouhodobé stabilitě.

Do provozních nákladů se promítají i náklady na údržbu (náhradní díly, práce). Alkalické systémy mohou vyžadovat pravidelnou údržbu kapalného elektrolytu (např. filtrování nebo výměnu KOH v čase) a údržbu čerpadel a těsnění, zatímco PEM systémy se vyhýbají manipulaci s kapalinou, ale mohou potřebovat deionizační kartuše pro udržení ultračisté vody a pečlivé sledování stavu membrány. O životnosti budeme hovořit níže, ale pokud je nutné PEM článek měnit častěji než alkalický, zvyšuje to efektivní provozní náklady. Na druhou stranu alkalické systémy často vyžadují následné čištění plynu (odstranění KOH mlhy nebo zajištění čistoty kyslíku), což znamená malou ztrátu účinnosti a náklady na údržbu, zatímco vodík z PEM je díky konstrukci ultračistý stargatehydrogen.com.

Životnost a požadavky na údržbu

Jedním z nejdůležitějších, ale zároveň složitých srovnání je životnost elektrolyzérových stohů a jakou údržbu během svého života vyžadují.

Životnost alkalických elektrolyzérů: Tradiční alkalické elektrolyzéry jsou známé svou dlouhověkostí – desítky let provozních zkušeností v průmyslových podmínkách ukazují, že mohou běžet desítky tisíc hodin. Výrobci často uvádějí životnost stohů v rozmezí 60 000–90 000 hodin (což je 7–10 let nepřetržitého provozu) před větší renovací greenh2world.com. Ve skutečnosti společnost Sunfire oznámila, že její moderní tlakové alkalické jednotky překročily 90 000 provozních hodin v terénu greenh2world.com. Část této životnosti je dána relativně mírnými provozními podmínkami (žádné extrémní změny pH na elektrodách, protože KOH je konzistentní, a mírné teploty) a použitím odolných materiálů, jako je nerezová ocel a nikl. Údržba alkalických elektrolyzérů je obecně považována za jednoduchou: technologie je „snadnější na monitorování, údržbu a provoz,“ jak uvádí jedna průmyslová analýza johncockerill.com. Typické jsou pravidelné kontroly koncentrace elektrolytu a výměna spotřebních dílů (těsnění, separátory nebo elektrolyt, pokud dojde k jeho karbonizaci). Mnoho alkalických systémů lze servisovat přímo na místě běžným nářadím a neobsahují křehké membránové materiály, které by vyžadovaly speciální zacházení stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. Alkalické elektrody však mohou během dlouhých období trpět korozí a jejich výkon se může pomalu snižovat, jak elektrody stárnou nebo se hromadí nečistoty. Když stoh dosáhne konce své životnosti, hlavní údržbovou událostí je jeho výměna nebo renovace (například výměna elektrodových desek).

Životnost PEM: PEM elektrolyzéry, jakožto novější technologie, měly historicky kratší životnost – rané PEM stohy mohly vydržet pouze 20 000–40 000 hodin, než došlo k významné degradaci. Nedávné pokroky však výrazně zlepšily odolnost. Nejmodernější PEM stohy nyní cílí na 60 000–80 000 hodin provozu energy.gov (7–9 let) za optimálních podmínek. Přesto jsou PEM považovány za o něco kratší životnost než alkalické stejné velikosti stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. Omezujícími faktory jsou chemická degradace membrány, opotřebení katalytické vrstvy (zejména pokud je zátěž často cyklována) a mechanické namáhání tenké polymerní membrány. PEM stohy také vyžadují velmi čistou vodu; jakékoli nečistoty mohou zanášet membránu nebo katalyzátor, proto je nutné udržovat systémy na úpravu vody. Co se týče údržby, PEM systémy mají méně pohyblivých částí (v mnoha konstrukcích nejsou čerpadla pro cirkulaci kapalného elektrolytu, protože přívod vody je jednodušší), ale vyžadují specializovanější péči. Výměna PEM membránovo-elektrodového sestavení (MEA) je citlivý úkol, který se obvykle provádí v renovačním centru nebo výrobcem, nikoli v běžné tovární dílně. Potřeba katalyzátorů z drahých kovů znamená, že recyklace a zpětné získávání těchto katalyzátorů na konci životnosti je důležité (nákladový faktor, ale také příležitost k recyklaci). Celkově je údržba PEM obvykle složitější a nákladnější než u alkalických, jak uvádějí průmyslové zdroje stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com – to zahrnuje jak vyšší cenu dílů (membrány, katalyzátory), tak specializovanou práci na jejich servis. Výrobci na to reagují zlepšováním životnosti membrán a vývojem levnějších, modulárních stohů, které lze snadněji vyměnit.

Životnost SOEC: Pevné oxidové elektrolyzéry jsou stále v rané fázi komercializace a životnost je jednou z jejich největších výzev. Provoz při 800 °C způsobuje tepelné namáhání a degradaci materiálů, což může zkrátit životnost stohu. Současné demonstrační jednotky SOEC uvádějí životnost přibližně 20 000 hodin (pouze několik let) před výrazným poklesem výkonu energy.gov. Cílem je dosáhnout 40 000–60 000 hodin s dalším výzkumem a vývojem energy.gov. Mezi poruchové režimy SOEC patří praskliny způsobené tepelným cyklováním, sintrování nebo otrava elektrod a selhání těsnění. Kvůli těmto výzvám může být nutná častější výměna SOEC stohů, dokud technologie nedozraje. K údržbě: SOEC systémy jsou složité – vyžadují vysokoteplotní izolaci, výměníky tepla a někdy zařízení na výrobu páry. To znamená, že je zde více podpůrných komponent, které vyžadují údržbu (hořáky nebo elektrické ohřívače pro spuštění, dmychadla na horký plyn atd.). Jakékoliv neplánované ochlazení a opětovné zahřátí stohu může buňky namáhat, proto se operátoři snaží udržovat SOEC stohy při teplotě, případně je nechávají běžet na nízký výkon, místo častého vypínání. Vysokoteplotní materiály (keramické buňky, propojky ze speciálních slitin) se neobsluhují tak snadno jako kovy; pokud stoh selže, obvykle se musí vyměnit jako celek. Výrobci jako Bloom a Sunfire využívají své zkušenosti z oblasti palivových článků s pevným oxidem k prodloužení životnosti SOEC – například SOEC jednotky Bloom používají stejnou platformu buněk jako jejich SOFC, které v terénu nasbíraly miliardy provozních hodin hydrogentechworld.com. První výsledky jsou slibné: pilotní jednotka Bloom o výkonu 4 MW běžela 4 500 hodin při plném zatížení se stabilním výkonem hydrogentechworld.com. Jak se technologie zlepšuje, očekáváme prodloužení intervalů údržby SOEC a jejich přiblížení k jiným elektrolyzérům, ale zatím SOEC pravděpodobně vyžadují častější výměnu stohů a pečlivé tepelné řízení.

Vhodnost pro přerušitelné obnovitelné zdroje energie

Integrace elektrolyzérů s přerušitelnými obnovitelnými zdroji (solární, větrné) je klíčovým případem použití pro výrobu skutečně „zeleného“ vodíku. Různé typy elektrolyzérů zvládají kolísající vstupy energie různě:

• PEM elektrolyzéry jsou vysoce flexibilní a vynikají při zvládání proměnlivého výkonu. Mají rychlý start a dobu odezvy, dokážou přejít z pohotovostního režimu na plný výkon během několika sekund nebo minut stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. Díky tomu jsou PEM ideální pro přímé propojení se solárními/ větrnými zdroji, které mohou mít rychlé výkyvy. Mohou také efektivně pracovat v širokém rozsahu zatížení – i při 10 % nebo 20 % kapacity může PEM elektrolyzér stále produkovat vodík bez výrazné ztráty účinnosti nebo rizika poškození. Tento široký dynamický rozsah je velkou výhodou pro integraci obnovitelných zdrojů. V praxi byly PEM jednotky využívány k dynamickému pohlcování přebytečné energie ze sítě nebo ke sledování výroby solární fotovoltaiky v minutovém rozlišení.
• Alkalické elektrolyzéry měly historicky pomalejší náběh a nejlépe fungují při stabilním provozu, ale moderní konstrukce se výrazně zlepšily. Tradiční alkalické systémy potřebovaly čas na zahřátí a stabilizaci; navíc náhlé změny výkonu mohly způsobit problémy, jako jsou bubliny plynu v elektrolytu nebo kolísání tlaku. Nové „alkalické elektrolyzéry s přetlakem“ mají přidané funkce, které toto řeší: pracují při vyšším tlaku a mají lepší vnitřní separaci plynů, což jim umožňuje rychlejší náběh a snadnější cyklování johncockerill.com johncockerill.com. Výrobci uvádějí, že pokročilé alkalické jednotky nyní dokážou „sledovat proměnlivou zátěž z obnovitelných zdrojů“ mnohem lépe než dříve johncockerill.com. Přesto je alkalická technologie obecně pomalejší při startu a úpravě výkonu než PEM stargatehydrogen.com. Pokud větrná farma náhle zvýší výkon z 50 % na 100 %, PEM elektrolyzér může okamžitě přijmout dodatečný výkon, zatímco alkalický systém může potřebovat řízený náběh. Pro aplikace s velmi častými cykly zapnutí/vypnutí nebo tam, kde elektrolyzér může být v klidu a pak se denně spouštět, je často upřednostňován PEM. Alkalické elektrolyzéry mohou samozřejmě také pracovat s obnovitelnými zdroji – ostatně mnoho velkých solárně poháněných H₂ projektů v letech 2023–2024 je založeno na alkalické technologii – ale elektrolyzéry mohou být provozovány spíše v ustáleném režimu (krátkodobé výkyvy se vyrovnávají malou baterií nebo mírným omezením solárního výkonu, místo aby se elektrolyzér příliš často cykloval).
• SOEC elektrolyzéry jsou v současném stavu méně vhodné pro přerušovaný provoz. Protože SOEC musí zůstat horký (stovky stupňů Celsia), není možné jej zcela vypnout, když zapadne slunce nebo ustane vítr – časté tepelné cyklování by výrazně zkrátilo jeho životnost. SOEC se proto předpokládají pro použití buď s konstantními zdroji energie (např. jaderná, geotermální) nebo v průmyslových centrech, kde mohou využívat stabilní toky odpadního tepla. Pokud by byly spojeny s obnovitelnými zdroji, SOEC by pravděpodobně vyžadoval nějakou formu akumulace energie nebo doplňkového ohřevu k udržení teploty při poklesu elektrického vstupu. Je však třeba poznamenat, že dynamický provoz není nemožný. Společnost Bloom Energy prokázala, že jejich SOEC dokáže snížit výkon ze 100 % na 5 % za méně než 10 minut bez negativních dopadů a i při nízkém zatížení zůstala účinnost vysoká hydrogentechworld.com. To naznačuje, že pokud je SOEC zařízení udržováno v horkém stavu (například akumulací tepla nebo použitím hybridního topného systému), může do určité míry modulovat výstup vodíku. Prakticky vzato je však SOEC nejvhodnější pro poměrně stabilní, vysoce využívaný provoz, zatímco PEM (a vylepšené alkalické) technologie lépe zvládají přímé napojení na velmi přerušované zdroje.

Shrnuto, PEM je často nejlepší volbou pro projekty s přerušovanou obnovitelnou energií díky rychlé odezvě a účinnosti při částečném zatížení stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. Alkalická technologie dohání díky tlakovaným, dynamičtějším konstrukcím, které ji činí životaschopnou pro mnoho systémů poháněných obnovitelnými zdroji (zejména u větších zařízení, kde jsou drobná zpoždění nebo určité vyrovnávání zvládnutelné) johncockerill.com johncockerill.com. SOEC je naopak v současnosti zaměřen na případy s nepřetržitým provozem, ačkoliv budoucí inovace (nebo použití hybridních konfigurací) jim mohou umožnit pracovat s proměnlivým výkonem v určitých specifických situacích.

Komerční dostupnost a oblasti využití

Oba dva typy elektrolyzérů, alkalické a PEM, jsou plně komerční (TRL 9) a široce nasazované po celém světě iea.org. Alkalické elektrolyzéry jsou tahounem průmyslové výroby vodíku – používají se již více než půl století v aplikacích jako je výroba amoniaku, rafinace ropy (pro hydrogenační procesy), výroba plaveného skla a chemikálií. Mnoho starších instalací bylo malých (několik MW), ale alkalické jednotky byly navýšeny: probíhá nebo je v provozu několik projektů s kapacitou přes 100 MW. Ve skutečnosti v současnosti alkalická technologie představuje přibližně 70–90 % nově instalované kapacity elektrolyzérů ročně johncockerill.com, a to díky nižším nákladům a dlouhodobé spolehlivosti. PEM elektrolyzéry, ačkoliv jsou novější, si rychle získaly pozici v aplikacích vyžadujících flexibilitu nebo vysoce čistý vodík. Jsou běžné v vodíkových čerpacích stanicích (kde je potřeba rychlá odezva a kompaktní rozměry), v power-to-gas demonstracích a jako součást projektů akumulace energie z obnovitelných zdrojů. Největší PEM elektrolyzér v provozu má kapacitu kolem 20 MW johncockerill.com (v závodě Air Liquide v Bécancour v Kanadě a podobně velké jednotky v Německu a Číně) – zatímco alkalické elektrolyzéry tuto velikost již překonaly (například jeden alkalický závod v Číně má 260 MW, jak je popsáno níže). Přesto i PEM technologie směřuje k větším projektům, přičemž PEM závody třídy 100 MW jsou ve fázi plánování nebo výstavby (například projekt Refhyne II společnosti Shell v Německu, plánovaný na ~2027).

Technologie pevných oxidů (SOEC) je na prahu komercializace. V současnosti je ve fázi demonstrace (TRL 7–8), přičemž několik pilotních projektů o výkonu několika megawattů potvrzuje funkčnost konceptu iea.org iea.org. Například v roce 2023 byl 2,6MW SOEC elektrolyzér instalován v rafinerii Neste v Nizozemsku – tehdy šlo o největší SOEC systém na světě iea.org. Jen o několik týdnů později uvedla společnost Bloom Energy do provozu ještě větší 4MW SOEC systém v Ames Research Center NASA v Kalifornii iea.org. Tyto projekty ukázaly, že SOEC lze integrovat do průmyslového prostředí (Neste využije vodík v rafinérských procesech) a že lze škálovat na více megawattů. Využití SOEC těží z jeho vysoké účinnosti, když je {{T15}k dispozici levné teplo nebo pára. Průmyslová odvětví jako rafinerie, petrochemie nebo ocelárny – která mají vysoce kvalitní odpadní teplo – jsou ideálními kandidáty pro instalaci SOEC elektrolyzérů. Dalším nově vznikajícím využitím je {{T17}ko-elektrolýza, kdy SOEC dokáže současně elektrolýzou rozkládat páru a CO₂ za vzniku syntézního plynu (směs H₂ a CO) pro výrobu syntetických paliv. Společnosti jako Sunfire tento proces demonstrovaly pro výrobu e-paliv. Ačkoliv zatím není rozšířený, ko-elektrolýza by mohla znamenat průlom pro udržitelná letecká paliva a plasty, přičemž SOEC je pro tento účel jedinečně vhodný (protože pracuje při dostatečně vysokých teplotách pro redukci CO₂).

Významné případy využití a instalace:

• Velkokapacitní závody na zelený vodík: Alkalické elektrolyzéry jsou nasazovány ve „vodíkových farmách“ napojených na obnovitelné zdroje energie. Čína je v čele s obřími projekty – například zařízení na výrobu zeleného vodíku společnosti Sinopec v Sin-ťiangu využívá 260MW alkalických elektrolyzérů napájených solární elektrárnou. Uvedeno do provozu v roce 2023, bude produkovat 20 000 tun H₂ ročně pro zásobování blízké rafinerie, čímž nahradí vodík z fosilního plynu reuters.com reuters.com. Jde aktuálně o největší samostatný elektrolyzér na světě. Podobně projekt NEOM v Saúdské Arábii (ve výstavbě) využije stovky MW alkalických elektrolyzérů k výrobě zeleného amoniaku pro export. Tyto projekty upřednostňují alkalické elektrolyzéry kvůli jejich výhodné škálovatelnosti.
• Vyrovnávání sítě a Power-to-Gas: PEM elektrolyzéry byly použity v projektech, kde je klíčové absorbovat přebytečnou obnovitelnou elektřinu. V Německu několik power-to-gas lokalit využívá PEM stohy k přeměně přebytečné větrné energie na vodík, který je vstřikován do sítě zemního plynu nebo metanizován. Schopnost rychle škálovat výkon PEM elektrolyzérů nahoru a dolů je činí ideálními také pro služby regulace frekvence v síti. Některé 10–20MW PEM systémy v Evropě (například zařízení REFHYNE 10 MW v rafinerii Shell Rheinland) slouží jak jako zdroj vodíku, tak jako flexibilní zátěž, která může pomoci vyrovnávat místní síť.
• Doprava a čerpací stanice: Mnoho vodíkových čerpacích stanic (pro vozidla s palivovými články) využívá na místě instalované PEM elektrolyzéry. Společnosti jako Nel Hydrogen nasazují kompaktní PEM elektrolyzér moduly na stanicích, protože produkují vysoce stlačený, ultračistý H₂, který může jít přímo do nádrží vozidel stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com. Výhodou PEM je malý půdorys a vysoká čistota, což je v tomto využití důležité. Alkalické systémy naproti tomu obvykle produkují vodík při nižším tlaku (vyžadují externí kompresor pro čerpací použití) a případně se stopovým množstvím vlhkosti/alkálií, což vyžaduje dodatečné čištění, takže PEM v segmentu čerpání pro dopravu dominuje.
• Průmyslový vodík na místě: Mnoho průmyslových podniků, které v současnosti dovážejí vodík v lahvích nebo zkapalněný vodík, přechází na elektrolyzéry na místě z důvodu spolehlivosti a nákladů. Zde se používají jak PEM, tak alkalické elektrolyzéry v závislosti na měřítku: například polovodičová továrna nebo sklárna, která potřebuje stálý přísun 99,999% H₂, může zvolit alkalický systém pro hromadnou výrobu plus čističku, nebo PEM, pokud chtějí menší, „na klíč“ jednotku. Potravinářské závody využívající hydrogenované oleje, továrny na plavené sklo, výrobci elektroniky (kteří potřebují ultračistý H₂ pro procesy) – ti všichni nasazují elektrolyzéry. Dlouhodobá spolehlivost alkalických systémů je atraktivní v náročných průmyslových podmínkách johncockerill.com, zatímco vysoká čistota a kompaktní provedení PEM se hodí tam, kde je omezený prostor nebo je vyžadována vysoká čistota.
• Integrace se zdroji tepla: Jako perspektivní aplikace jsou SOEC zvažovány pro jaderné elektrárny a koncentrované solární elektrárny. Vysokoteplotní plynem chlazený reaktor nebo solární věž s tavenou solí by mohly přímo dodávat páru o teplotě 700+ °C do SOEC, čímž by se vodík vyráběl velmi efektivně. Pilotní programy v Evropě (například spojení SOEC s výzkumnými reaktory) a v Japonsku toto zkoumají. Pokud budou úspěšné, mohlo by to otevřít specifickou oblast, kde jaderné reaktory vyrábějí vodík během hodin s nízkou poptávkou po elektřině tím, že dodávají páru a energii do systému SOEC.

Shrnuto, alkalické a PEM technologie jsou již páteří rostoucího odvětví zeleného vodíku, přičemž každá si nachází své místo: alkalické v rozsáhlých projektech zaměřených na náklady a PEM v aplikacích vyžadujících flexibilitu nebo čistotu. SOEC se objevuje pro specializované průmyslové využití a vysoce účinné integrace, očekává se, že se během několika let připojí ke komerčnímu mixu, jakmile pilotní projekty přejdou do plného provozu iea.org iea.org.

Současní lídři trhu a modely

Nárůst poptávky po elektrolyzérech přiměl mnoho společností po celém světě k rozšíření výroby. Zde jsou někteří z předních dodavatelů a významných modelů v každé kategorii:

• Výrobci alkalických elektrolyzérů: Dlouholetí průmysloví hráči i noví účastníci soutěží v oblasti alkalických elektrolyzérů. Thyssenkrupp Nucera (Německo, společný podnik Thyssenkrupp a De Nora) je předním dodavatelem pro velké projekty – dodává 2 GW alkalických elektrolyzérů pro projekt NEOM. Nel ASA (Norsko) je dalším významným hráčem s historií v atmosférických alkalických systémech; jejich kontejnerové jednotky A-Series jsou využívány v mnoha projektech greenh2world.com. John Cockerill (Belgie) vyrábí tlakové alkalické elektrolyzéry v 5MW modulárních skidech a dodal jednotky projektům v Evropě a Asii greenh2world.com. V USA Cummins (prostřednictvím akvizice Hydrogenics) nabízí řadu HySTAT® modulárních alkalických elektrolyzérů, známých svou spolehlivostí a snadným škálováním propojením více jednotek greenh2world.com greenh2world.com. Čínské společnosti rychle vyrostly a nyní dominují objemu výroby: PERIC (státní podnik) a soukromé firmy jako Sungrow, LONGi Hydrogen a Tianci dodávají velké alkalické systémy pro domácí projekty (Čína má nyní ~60 % světové výrobní kapacity) iea.org iea.org. K roku 2023 alkalická technologie vede v tržním podílu – podle BloombergNEF tvořila přibližně 70–90 % ročních dodávek podle kapacity johncockerill.com.
• Výrobci PEM: Siemens Energy (Německo) má významnou nabídku PEM – produktovou řadu Silyzer (Silyzer 200, 300 atd.) – včetně systémů používaných v rafineriích Shellu. Série ITM Power (UK) HGAS je dalším známým PEM systémem, který nabízí kontejnerové PEM elektrolyzéry s integrovanými čističi a řídicími systémy greenh2world.com. Plug Power (USA) vstoupil na trh PEM agresivně, buduje výrobu v gigawattovém měřítku v USA a dodává systémy PEM elektrolyzérů (získali Giner ELX a další). Cummins také vyrábí PEM elektrolyzéry (jeho systémy HyLYZER, použité např. v instalaci o výkonu 20 MW v Kanadě). Nel nabízí také malé a střední PEM elektrolyzéry (pocházející z akvizice Proton OnSite v USA) pro průmyslové a čerpací využití greenh2world.com. V Japonsku vyvinuly PEM jednotky společnosti Kobelco a Toshiba, zejména pro projekty power-to-gas. A pozoruhodné je, že nové společnosti v Číně se zaměřují na PEM technologii – např. Shanghai H-RAY, která inovuje za účelem snížení nákladů na PEM a byla v roce 2024 oceněna za pokrok ve snižování spotřeby drahých kovů h-raypem.com. Přestože je instalovaná základna PEM menší než u alkalických systémů, mnoho západních i nově vznikajících výrobců navyšuje produkci PEM, protože očekávají vysokou poptávku po flexibilních elektrolyzérech s růstem kapacity obnovitelných zdrojů.
• Vývojáři SOEC: Oblast SOEC vede několik specializovaných společností. Bloom Energy (USA) je lídrem – známý svými palivovými články s pevnými oxidy, Bloom využil tuto technologii k vytvoření 4MW SOEC systému a buduje výrobní linku pro elektrolyzéry s pevnými oxidy iea.org iea.org. Sunfire (Německo) je dalším průkopníkem, dodal 2,6MW SOEC společnosti Neste a pracuje na technologii koelektrolýzy; Sunfire je také jedinečný tím, že nabízí jak SOEC, tak alkalické produkty (po akvizici výrobce alkalických elektrolyzérů prodává moduly „HyLink“ i SOEC systémy) greenh2world.com greenh2world.com. Topsoe (Dánsko), velké jméno v oblasti katalýzy, vyvinulo SOEC design a staví továrnu s kapacitou 500 MW výroby SOEC ročně, která by měla být spuštěna v roce 2025 iea.org iea.org. Ve Velké Británii Ceres Power pracuje na elektrolyzéru s pevnými oxidy (ve spolupráci se Shell na pilotním závodě) využívajícím technologii keramických článků s ocelovou podporou. Dalšími významnými jmény jsou FuelCell Energy (USA), která zkoumá reverzibilní SOFC/SOEC systémy, a Elcogen (Estonsko), která dodává komponenty pro články s pevnými oxidy. K polovině roku 2025 se dodavatelé SOEC připravují na první komerční zakázky – například Topsoe plánuje nasadit své první velké SOEC jednotky v projektech v letech 2025–2026 a Sunfire oznámil 10MW SOEC projekt v ocelářském průmyslu ve Finsku.

Za zmínku stojí také elektrolyzéry s aniontově výměnnou membránou (AEM) jako nově se objevující technologie. AEM se snaží kombinovat výhody PEM a alkalických elektrolyzérů (používá alkalickou membránu, žádný kapalný elektrolyt a ne-drahé katalyzátory). Společnosti jako Enapter a Fusion Fuel jsou zde malými, ale rostoucími hráči iea.org. Nicméně AEM je stále v rané fázi (malé instalace), takže většinu trhu v příštích 5 letech budou tvořit alkalické, PEM a možná první komerční SOEC jednotky.

Inovace a připravovaný vývoj (2024–2025)

Oblast elektrolyzérů se rychle vyvíjí. Nedávné inovace a připravované produkty zahrnují:

• Návrhy s vyšší účinností: Start-up Hysata (Austrálie) vyvinul kapilárně napájený elektrolyzérový článek, který v laboratorních testech dosáhl pozoruhodné účinnosti 80 % (LHV) iea.org. Místo konvenčních desek využívá houbovitou kapilární strukturu ke snížení odporových ztrát. Tato technologie, která se nyní škáluje, by mohla při ověření ve větším měřítku výrazně překonat účinnost standardních PEM/alkalických článků. Podobně Sunfire’s SOEC již dosáhl účinnosti 84 % LHV v pilotním měřítku iea.org a další vylepšení v oblasti materiálů pro vysoké teploty by mohla posunout elektrickou účinnost blíže k teoretickým limitům.
• Snižování nákladů na katalyzátory: Vzhledem k závislosti PEM na drahých kovech probíhá řada snah o snížení nebo eliminaci kovů platinové skupiny (PGM). V roce 2023 společnost Bspkl (Velká Británie) vyvinula novou membránu s katalytickým povlakem, která využívá 25× méně iridia a platiny než konvenční PEM návrhy iea.org. Další inovátor, Clean Power Hydrogen (CPH2), má elektrolyzér bez membrány – v podstatě alkalický systém, který produkuje smíšený plyn a následně odděluje vodík, čímž nepoužívá žádnou drahou membránu ani PGM katalyzátory iea.org. Toshiba Energy a partner Bekaert oznámili techniku, jak snížit spotřebu iridia o 90 % pomocí nano-povlaků na PEM elektrodách iea.org. Tyto inovace jsou zásadní, protože iridium používané na PEM anodách je extrémně vzácné – IRENA varovala, že globální produkce iridia by mohla omezit výrobu PEM na ~10 GW ročně, pokud se jeho spotřeba nesníží johncockerill.com johncockerill.com. Snížením množství katalyzátoru díky lepšímu využití (nebo použitím alternativních katalyzátorů, jako jsou nové slitiny a oxidy) by se náklady na PEM mohly snížit a zmírnit omezení v dodavatelském řetězci. I alkalická technologie těží z výzkumu a vývoje katalyzátorů: nové odolné povlaky pro alkalické elektrody (např. nikl-železné povlaky nebo směsné kovové oxidy) mohou zlepšit účinnost při vysokých proudech a prodloužit životnost, což umožňuje alkalickým elektrolyzérům pracovat intenzivněji bez degradace.
• Zvyšování výroby: Řada velkých továren začíná fungovat, aby pokryla poptávku. Nel v roce 2024 otevřel plně automatizovanou výrobní linku na alkalické elektrody, zaměřenou na výstup v řádu několika GW/rok. Topsoe již zmíněná továrna v Dánsku (počáteční kapacita 500 MW/rok pro SOEC) je plánována na rok 2025 iea.org. Cummins/HyLYZER staví novou továrnu na PEM elektrolyzéry ve Španělsku (s kapacitou 500 MW/rok) a rozšiřuje výrobu v Kanadě. Plug Power navýšil výrobu v gigatovárně v New Yorku na produkci PEM stohů. Tyto provozy by měly přinést úspory z rozsahu a očekává se, že sníží náklady díky automatizaci a objemu – IEA uvádí, že očekávaný vyšší výstup továren může snížit investiční náklady u všech technologií elektrolyzérů iea.org. Do roku 2030 oznámené plány po celém světě představují >160 GW/rok výrobní kapacity, oproti ~25 GW/rok v roce 2023 iea.org iea.org.
• Noví hráči a partnerství: V odvětví dochází ke spolupráci napříč technologiemi. Například Thyssenkrupp Nucera (převážně zaměřený na alkalické technologie) oznámil v roce 2024 partnerství s Fraunhoferem na vývoj vlastních pevně-oxidových elektrolyzérů s cílem pilotního provozu do roku 2025 hydrogeninsight.com thyssenkrupp-nucera.com. To naznačuje, že zavedení výrobci alkalických/PEM elektrolyzérů diverzifikují investicemi do výzkumu nové generace SOEC. Mezitím do elektrolyzérů vstupují firmy tradičně působící v oblasti palivových článků nebo jiných odvětví: např. Versogen (USA) a Ohmium (USA/Indie) jsou startupy zaměřené na AEM a PEM, které získaly nové financování. Velké automobilky a firmy z oblasti ropy a plynu také uzavírají partnerství nebo investují do elektrolyzérů, aby si zajistily dodávky – v roce 2024 oznámily GM a Nel partnerství na vývoj levných stohů elektrolyzérů využívajících výrobní techniky z automobilových palivových článků.
• Významné připravované produkty: Několik příkladů na obzoru: Siemens Energy pracuje na nové generaci PEM stacku s plochou článku >1 000 cm² pro zvýšení produkce vodíku na jeden stack, který by se měl objevit v modernizacích Silyzer 300 do roku 2025. ITM Power přepracoval svůj PEM stack (Mk.2) pro lepší spolehlivost na základě zkušeností z předchozích nasazení; nové prototypy 5MW modulů jsou testovány od roku 2024. McPhy (Francie) vyvíjí velký alkalický elektrolyzér (“Augmented McLyzer”) ve třídě 20MW modulů, s referenčním projektem 100MW v Normandii. Ceres Power a pilotní SOEC společnosti Shell (v Indii, v měřítku 1 MW) otestují unikátní keramické stacky Ceres v reálném průmyslovém prostředí do roku 2025. A v oblasti AEM Enapter otevřel v roce 2023 továrnu na hromadnou výrobu standardizovaných 2,5kW AEM elektrolyzérových modulů, s cílem agregovat tisíce těchto modulů do větších systémů iea.org.
• Inovace v softwaru a systémech: Kromě hardwaru stacku umožňují zlepšení v oblasti výkonové elektroniky a softwarového řízení lepší výkon. Například stále více elektrolyzérů je nyní vybaveno chytrým řízením výkonu, které může pomoci poskytovat služby síti (např. dynamicky upravovat zátěž pro vyrovnání frekvence). “Digitální dvojčata” elektrolyzérových závodů se používají k optimalizaci provozu a prediktivní údržbě – což snižuje prostoje a náklady na údržbu díky včasnému odhalení problémů. Také optimalizace pomocných zařízení (balance-of-plant), jako jsou účinnější odlučovače plynů, výměníky tepla a kompresory (pro stlačování H₂), postupně zvyšují celkovou účinnost systému a snižují náklady.

Celkově je období 2024–2025 obdobím rychlých inovací v oblasti elektrolyzérů. Padají rekordy v účinnosti a kapitálové náklady stabilně klesají. Jak shrnul odborník z amerického ministerstva energetiky, existuje soustředěné úsilí ve výzkumu a vývoji “snížit kapitálové náklady, zlepšit účinnost a výkon a prodloužit životnost” u všech typů elektrolyzérů energy.gov – a přesně to nyní vidíme: odolnější membrány, levnější katalyzátory, větší výrobní linky a chytřejší konstrukce.

Dopad na životní prostředí a využití zdrojů

V úsilí o zelený vodík nejsou důležité jen provozní emise (elektrolyzéry napájené obnovitelnou energií nevypouštějí žádné skleníkové plyny) – zohledňuje se také ekologická stopa výroby a provozu elektrolyzérů. Každá technologie má odlišné dopady:

• Materiální zdroje: Alkalické elektrolyzéry mají tu výhodu, že pro své klíčové komponenty využívají hojně se vyskytující materiály. Elektrody jsou obvykle na bázi niklu (někdy s povlaky z oxidu niklu nebo katalyzátory ze slitin železa) a separátor je v moderních konstrukcích často z porézního plastu bez azbestu nebo z membrán na bázi zirkonia (starší systémy skutečně používaly azbestové separátory, což je environmentální a zdravotní riziko, které průmysl postupně odstranil). Elektrolytem je KOH, což je silná zásada, ale při správném zacházení je bezpečná a lze ji na konci životnosti recyklovat nebo neutralizovat. Jedním z důvodů, proč jsou alkalické systémy levné, je absence drahých kovů – není potřeba platina ani iridium. To také znamená, že škálování alkalických systémů nenaráží na kritické nedostatky surovin tak, jak by tomu mohlo být u PEM. Ocel, nikl a hydroxid draselný jsou snadno dostupné (i když těžba niklu má své vlastní environmentální aspekty, jako je spotřeba energie a hlušina). Alkalické systémy vyžadují značné množství kapalného elektrolytu, který se obvykle čas od času vyměňuje; likvidace použitého KOH (který může obsahovat nečistoty z koroze) musí být provedena opatrně, ale často jej lze recyklovat dodavatelem.
• Spotřeba zdrojů PEM: PEM elektrolyzéry spoléhají na některé vzácné materiály. Nejvýznamnější je iridium, které se používá jako katalyzátor na anodě. Iridium je jeden z nejvzácnějších prvků na Zemi – vedlejší produkt těžby platiny, s roční světovou produkcí pouze několik tun. Jak bylo zmíněno, pokud každý MW PEM využívá několik gramů Ir, existuje obava, že bez úspor by globální zásoby Ir mohly omezit rozšiřování PEM johncockerill.com johncockerill.com. Proto jsou klíčové snahy o snížení množství iridia na MEA (např. pokročilé katalyzátory a depoziční techniky) pro udržitelnost. Platina (katalyzátor na katodě) se také používá, ale v menším množství a platina je dostupnější (a recyklovatelná z palivových článků atd.). PEM membrána je obvykle perfluorovaný polymer (PFSA) – v podstatě typ PFAS „věčné chemikálie“. Tyto membrány (např. Nafion) fungují výborně, ale PFAS jsou pod drobnohledem kvůli své perzistenci v životním prostředí a možným zdravotním rizikům. Jak zdůraznila zpráva společnosti John Cockerill, PEM membrány jsou PFAS, které se mohou hromadit a představovat problém při likvidaci johncockerill.com johncockerill.com. Spalování na konci životnosti může PFAS zničit, ale musí být prováděno při vysokých teplotách ve specializovaných zařízeních, aby se zabránilo emisím. Dobrou zprávou je, že množství membrány na jeden elektrolyzér není velké (několik kilogramů), ale stále je to faktor. Některé výzkumy se zaměřují na membrány bez PFAS pro PEM, ale žádná zatím komerčně nedosahuje výkonu Nafionu. Pozitivní je, že PEM elektrolyzéry díky produkci vysoce čistého vodíku nepotřebují další chemické čistící kroky a související chemikálie.
• Materiály z oxidu kovu: SOEC používají keramické a kovové materiály, které se liší od výše uvedených. Elektrolyt je často yttrií stabilizovaný oxid zirkoničitý (YSZ) – v podstatě oxid zirkoničitý s trochou yttria. Zirkonium není vzácné (těží se jako zirkon) a yttrium je středně hojné (často pochází z dolů na vzácné zeminy, ale je ho potřeba mnohem méně než například pro neodymové magnety). Elektrody obvykle obsahují nikl (v nikl-YSZ cermetu) a perovskitové oxidy jako je stronciem dopovaný lanthanový ferit nebo podobné. Stroncium a lanthan jsou také prvky, které je třeba těžit (lanthan je lehká vzácná zemina, ale opět jsou požadovaná množství na článek relativně malá). Důležité je, že SOEC nevyžadují kovy platinové skupiny ani PFAS membrány, což je z hlediska kritických materiálů velké plus. Používají slitiny pro vysoké teploty (pro propojovací desky, potrubí), které mohou obsahovat chrom nebo kobalt, ale ty jsou běžné ve vysokoteplotních zařízeních. Hlavní environmentální obavou u SOEC může být energie a materiály potřebné k výrobě keramických článků – slinování keramiky při vysokých teplotách, zajištění přesných tolerancí – a skutečnost, že pokud mají kratší životnost, museli byste vyrábět náhradní díly častěji (což znamená větší spotřebu materiálu v čase). Recyklace SOEC stohů je oblast, která se stále rozvíjí; v zásadě lze kovy jako nikl recyklovat a keramiku rozemlít, ale není to tak přímočaré jako recyklace kovů z PEM nebo alkalického systému.
• Spotřeba vody: Všechny elektrolyzéry spotřebovávají vodu – přibližně 9 litrů vody na 1 kg H₂ vyrobeného (protože reakce je 2 H₂O → 2 H₂ + O₂). V oblastech, kde je voda vzácná, to může být faktor při škálování na tisíce tun vodíku. Alkalické a PEM elektrolyzéry obvykle potřebují deionizovanou vodu (aby se zabránilo usazování minerálů nebo otravě membrány). SOEC také potřebuje čištěnou vodu (a přeměněnou na páru). Spotřeba vody je z chemického hlediska totožná; nicméně potřeby chlazení se mohou lišit. Alkalické systémy mohou ve velkých provozech potřebovat více chladicí vody (protože pracují nepřetržitě a při nižší teplotě, přebytečná energie se odvádí jako nízkoteplotní teplo), zatímco SOEC může více využívat vysokoteplotní teplo interně. Pokud se elektrolyzéry používají s mořskou vodou, obvykle je předřazena jednotka na odsolování – která má vlastní energetickou náročnost a produkci solanky, ale u velkých pobřežních projektů se s tím počítá (a požadavek na vodu pro např. 1 tunu H₂ je ~9 tun vody, což je zanedbatelné ve srovnání s výstupem středně velké odsolovací stanice). Zajímavé je: studie IEA zjistila, že alkalická elektrolýza pro daný výstup vodíku spotřebuje méně vysoce čisté vody než parní reforming metanu (SMR), ale může spotřebovat více mořské vody, pokud započítáte potřeby chlazení, ačkoliv tyto srovnání závisí na návrhu systému horizoneuropencpportal.eu.
• Emise ze zdrojů elektřiny: Z environmentálního hlediska uhlíková stopa vodíku vyráběného elektrolýzou zcela závisí na zdroji elektřiny. Pokud elektřinu dodávají obnovitelné zdroje nebo jaderná energie, je vodík v podstatě bezuhlíkový. Pokud se však použije elektřina ze sítě (s fosilním mixem), mohou být výsledné emise významné (i když v mnoha regionech klesají, jak se sítě čistí). Ani jeden ze tří typů elektrolýzérů sám o sobě neprodukuje CO₂ – pouze kyslík jako vedlejší produkt. Výroba těchto zařízení má však svou vlastní uhlíkovou stopu (ocel, cement pro stavbu závodu atd.). Analýzy životního cyklu ukazují, že největší dopad má fáze používání (kvůli spotřebě elektřiny), takže dekarbonizace zdroje elektřiny je hlavní páka, jak učinit vodík „zeleným“.
• Konec životnosti a recyklace: Alkalické elektrolýzéry se skládají především z ocelových rámů, niklových elektrod a některých plastových součástí – tyto materiály lze recyklovat (nikl a ocel jsou běžně recyklované kovy). Elektrolyt KOH lze neutralizovat. PEM články obsahují cennou platinu a iridium – recyklační procesy již existují (podobně jako recyklace použitých katalyzátorů nebo palivových článků) pro získání těchto kovů, což je výhodné jak ekonomicky, tak environmentálně. Membrána (PFAS) vyžaduje opatrnou likvidaci. SOEC články, které jsou relativně nové, zatím nemají zavedenou recyklaci, ale výzkumníci zkoumají, jak získat materiály zpět nebo bezpečně zlikvidovat použité články. Naštěstí žádný z typů elektrolýzérů neobsahuje toxické těžké kovy jako olovo nebo rtuť. Hlavní „toxickou“ výstrahou je polymer PFAS v PEM, který, jak bylo zmíněno, je pod regulačním dohledem; průmysl pravděpodobně zajistí, že tyto polymery budou buď recyklovány, nebo správně spáleny na konci životnosti, aby se zabránilo jejich úniku do životního prostředí.

Obecně platí, že alkalické elektrolýzéry mají nejmenší stopu exotických materiálů, PEM čelí výzvě v podobě drahých kovů a PFAS a SOEC se vyhýbá drahým kovům, ale využívá pokročilou keramiku a vyžaduje více energie na výrobu. Pozitivní je, že všechny tyto technologie umožňují dodavatelský řetězec vodíku s nulovými emisemi skleníkových plynů při použití, což je obrovský environmentální přínos, pokud nahrazuje vodík z fosilních zdrojů (nebo fosilní paliva při konečném použití). Odborníci zdůrazňují, že řízení dodávek kritických materiálů (jako je iridium) a zajištění udržitelné výroby bude důležité, jak budeme škálovat z megawattů dnes na gigawatty v příštích letech johncockerill.com johncockerill.com.

Názory a perspektivy odborníků

Co říkají odborníci z průmyslu a analytici o těchto technologiích a jejich budoucnosti? Několik zasvěcených citací a pohledů pomáhá vykreslit obrázek:

• Žádné univerzální řešení: Nedávná analýza společnosti John Cockerill (přední dodavatel elektrolyzérů) dospěla k závěru, že „Neexistuje žádná jediná technologie elektrolyzéru, která by byla nejlepší ve všech ohledech“ johncockerill.com. Nejvhodnější volba závisí na konkrétním použití a prioritách – ať už jde o cenu, účinnost, škálovatelnost nebo čistotu. Například pokud je nejdůležitější co nejnižší pořizovací cena a ověřená spolehlivost (například pro velký chemický závod), může být preferována alkalická technologie. Pokud je málo místa nebo je napájení proměnlivé, může být lepší PEM. To zdůrazňuje, že každá technologie má svou oblast využití a mnoho odborníků se domnívá, že bude potřeba portfolio všech technologií. Jak dále uvádí zpráva John Cockerill, „alkalická… může být snadno škálována podle potřeby a nabízí robustní a spolehlivý výkon pro většinu průmyslových odvětví, zatímco specializovaná odvětví jako doprava mohou upřednostnit čistotu a kompaktní rozměry PEM“ johncockerill.com johncockerill.com.
• O důležitosti účinnosti: Dr. Ravi Prasher, technický ředitel společnosti Bloom Energy (která vyrábí SOEC), zdůraznil, jak zásadní je účinnost pro ekonomiku: „Množství elektřiny potřebné pro elektrolyzér k výrobě vodíku bude nejdůležitějším faktorem určujícím cenu výroby vodíku. Z tohoto důvodu se účinnost … stává nejdůležitějším ukazatelem.“ hydrogentechworld.com. To odráží běžný názor odborníků, že zatímco kapitálové náklady klesají, provozní náklady (dané spotřebou energie) budou klíčovým rozlišovacím faktorem – zejména s růstem projektů a tím, jak se energie stává hlavní položkou nákladů. Jeho komentář zazněl v době, kdy Bloom předvedl svůj vysoce účinný SOEC a poznamenal, že jejich 4 MW systém vyráběl vodík při 37,7 kWh na kg (nezvykle nízká hodnota díky využití páry) a že i při částečném zatížení jeho účinnost překonávala jiné technologie hydrogentechworld.com hydrogentechworld.com. Takové úspěchy posilují optimismus, že technologická vylepšení mohou výrazně snížit náklady na vodík.
• Flexibilita a akumulace energie: Pokud jde o integraci vodíku s obnovitelnými zdroji energie, generální ředitel společnosti Bloom, KR Sridhar, zdůraznil roli elektrolyzérů v akumulaci energie: „Vodík bude nezbytný pro ukládání přerušované a omezené energie a pro dekarbonizaci průmyslové spotřeby energie. Komerčně životaschopné elektrolyzéry jsou klíčem k vyřešení hádanky akumulace energie.“ hydrogentechworld.com. Tvrdí, že pokročilé elektrolyzéry jako SOEC nabízejí „v zásadě lepší technologii a ekonomické výhody“ z dlouhodobého hlediska hydrogentechworld.com, ale to je samozřejmě pohled zastánce SOEC. Přesto mnoho energetických expertů skutečně vidí vodík (vyrobený jakoukoli technologií elektrolýzy, když jsou k dispozici přebytky obnovitelných zdrojů) jako klíčový prvek pro sezónní akumulaci a obtížně dekarbonizovatelné sektory.
• Škálování průmyslu a investice: Fatih Birol, výkonný ředitel IEA, poznamenal na konci roku 2023, že „Růst nových projektů naznačuje silný zájem investorů o rozvoj výroby vodíku s nízkými emisemi“, ale také varoval, že mnoho oznámených projektů musí skutečně dospět do fáze výstavby iea.org illuminem.com. Zdůraznil, že poptávka po čistém vodíku musí být stabilnější, aby poskytla důvěru pro investice do elektrolyzérů carboncredits.com. To poukazuje na širší obavu odborníků: politická a tržní podpora musí růst ruku v ruce s technologií. K roku 2025 vlády v Evropě, Severní Americe, Číně a jinde zavádějí pobídky (daňové úlevy, dotace, dohody o nákupu vodíku), aby uzavřely nákladovou mezeru a podpořily adopci. Tato opatření jsou podle lídrů průmyslu klíčová pro rozšíření nasazení elektrolyzérů ze stovek MW dnes na desítky GW ročně potřebné pro klimatické cíle iea.org iea.org.
• Pohled na nové technologie: Někteří odborníci z akademické sféry upozorňují, že ačkoli jsou nové technologie jako AEM a SOEC vzrušující, neměly by odvádět pozornost od nasazování toho, co je již k dispozici. Profesor Jack Brouwer z UC Irvine (výzkumník v oblasti vodíkové energie) řekl na panelu v roce 2024, že bychom měli „nasazovat, nasazovat, nasazovat“ osvědčené PEM a alkalické technologie již nyní, i když výzkum a vývoj nové generace pokračuje – protože dosažení škály snižuje náklady a učíme se praxí (citace parafrázována z akce). Tento pragmatický pohled je běžný: používat komerčně dostupné nástroje (AWE/PEM) k okamžitému snižování emisí a zároveň pečlivě rozvíjet nové technologie pro budoucnost.
• Evropské vedení a energetická bezpečnost: Nils Aldag, generální ředitel společnosti Sunfire, při komentování projektu MultiPLHY SOEC uvedl, „Průlomové vodíkové projekty jako MultiPLHY pokládají základy pro zajištění vedoucí pozice Evropy v oblasti čistých technologií.“ energytech.com. To odráží náladu v Evropě, že posouvání hranic v oblasti elektrolyzérů (ať už jde o vysoce účinné SOEC nebo alkalické závody v gigawattovém měřítku) nejen pomáhá klimatickým cílům, ale také buduje domácí průmysl pro energetickou transformaci. Jeho důraz na pozici Evropy ukazuje, jak jsou projekty elektrolyzérů zdrojem technologické hrdosti a mezinárodní konkurence.

Závěrem odborníci napříč oborem uznávají, že každý typ elektrolyzéru má své specifické přednosti a že rychlé tempo inovací je pozitivním znamením. Panuje shoda, že budeme potřebovat všechny technologie elektrolyzérů k pokrytí různých požadavků: alkalické pro velkoobjemový, levný vodík; PEM pro dynamické a vysoce čisté aplikace; a SOEC pro vysoce účinné integrované systémy. Nyní je důraz kladen na rozšiřování výroby, snižování nákladů a zlepšování životnosti. Jak výstižně uvedla IEA, je třeba pokračovat v inovacích, abychom „snížili celkové kapitálové náklady, přičemž je však nutné zohlednit i kompromisy v životnosti a účinnosti“ energy.gov. Vyvážení těchto faktorů je klíčem k úspěchu.

Nedávné novinky a vývoj (2024–2025)

V uplynulých dvou letech bylo oznámeno projekty a partnerství v oblasti vodíkových elektrolyzérů stále rychlejším tempem. Zde jsou některé z významných nedávných událostí:

• Rekordní projekty: V polovině roku 2023 spustila čínská společnost Sinopec největší světovou továrnu na zelený vodík v Sin-ťiangu – pole alkalických elektrolyzérů o výkonu 260 MW, jak bylo zmíněno dříve. Koncem roku 2024 tento závod zvyšoval výrobu a ukazoval jak čínské ambice, tak i některé problémy spojené s učící křivkou (zprávy uváděly, že zpočátku běžel jen na ~30 % využití, zatímco ladili systémy) energynews.biz. Jinde v Evropě dosáhly velké projekty milníků: v červenci 2024 učinila Shell konečné investiční rozhodnutí ohledně 100MW PEM elektrolyzéru Refhyne II v Německu (má být v provozu v roce 2027) reuters.com refhyne.eu, a ve stejném měsíci EU Green Hydrogen Bank uspořádala svou první aukci na podporu 3 milionů tun H₂, čímž projektům poskytla dlouhodobou cenovou podporu iea.org iea.org – politická inovace pro zajištění odběru pro velké nasazení elektrolyzérů.
• Partnerství veřejného a soukromého sektoru: Velké ropné a plynárenské společnosti spolupracují s výrobci elektrolyzérů. Například BP a Thyssenkrupp Nucera oznámily v roce 2024 spolupráci na nasazení 500 MW elektrolyzérů v rafineriích BP. ExxonMobil investoval do Electric Hydrogen (americký startup vyvíjející pokročilé PEM systémy), aby pracoval na levnějších řešeních pro průmyslový vodík. A v pozoruhodném upstream kroku Saudi Aramco investovala v roce 2025 do jihokorejského podniku na vývoj pevného oxidového elektrolyzéru pro levný vodík, přičemž jej spojila s potenciálním využitím tepla z rafinerií.
• SOEC ve výrobě oceli: Průlomový pilotní projekt spustily CSIRO a BlueScope Steel v Austrálii, kde byl trubicový SOEC elektrolyzér provozován 1 000 hodin s využitím odpadního tepla z ocelárny k výrobě vodíku csiro.au. Tento test z konce roku 2024 prokázal jak účinnost, tak i odolnost, a znamenal jeden z prvních reálných testů SOEC v ocelářském průmyslu (který by mohl nakonec využívat vodík místo uhlí při redukci železa). V Evropě Salzgitter Steel spolupracuje se Sunfire na začlenění jednotky SOEC do ocelárny do roku 2025 v rámci projektu Salzgitter SALCOS na dekarbonizaci výroby oceli.
• Energetické společnosti vstupují do vodíku: Výrobci elektřiny se zaměřují na elektrolyzéry, aby mohli ukládat přebytečnou energii a vytvářet nové příjmy. V roce 2024 společnost NextEra Energy (významný developer obnovitelných zdrojů v USA) oznámila plány na několik stovek MW elektrolyzérů, které budou využívat omezenou větrnou a solární energii v Texasu k výrobě zeleného vodíku pro blízké průmyslové podniky. Podobně EDF ve Francii zahájila projekt, který spojuje jaderný reaktor s 30MW PEM elektrolyzérem pro dodávky vodíku na výrobu hnojiv – zajímavé je, že využívá stabilní jaderný výkon místo modulace reaktoru, což naznačuje, že i producenti základního zatížení vidí ve vodíku odbytiště.
• Vodíkové huby a financování: Americký program „Hydrogen Hub“ (podpořený infrastrukturním zákonem z roku 2021) přidělil koncem roku 2023 téměř 8 miliard dolarů regionálním konsorciím, z nichž mnohá zahrnují rozsáhlé nasazení elektrolyzérů. Například kalifornský vodíkový hub plánuje ~150 MW elektrolyzérů (některé PEM, některé alkalické) pro dodávky paliva pro dopravu; hub na Středozápadě využije jadernou energii pro výrobu vodíku (pravděpodobně technologie PEM nebo alkalická) a texaský hub integruje masivní větrnou/solární energii pro výrobu vodíku v petrochemickém průmyslu. Tyto huby podpoří objednávky pro výrobce elektrolyzérů a poslouží jako testovací prostředí pro různé technologie v různých podmínkách.
• Nové produkty na trhu: Na firemní úrovni Nel Hydrogen dodal v roce 2024 první jednotky své nové plně automatizované linky na alkalické elektrolyzéry pro projekt o výkonu 20 MW, čímž demonstroval schopnost snížit výrobní náklady až o 40 %. Plug Power představil modulární PEM elektrolyzér o výkonu 5 MW (označený jako „ML 5“) určený pro snadné nasazení v projektech kolem 100 MW (instalací 20 modulů). McPhy zahájil výstavbu své Gigafactory ve Francii pro alkalické i AEM elektrolyzéry po získání velkých zakázek. A Enapter začal v roce 2023 dodávat své sériově vyráběné AEM elektrolyzér moduly z nové německé továrny s cílem instalovat je po tisících škálovatelným způsobem.
• Bezpečnost a standardy: Spolu s růstem je zde důraz na bezpečnost a standardy. V roce 2024 vydala Mezinárodní elektrotechnická komise (IEC) aktualizované standardy pro bezpečnost elektrolyzérů, které pokrývají vše od elektrické izolace po detekci úniku vodíku, a které výrobci zavádějí. Došlo také k incidentu u velkého projektu v Asii, kde musely být některé moduly alkalických elektrolyzérů odstaveny kvůli selhání těsnění a úniku louhu hydrogeninsight.com – což zdůrazňuje potřebu robustního inženýrství a sdílení osvědčených postupů, jakmile budou uváděny do provozu další velké pilotní závody. Průmysl reagoval vytvořením nového bezpečnostního fóra pod Hydrogen Council pro šíření získaných poznatků.
• Dynamika trhu: Do roku 2025 jsme zaznamenali mírný převis výrobních kapacit v některých regionech (např. Čína), což ve skutečnosti pomohlo snížit ceny. IEA uvedla, že globální výrobní kapacita (25 GW/rok v roce 2023) je výrazně vyšší než současné nasazení (~1 GW/rok) iea.org iea.org. To vedlo ke konkurenčním cenám a určité konsolidaci – např. začátkem roku 2025 se povídá, že velká firma vyrábějící zařízení pro ropný a plynárenský průmysl může koupit jeden z menších start-upů vyrábějících elektrolyzéry, aby jej začlenila do svého portfolia.

Všechny tyto události ukazují na jedno: technologie elektrolyzérů se přesouvají z laboratoří a pilotních projektů do běžného průmyslového nasazení. Vlády je podporují, velké firmy investují a inženýrské výzvy jsou postupně řešeny. S rostoucím nasazením uvidíme ještě více poznatků a upřesnění role jednotlivých technologií.

Závěr

Porovnáním PEM, alkalických a tuhých oxidových elektrolyzérů vedle sebe je zřejmé, že každý má své jedinečné výhody:

• Alkalická elektrolýza nabízí nízké náklady, osvědčenou spolehlivost a je ideální pro velkovýrobu vodíku tam, kde je dostatek prostoru a možnost stabilního provozu.
• PEM elektrolýza poskytuje flexibilitu, rychlou odezvu a vysoce čistý vodík, což ji činí ideální pro integraci s proměnlivými obnovitelnými zdroji a pro případy, kdy je potřeba kompaktní a výkonný systém.
• Tuhá oxidová elektrolýza slibuje nejvyšší účinnost a možnost integrace se zdroji tepla, což může v případě dalšího zlepšení životnosti a nákladů zásadně změnit výrobu vodíku v průmyslových podmínkách.

Volba mezi nimi závisí na konkrétním projektu – zdroji energie, požadovaném množství a čistotě vodíku, rozpočtu a dynamice provozu. Jak moudře poznamenal jeden zástupce průmyslu, „v závislosti na vašem použití může být jedna technologie vhodnější – rozhodující bude cena elektřiny, požadavky na tlak, prostor a další faktory“ johncockerill.com johncockerill.com.

Pozitivní je, že všechny tři technologie rychle postupují vpřed. Náklady klesají (díky výzkumu, vývoji a úsporám z rozsahu), účinnosti se zvyšují a nová řešení řeší dřívější omezení (od lepších katalyzátorů v PEM, přes rychlejší alkalické systémy až po delší životnost SOEC sad). Období 2024–2025 zejména přineslo vlnu inovací a první realizace mnoha „nové generace“ konceptů.

Odborníci se domnívají, že zelený vodík bude hrát klíčovou roli v ekonomice s nulovými emisemi – a dosažení tohoto cíle bude záviset na nasazení správného elektrolyzéru pro daný úkol. Ať už jde o alkalickou jednotku vyrábějící vodík pro výrobu amoniaku, řadu PEM jednotek sledujících zátěž větrné farmy, nebo vysokoteplotní SOEC využívající odpadní teplo v rafinerii, každý z nich přispívá ke snižování emisí v odvětvích, která mají jen málo jiných možností (jako je těžký průmysl, chemický průmysl a dálková doprava).

V nadcházejících letech pravděpodobně uvidíme obrovské navyšování kapacity elektrolyzérů po celém světě – z přibližně 1 GW instalovaného výkonu dnes na stovky GW plánovaných do roku 2030 iea.org iea.org. Toto navyšování, podporované politikou a soukromými investicemi, dále podpoří zlepšování. Časem se možná dočkáme i hybridních systémů (využívajících PEM i alkalické elektrolyzéry dohromady pro pokrytí různých provozních rozsahů, nebo SOEC pro základní zatížení plus PEM pro špičkové zatížení atd.). Spolupráce a zdravá konkurence mezi technologiemi podnítí zvyšování účinnosti a snižování nákladů, což bude přínosem pro celý vodíkový průmysl.

Shrnuto, PEM, alkalické a SOEC elektrolyzéry mají každý svou zásadní roli. „Vítězem“ tohoto souboje není jedna technologie, která by porazila ostatní, ale spíše klima a průmyslová odvětví, která získají sadu řešení pro výrobu čistého vodíku. Jak vtipně poznamenal odborník na vodík Paul Martin, ptát se, který elektrolyzér je nejlepší, je jako se ptát „jaký je nejlepší nástroj: kladivo, klíč, nebo šroubovák?“ – záleží na úkolu a je nejlepší mít dobře vybavenou sadu nářadí. Díky pokračujícím inovacím a nasazování těchto technologií budou elektrolyzéry společně pohánět přechod na zelený vodík z okrajového řešení na globálně transformační řešení.

Zdroje:

• Ministerstvo energetiky USA – Výroba vodíku: Elektrolýza (jak elektrolyzéry fungují, provozní podmínky) energy.gov energy.gov
• Mezinárodní energetická agentura (IEA) – zpráva „Electrolysers“ 2024 (stav technologie, náklady, účinnosti a projekty) iea.org iea.org
• Electric Hydrogen Co. – White paper 2024 (analýza účinnosti a nákladů PEM vs alkalické) eh2.com eh2.com
• John Cockerill Hydrogen – Technický přehled 2024 (srovnání alkalické vs PEM, tržní podíl a materiály) johncockerill.com johncockerill.com
• Hydrogen Insight – Leigh Collins, „Největší světový elektrolyzér s pevnými oxidy nainstalován“ (výhoda účinnosti a nákladů SOEC) hydrogentechworld.com
• Hydrogen Tech World – „Bloom Energy začíná vyrábět vodík v NASA SOEC“ (výkon Bloom 4 MW SOEC a citace odborníků) hydrogentechworld.com hydrogentechworld.com
• EnergyTech Magazine – „Sunfire instaluje 2,6 MW SOEC v Neste“ (provozní detaily SOEC a citace CEO Sunfire) energytech.com energytech.com
• Reuters – Andrew Hayley, „První zelená vodíková elektrárna Sinopec zahajuje výrobu“ (detaily 260 MW alkalického projektu) reuters.com reuters.com
• IEA – Inovační poznatky (snížení iridia, nové rekordy účinnosti elektrolyzérů, katalyzátor Toshiba) iea.org iea.org
• Stargate Hydrogen – Blog „PEM vs alkalické elektrolyzéry“ (srozumitelné vysvětlení výhod a nevýhod) stargatehydrogen.com stargatehydrogen.com
• Shanghai H-Ray – Tisková zpráva 2024 (snížení nákladů PEM a výhled) h-raypem.com