Vodíková energetika
Vodík se donedávna používal v energetice spíše jako plynné chladivo na chlazení elektrických generátorů. V souvislosti s růstem cen energií, vyčerpatelností fosilních paliv a využívání ekologických zdrojů se mluví o vodíku jako o klíčovém médiu energetické, ale i dopravní koncepce. Generátory založené na vodíkové technologii mohou sloužit jako decentralizované zdroje elektřiny, perspektivu má také využití vodíku v čisté mobilitě a při akumulaci elektrické energie ve spojitosti s jinými obnovitelnými zdroji. Může přijít doba, kdy se zaparkovaný automobil s palivovými články stane aktivním výrobcem elektřiny, včetně poskytování některých podpůrných služeb.
Vodík je z energetického hlediska nejčistší palivo s nejvyšším energetickým obsahem. Při spalování neprodukuje žádné škodlivé látky, při reakci s kyslíkem (například v palivovém článku) vzniká kromě energie jen čistá voda. Spálením 1 kg vodíku se uvolní více než dvojnásobek použitelné tepelné energie, v porovnání se spálením 1 kg libovolného dnes používaného paliva (dřevo, uhlí, plyn, nafta, benzín). Vodík je ve směsi se vzduchem vysoce výbušný, a proto musí být při manipulacích s vodíkem dodržována specifická bezpečnostní pravidla. K nedostatkům tohoto skoro dokonalého paliva patří i jeho vysoká výrobní cena, vysoká spotřeba energie na jeho stlačení a dále velikost molekuly, díky níž difunduje do krystalové mřížky běžných ocelí a způsobuje vodíkové křehnutí. Nádoby proto musí být z poměrně kvalitních a drahých materiálů.
Ze školních let si pamatujeme, že vodík se laboratorně vyrábí rozpouštěním neušlechtilých kovů v kyselinách. Typickým příkladem je reakce zinku s kyselinou chlorovodíkovou. Je to sice efektní pokus, ale k průmyslové výrobě se nehodí. V dnešní době se vodík nejčastěji vyrábí z metanu (hlavní složky zemního plynu). Nevýhodou tohoto způsobu výroby je potřebná vysoká teplota, neekologická vstupní surovina nebo produkce oxidů uhlíku. Proto se hledají jiné, alternativní způsoby výroby vodíku.
Z fyzikálně-chemických způsobů je nejznámější průmyslová výroba vodíku elektrolýzou vody. Nejčastěji se v praxi používají alkalická a vysokoteplotní elektrolýza a elektrolýza vody pomocí protonové výměnné membrány (PEM). PEM elektrolyzéry jsou vybaveny elektrolytem z tuhého polymeru, který zajišťuje vedení protonů, elektrickou izolaci elektrod a oddělení plynů vzniklých v procesu elektrolýzy. Na jedné straně elektrolyzéru PEM se přiváděná voda oxiduje na kyslík, protony a elektrony a na druhé straně jsou elektrony dodávané z vnějšího elektrického zdroje a protony, které prošly membránou, sloučeny za vzniku plynného vodíku. Membrána má tloušťku jen několik desetin milimetru, ale díky své pevné struktuře spolehlivě pracuje i při vyšších tlacích generovaného vodíku. Praktická energetická účinnost tohoto procesu v závislosti od použité technologie může dosahovat kolem 80 %.
Zajímavým a možná perspektivním způsobem výroby vodíku je termochemický rozklad vody pomocí koncentrované sluneční energie. Tento způsob je založen na existenci cyklické chemické reakce chloridu železnatého s vodní párou při teplotě 550 °C, přičemž vzniká oxid železnato-železitý a plynná směs chlorovodíku a vodíku. Vodík je oddělen a oxid železnato-železitý reaguje se vzniklým chlorovodíkem za vzniku výchozí látky – chloridu železnatého a vodní páry. Celý proces se cyklicky opakuje. Účinnost výroby vodíku touto metodou může dosahovat až 65 %. Potenciálně je možné získaný vodík použít ve vysokoteplotním palivovém článku k výrobě elektrické energie. Vzniklá sluneční termochemická elektrárna by pracovala v uzavřeném vodním a chemickém cyklu bez potřeby chlazení, bez nutnosti využití pohyblivých částí, s celkovou účinností přeměny sluneční energie na elektřinu převyšující 50 %.
Za zmínku stojí ještě jeden způsob výroby vodíku v nedaleké budoucnosti. Jde o spojení elektrolýzy vody nebo termochemického procesu s jadernou energií. Nově vyvíjené jaderné reaktory čtvrté generace by totiž měly dosahovat vysokých výstupních teplot chladiv, která mohou být následně využita jako zdroje tepla k výrobě vodíku. Uvažuje se i o využití levné elektřiny z jaderných nebo obnovitelných zdrojů k výrobě vodíku v čase, kdy pro vyráběný proud není odběr.
Skladování vyrobeného vodíku dnes nepředstavuje zásadní problém. Nejpoužívanějším způsobem je jeho skladování v plynném stavu v ocelových zásobnících v bateriovém uspořádání. Pro uskladnění větších objemů vodíku se používají vysokotlaké nádoby s provozním tlakem převyšujícím 100 MPa. Plynný vodík lze také uskladnit v podzemních kavernách po zemním plynu nebo ve vytěžených solných dolech. Ve světě byla tato metoda ověřena v několika státech Evropy nebo také v USA.
Skladovat vodík lze i v kapalném stavu, ale dodatečné náklady na jeho kompresi a ochlazení pod teplotu varu jsou poměrně vysoké. Před zkapalněním musí být vodík ještě z bezpečnostních důvodů náležitě vyčištěn. Přičteme-li k nákladům i výstavbu izolovaných vodíkových nádrží, stává se tento způsob skladování značně finančně náročným. K méně využívaným způsobům skladování vodíku patří ještě jeho převedení na lehce skladovatelné chemické sloučeniny nebo absorpce v skladovacích systémech na bázi hydridů kovů a alkalických zemin. U posledního způsobu je vodík při vysokém tlaku metal-hydridem absorbován a stává se součástí jeho chemické struktury a v případě potřeby je z metal-hydridu při vysoké teplotě uvolňován.
V palivovém článku dochází k přímé přeměně vnitřní energie paliva na elektrickou energii. Aktivní látky nejsou v článku jako v případě baterií součástí elektrod, ale jsou k elektrodám kontinuálně přiváděny z vnějších úložišť. Elektrody jsou vyrobeny z inertního a stabilního materiálu (například různé kovy nebo uhlíkové nanotrubičky potažené katalyzátorem) a jsou od sebe odděleny membránou nebo elektrolytem. Palivový článek se časem nevybíjí a může pracovat nepřetržitě, dokud není přerušen přívod paliva nebo okysličovadla. Některé palivové články pracují při vyšších teplotách, takže může trvat určitou dobu, než dosáhnou svých jmenovitých provozních parametrů.
Princip práce palivového článku je v podstatě jednoduchý. Palivo přiváděné na zápornou elektrodu (v případě palivového článku anodu) s katalyzátorem oxiduje, odevzdává své valenční elektrony a vzniklé kladné ionty paliva pronikají elektrolytem k druhé, kladné elektrodě (katodě). Tam probíhá redukce atomů okysličovadla elektrony, které ke katodě doputují přes vnější elektrický okruh se zátěží. Ionty paliva a okysličovadla následně spolu reagují za vzniku výsledné chemické sloučeniny. V případě vodíkového palivového článku je palivem vodík, okysličovadlem kyslík a výsledným produktem super čistá voda.
Kombinací paliva a okysličovadla existuje velké množství. Z plynných paliv lze kromě vodíku jmenovat hydrazin nebo oxid uhličitý, z kapalných například alkoholy a z pevných jsou to některé kovy. V roli okysličovadla se nejčastěji používá kyslík, podstatně méně často chlor nebo oxid manganičitý. Elektrolytem může být v palivových článcích například organický polymer, roztok hydroxidu draselného, kyselina fosforečná, oxidy vybraných kovů nebo různé směsi roztavených uhličitanů.
Palivové články mají poměrně malé výstupní napětí nepřesahující 1,23 V. Reálně provozované články ovšem dosahují, v závislosti na použitém palivu, jen 0,5 až 1 volt. Aby se vyrobená energie dala využít, zvyšuje se generované napětí sériovým řazením palivových článků za sebou. Maximální odebíraný proud závisí především na ploše článku a tak se pro zvýšení proudu musí vyrábět rozměrnější články nebo se články musí řadit paralelně. Proudová hustota různých typů palivových článků dosahuje od 0,25 A až po 4 A na cm2. Maximální výkon odebíraný z 1 cm2 plochy elektrod je jen asi 2 W.
V dopravě lze vodík v podstatě využít dvěma způsoby. První je založen na spalování vodíkového paliva ve spalovacím motoru podobným způsobem, jako se spaluje například LPG. Energetický zisk je v tomto případě vyšší a emise jsou podstatně nižší než při spalování jiných paliv. Daleko výhodnějším a ekologicky čistým řešením je použití vodíku v palivových článcích.
Auta na vodíkový pohon jsou v podstatě elektromobily, energii si však nevozí v těžkých a drahých bateriích, ale vyrábí si ji za jízdy v soustavě palivových článků. Do lehké kompozitní tlakové lahve se vejde několik kilogramů stlačeného vodíku, který při průměrné spotřebě 0,8 – 1 kg na 100 km vystačí na stovky kilometrů jízdy. Poté stačí v průběhu pár minut (ne v řádu desítek minut až hodin, jako u elektromobilů) doplnit palivo skoro jako v klasickém automobilu a jede se dál. Respektive jelo by se, pokud by existovala dostatečně hustá síť veřejných plnicích stanic vodíku. A to je zatím asi největší nedostatek vodíkového pohonu. Na západ od České republiky sice již nějaké stanice jsou v provozu, ale ani zdaleka nedosahují hustoty čerpacích stanic na benzín.
Při dnešní ceně přibližně 10 eur za kilogram vodíku nejsou ani provozní náklady vodíkových automobilů výrazně nižší než náklady na provoz klasických aut. Pokud se ale odladí výroba vodíku ve spojitosti s obnovitelnými zdroji energie nebo s jadernými zdroji nové generace a klesne výrobní cena automobilů, bude vodíkový pohon určitě perspektivní, ekonomicky a především ekologicky výhodný.
V současné době roste využití vodíkové technologie k pohonu vozidel hlavně v oblasti městské hromadné dopravy. Pro celé město stačí jediná plnicí stanice vodíku, z níž si autobusy každodenně doplňují energii na celodenní provoz. Příkladů ve světě je již dost, stovky ekologických vodíkových autobusů jezdí například v Kanadě, v Německu nebo ve Švýcarsku.
