O vodíku nové generace energie

Představíme si „vodík“, další generaci energie, která je uhlíkově neutrální. Vodík se dělí na tři typy: „zelený vodík“, „modrý vodík“ a „šedý vodík“, přičemž každý z nich má jinou výrobní metodu. Vysvětlíme si také jednotlivé metody výroby, fyzikální vlastnosti jednotlivých prvků, metody skladování/přepravy a způsoby použití. A také vysvětlím, proč je dominantním zdrojem energie nové generace.

Elektrolýza vody za účelem výroby zeleného vodíku

Při použití vodíku je důležité vodík „vyrábět“. Nejjednodušší způsob je „elektrolýza vody“. Možná jste to dělali na základní škole v přírodovědě. Naplňte kádinku vodou a elektrody ve vodě. Když je k elektrodám připojena baterie a zapne se, probíhají ve vodě a v každé elektrodě následující reakce.
Na katodě se H+ a elektrony spojují a vytvářejí plynný vodík, zatímco anoda produkuje kyslík. Tento přístup je stále vhodný pro školní vědecké experimenty, ale pro průmyslovou výrobu vodíku je nutné připravit účinné mechanismy vhodné pro velkovýrobu. Tím je „elektrolýza s polymerní elektrolytickou membránou (PEM)“.
V této metodě je mezi anodou a katodou vložena polymerní polopropustná membrána, která umožňuje průchod vodíkových iontů. Když se do anody zařízení nalije voda, vodíkové ionty vzniklé elektrolýzou se pohybují přes polopropustnou membránu ke katodě, kde se stávají molekulárním vodíkem. Na druhou stranu, kyslíkové ionty nemohou projít polopropustnou membránou a stát se molekulami kyslíku na anodě.
Také při alkalické elektrolýze vody se vodík a kyslík vytvářejí oddělením anody a katody pomocí separátoru, kterým mohou procházet pouze hydroxidové ionty. Kromě toho existují průmyslové metody, jako je vysokoteplotní parní elektrolýza.
Prováděním těchto procesů ve velkém měřítku lze získat velké množství vodíku. Při tomto procesu se také produkuje značné množství kyslíku (polovina objemu vyrobeného vodíku), takže by v případě uvolnění do atmosféry neměl žádný nepříznivý dopad na životní prostředí. Elektrolýza však vyžaduje velké množství elektřiny, takže vodík bez uhlíku lze vyrobit, pokud se vyrábí z elektřiny, která nevyužívá fosilní paliva, jako jsou větrné turbíny a solární panely.
„Zelený vodík“ můžete získat elektrolýzou vody s využitím čisté energie.

K dispozici je také generátor vodíku pro velkovýrobu tohoto zeleného vodíku. Použitím PEM v elektrolyzéru lze vodík vyrábět kontinuálně.

Modrý vodík vyrobený z fosilních paliv

Jaké jsou tedy další způsoby výroby vodíku? Vodík se nachází ve fosilních palivech, jako je zemní plyn a uhlí, v jiných látkách než voda. Vezměme si například metan (CH4), hlavní složku zemního plynu. Zde jsou čtyři atomy vodíku. Vodík můžete získat jeho odstraněním.
Jedním z nich je proces zvaný „parní reforming metanu“, který využívá páru. Chemický vzorec této metody je následující.
Jak vidíte, oxid uhelnatý a vodík lze extrahovat z jediné molekuly metanu.
Tímto způsobem lze vodík vyrábět procesy, jako je „parní reforming“ a „pyrolýza“ zemního plynu a uhlí. „Modrý vodík“ označuje vodík vyrobený tímto způsobem.
V tomto případě však vznikají jako vedlejší produkty oxid uhelnatý a oxid uhličitý. Proto je musíte před uvolněním do atmosféry recyklovat. Pokud se oxid uhličitý, který je vedlejším produktem, nerecykluje, stává se plynným vodíkem, známým jako „šedý vodík“.

Jaký druh prvku je vodík?

Vodík má atomové číslo 1 a je prvním prvkem v periodické tabulce.
Počet atomů je největší ve vesmíru a představuje asi 90 % všech prvků ve vesmíru. Nejmenším atomem sestávajícím z protonu a elektronu je atom vodíku.
Vodík má dva izotopy s neutrony vázanými na jádro. Jeden neutronovou vazbou vázaný „deuterium“ a dva neutronovou vazbou vázané „tritium“. Tyto izotopy jsou také materiály pro výrobu energie z jaderné syntézy.
Uvnitř hvězdy, jako je Slunce, probíhá jaderná fúze z vodíku na hélium, což je zdroj energie pro záři hvězdy.
Vodík se však na Zemi jako plyn vyskytuje jen zřídka. Vodík tvoří sloučeniny s jinými prvky, jako je voda, metan, amoniak a ethanol. Protože vodík je lehký prvek, s rostoucí teplotou se zvyšuje rychlost pohybu molekul vodíku a uniká z gravitace Země do vesmíru.

Jak používat vodík? Použití spalováním

Jak se tedy používá „vodík“, který přitahuje celosvětovou pozornost jako zdroj energie nové generace? Používá se dvěma hlavními způsoby: „spalováním“ a „palivovým článkem“. Začněme s použitím „hoření“.
Používají se dva hlavní typy spalování.
Prvním je jako raketové palivo. Japonská raketa H-IIA používá jako palivo vodík „kapalný vodík“ a „kapalný kyslík“, který je také v kryogenním stavu. Tyto dvě látky se kombinují a tepelná energie generovaná v tomto okamžiku urychluje vstřikování generovaných molekul vody, které letí do vesmíru. Protože se však jedná o technicky náročný motor, s výjimkou Japonska se toto palivo úspěšně kombinovalo pouze ve Spojených státech, Evropě, Rusku, Číně a Indii.
Druhou je výroba energie. Výroba energie plynovými turbínami také využívá metodu kombinace vodíku a kyslíku k výrobě energie. Jinými slovy, jedná se o metodu, která se zabývá tepelnou energií produkovanou vodíkem. V tepelných elektrárnách teplo ze spalování uhlí, ropy a zemního plynu produkuje páru, která pohání turbíny. Pokud se jako zdroj tepla používá vodík, bude elektrárna uhlíkově neutrální.

Jak používat vodík? Používá se jako palivový článek

Dalším způsobem využití vodíku je palivový článek, který přeměňuje vodík přímo na elektřinu. Zejména Toyota upoutala v Japonsku pozornost tím, že v rámci svých protiopatření proti globálnímu oteplování propagovala vozidla na vodíkový pohon namísto elektromobilů (EV) jako alternativu k benzínovým vozidlům.
Konkrétně při zavádění metody výroby „zeleného vodíku“ postupujeme opačně. Chemický vzorec je následující.
Vodík může generovat vodu (horkou vodu nebo páru) a zároveň elektřinu a lze jej ocenit, protože nezatěžuje životní prostředí. Na druhou stranu má tato metoda relativně nízkou účinnost výroby energie 30–40 % a vyžaduje platinu jako katalyzátor, což s sebou nese zvýšené náklady.
V současné době používáme palivové články s polymerním elektrolytem (PEFC) a palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC). PEFC používají zejména vozidla s palivovými články, takže lze očekávat, že se v budoucnu rozšíří.

Je skladování a přeprava vodíku bezpečné?

Myslíme si, že už chápete, jak se vodík vyrábí a používá. Jak tedy tento vodík skladovat? Jak ho dostat tam, kam potřebujete? A co bezpečnost v té době? Vysvětlíme vám to.
Vodík je ve skutečnosti také velmi nebezpečný prvek. Na začátku 20. století jsme vodík používali jako plyn k unášení balónů, vzducholodí a vzducholodí, protože byl velmi lehký. 6. května 1937 však v New Jersey v USA došlo k „výbuchu vzducholodi Hindenburg“.
Od nehody je všeobecně známo, že vodík je nebezpečný. Zejména když se vznítí, prudce exploduje s kyslíkem. Proto je nezbytné „uchovávejte mimo dosah kyslíku“ nebo „uchovávejte mimo dosah tepla“.
Po přijetí těchto opatření jsme přišli se způsobem dopravy.
Vodík je při pokojové teplotě plyn, takže i když je to stále plyn, je velmi objemný. První metodou je použití vysokého tlaku a stlačení jako válec při výrobě sycených nápojů. Připravte si speciální vysokotlakou nádrž a skladujte ji za podmínek vysokého tlaku, například 45 MPa.
Společnost Toyota, která vyvíjí vozidla s palivovými články (FCV), vyvíjí pryskyřičnou vysokotlakou vodíkovou nádrž, která odolá tlaku 70 MPa.
Další metodou je ochlazení na -253 °C pro výrobu kapalného vodíku a jeho skladování a přeprava ve speciálních tepelně izolovaných nádržích. Podobně jako LNG (zkapalněný zemní plyn) při dovozu zemního plynu ze zahraničí se vodík během přepravy zkapalňuje, čímž se jeho objem zmenší na 1/800 jeho plynného stavu. V roce 2020 jsme dokončili první nosič kapalného vodíku na světě. Tento přístup však není vhodný pro vozidla s palivovými články, protože jeho ochlazení vyžaduje velké množství energie.
Existuje metoda skladování a přepravy v podobných nádržích, ale vyvíjíme i jiné metody skladování vodíku.
Metoda skladování spočívá v použití slitin pro skladování vodíku. Vodík má vlastnost pronikat do kovů a degradovat je. Jedná se o vývojový tip, který byl vyvinut ve Spojených státech v 60. letech 20. století. Experimenty JJ Reillyho a kol. ukázaly, že vodík lze skladovat a uvolňovat pomocí slitiny hořčíku a vanadu.
Poté úspěšně vyvinul látku, jako je palladium, která dokáže absorbovat vodík 935krát větší než její vlastní objem.
Výhodou použití této slitiny je, že může zabránit nehodám s únikem vodíku (zejména nehodám způsobeným výbuchem). Proto ji lze bezpečně skladovat a přepravovat. Pokud však nebudete opatrní a necháte ji v nesprávném prostředí, slitiny pro skladování vodíku mohou časem uvolňovat plynný vodík. I malá jiskra může způsobit výbuch, proto buďte opatrní.
Má také nevýhodu, že opakovaná absorpce a desorpce vodíku vede ke křehnutí a snižuje rychlost absorpce vodíku.
Druhou možností je použití potrubí. Podmínkou je, že musí být nestlačené a nízkotlaké, aby se zabránilo křehnutí potrubí, ale výhodou je, že lze použít stávající plynové potrubí. Společnost Tokyo Gas provedla stavební práce na projektu Harumi FLAG a k dodávce vodíku do palivových článků použila městské plynovody.

Budoucí společnost vytvořená vodíkovou energií

Nakonec se zamysleme nad rolí, kterou může vodík hrát ve společnosti.
A co je důležitější, chceme prosazovat společnost bez uhlíku, používáme vodík k výrobě elektřiny místo jako tepelnou energii.
Místo velkých tepelných elektráren některé domácnosti zavedly systémy jako ENE-FARM, které využívají vodík získaný reformingem zemního plynu k výrobě potřebné elektřiny. Otázkou však zůstává, co dělat s vedlejšími produkty reformingového procesu.

V budoucnu, pokud se zvýší samotný oběh vodíku, například zvýšením počtu vodíkových čerpacích stanic, bude možné používat elektřinu bez emisí oxidu uhličitého. Elektřina samozřejmě vyrábí zelený vodík, takže využívá elektřinu generovanou ze slunečního záření nebo větru. Energie používaná pro elektrolýzu by měla být energie k potlačení množství vyrobené energie nebo k nabíjení dobíjecí baterie, když je přebytek energie z přírodní energie. Jinými slovy, vodík je ve stejné pozici jako dobíjecí baterie. Pokud k tomu dojde, bude nakonec možné snížit výrobu tepelné energie. Den, kdy spalovací motor zmizí z automobilů, se rychle blíží.

Vodík lze získat i jinou cestou. Vodík je ve skutečnosti stále vedlejším produktem při výrobě hydroxidu sodného. Mimo jiné je vedlejším produktem při výrobě koksu při výrobě železa. Pokud tento vodík zařadíte do distribuce, budete moci získat více zdrojů. Plynný vodík vyrobený tímto způsobem je také dodáván vodíkovými stanicemi.

Podívejme se dále do budoucnosti. Množství ztracené energie je také problémem způsobu přenosu, který k napájení využívá dráty. Proto budeme v budoucnu používat vodík dodávaný potrubím, stejně jako nádrže s kyselinou uhličitou používané k výrobě sycených nápojů, a budeme si domů kupovat vodíkovou nádrž na výrobu elektřiny pro každou domácnost. Mobilní zařízení, která běží na vodíkové baterie, se stávají běžnou záležitostí. Bude zajímavé sledovat takovou budoucnost.