Vodík a energie

„Zajímají nás nikoli zdroje jako takové, nýbrž konkrétní služby, které nám zdroje poskytují. Příklady takových služeb jsou schopnost vést elektřinu, nést nějakou hmotnost, pohánět auta či elektrické generátory.“ Julian L. Simon

Úvod

„Relevantní je pro nás nikoli to, zda jsme s to najít ve stávajících olověných dolech nějaké olovo, nýbrž to, zda můžeme za rozumnou cenu pořídit služby olověných baterií; není pro nás důležité, zda se toho dosáhne recyklací olova, výrobou dlouhověkých baterií nebo nahrazením olověných baterií nějakým jiným vynálezem. Podobně chceme mezikontinentální telefonní a televizní spojení, a pokud je máme, nestaráme se o to, zda vyžaduje 100 000 tun mědi do kabelů, hromadu písku na optická vlákna nebo jediný čtvrttunový satelit ve vesmíru.“

V tomto smyslu není nutné se příliš fixovat na ropu. Lidstvo se nemůže obejít bez látky, která bude pohánět automobily, ale je schopné se obejít bez ropy. Z nejdůležitějšího hlediska – ekonomického - je využívání ropy nejvýhodnější, tím pádem celosvětově nejrozšířenější. Dokud bude ropa nejlevnější možností pro dopravu, nedá se očekávat, že by byla nahrazena některou alternativou.

Existují látky, které by mohly ropu v budoucnosti nahradit. Jednou z velmi slibných látek je vodík. Zapojení vodíku do energetiky slibuje nejen zlepšení životního prostředí, ale přináší i další zajímavé možnosti.

Podle zákona o zachování energie není možné energii jen tak čerpat, energii je možné získat pouze přeměnou z jiného druhu. Známe více druhů energie: jaderná, chemická, tepelná, mechanická, atd. Každá změna druhu energie je zatížena určitou účinností. Z pohledu energetiky je toho hledisko více než zásadní, z důvodu omezeného rozsahu práce se však tomuto kritériu nebudu podrobněji věnovat.

Energie

Fosilní paliva v sobě váží chemickou energii. Tuto energii je možné při oxidačních reakcích přeměňovat na energii tepelnou. Energie vázaná ve fosilních palivech má svůj původ ve fotosyntézních procesech, jedná se tedy o transformovanou sluneční energii. Samotné Slunce získává energii ze slučování lehkých jader ve svém nitru, tedy z energie jaderné. Tento proces lze považovat za prazdroj většiny energie na Zemi. Nejen energie fosilních paliv, ale i energie uvolnitelná ze dřeva a biomasy, energie větru a dalších mají svůj původ ve sluneční energii.

Vodík je nejrozšířenější prvek ve vesmíru. Je obsažen v organismech, je součástí ropy a dalších fosilních paliv, sloučenina vodíku a kyslíku dokonce pokrývá 2/3 povrchu Země.

Vodík se na Zemi vyskytuje ve sloučeninách. Pokud chceme získat vodík, který by byl nositelem energie, je nutné jej uvolnit z jeho chemických vazeb dodáním energie. To je možné uskutečnit několika způsoby, záleží na surovině pro výrobu a druhu energie, který budeme dodávat.

Výroba vodíku

Výrobou vodíku je myšleno získání molekulárního vodíku H2. Následující podkapitoly nabídnou přehled několika způsobů získávání vodíku.

Parní reformace

V současné době je nejrozšířenějším způsobem výroby vodíku parní reformace. Surovinou pro tento proces je metan CH4. Pro uskutečnění procesu je nutné metan smísit s vodní párou. Reakce je silně endotermická a je ji možné uskutečnit pouze za zvýšené teploty. Hodnoty mohou dosahovat až 850 °C při 2,5 MPa.

Tento způsob výroby však neřeší závislost na fosilních palivech a také jej není možné považovat za příliš ekologický, protože vedlejším produktem výrobního procesu je CO2. Další nevýhodou je, že takto vyrobený vodík je znečištěn CO ve vysokých koncentracích (0,3 – 3 %). Znečištěný vodík není možné použít pro palivové články typu PEM (Proton Exchange Membrane). Tento typ palivových článků je v dopravě nejrozšířenější a vyžaduje vodík s obsahem CO menším než 50 ppm (parts per million).

Parní reformací je vyráběna celá polovina světové produkce vodíku. Další způsoby získávání vodíku z fosilních paliv jsou následující: rafinace ropy (30 %), zplynování uhlí (20 %).

Elektrolýza

Elektrolýza vody je velmi známý proces. Voda je při tomto procesu rozkládána na své komponenty kyslík a vodík. Na rozdíl od předešlého procesu je při elektrolýze dodávána elektrická energie namísto energie tepelné. Proces je nutné uskutečnit za přítomnosti elektrolytu, v průmyslovém měřítku jsou nejrozšířenější KOH nebo NaOH. Samotná výroba není zatížena produkcí skleníkových plynů ani jiných škodlivin, pokud nebudeme brát v potaz emise vzniklé při výrobě elektrické energie z fosilních paliv.

Speciálním druhem elektrolýzy je vysokoteplotní elektrolýza. V tomto případě je část energie nutné pro rozklad vody dodávána v podobě tepelné energie. Do reakce voda vstupuje v podobě páry. Tento druh elektrolýzy má vyšší účinnost než standardní elektrolýza. Elektrolýzou je možné získat vodík o vysoké čistotě vhodný pro použití v palivových článcích typu PEM.

Výroba vodíku v reaktorech IV. generace

V současné době jsou v ČR provozovány reaktory II. generace (JE Temelín, JE Dukovany), Pro dostavbu JE Temelín jsou zvažovány reaktory III. a III.+ generace. Reaktory IV. generace jsou nové typy reaktorů, u kterých se plánuje uvedení do provozu mezi léty 2020 a 2030. Pro vývoj IV. generace bylo vybráno 6 nejperspektivnějších reaktorových technologií. Jednou z podmínek při výběru byla schopnost sloužit kromě výroby elektrické energie také k výrobě vodíku. Ze 7 konceptů reaktorů mají 4 sloužit k výrobě elektrické energie a vodíku. Jeden z typů je dokonce určen pouze pro výrobu vodíku.

Výroba vodíku ve vysokoteplotních reaktorech IV. generace je založena na chemických reakcích kyseliny sírové (H2SO4), jódu (I2) a vody. Jód a kyselinu sírovou je možné recyklovat a mohou tvořit stálou náplň výrobního systému. Do systému by vstupovala pouze voda a produktem by pak byl kyslík a vodík. Tento způsob není primárně vázán na jadernou energii, vyžaduje velký přísun tepelné energie (teplota přes 830 °C), a proto je vhodné, aby tepelná energie pro tento proces byla získávána z energie jaderné.

Použití vodíku

Z pohledu dopravy je možné využít vodík dvěma způsoby. První způsob je spalování v upravených spalovacích motorech podobně jako jiná plynná paliva. Tento způsob využití však není ideální, při spalování vodíku a vzduchu vznikají oxidy dusíku NOx.

Perspektivnější použití vodíku je v palivových článcích. Vodík zde není spalován, ale prochází opačných procesem než při elektrolýze, tedy sloučením vodíku a kyslíku získáme elektrickou energii.

Technologie palivových článků nám nabízí možnosti plně využít potenciál ekologické výroby vodíku tak, jak je popsán v části o elektrolýze a výrobě vodíku v reaktorech IV. generace. V palivovém článku je vodík sloučen s kyslíkem za uvolnění elektrické energie. Produktem je pouze voda. Pokud budeme dále uvažovat ekologické způsoby výroby vodíku spojené s rozšířením palivových článků, můžeme získat několik konceptů hospodářství, kdy celý proces od výroby po spotřebu je uzavřený a vstupem do systému je pouze energie a voda a výstupem je též energie a voda.

Výrobu elektrické energie na pohon elektromotorů pomocí palivových článků již dnes využívají vlakové jednotky či nákladní a osobní doprava. Výrobci je považován za jeden z budoucích pohonů v dopravě jelikož mimo vody neprodukuje žádné emise.

Vodíkové hospodářství

V současné době je vodík považován za ekologické a čisté palivo (z výfuku vozidla s palivovými články vychází pouze voda). Pokud se však na provoz vodíkových vozidel podíváme z širšího hlediska, zjistíme, že jako surovina pro jeho výrobu slouží fosilní palivo, oproti přímému spalování fosilních paliv je toto příznivější varianta. V případě, že surovinou pro výrobu vodíku je voda, je pravděpodobné, že elektrická energie pro výrobu vodíku pochází z fosilních paliv. Současný stav není ideální, ale je to první krok k vytvoření celé bezemisní energetické infrastruktury. Dosažení tohoto stavu je však velice komplikované a bude trvat desítky let.

Cílový stav je, že na počátku energetického řetězce bude stát čistý bezemisní zdroj energie (například solární, větrná, jaderná elektrárna). Vodík bude možné vyrábět centrálně v místě umístění elektrárny. V tom případě by bylo nutné takto vyrobený vodík dopravovat na velké vzdálenosti do místa spotřeby. Jinou možností je výroba vodíku v menším měřítku na více místech blízko místa spotřeby. Na velké vzdálenosti by pak byla dopravována elektrická energie místo vodíku.

Vodík je možné využít k akumulaci elektrické energie. V současné době se stále častěji vyskytují nestability v rozvodných sítích elektrické energie. Může za to rozšiřování slunečních a větrných elektráren a také omezování provozu jaderných elektráren tak, jak je tomu například v Německu. Na základě zbrklého politického rozhodnutí došlo k odpojení velmi stabilních zdrojů energie a jejich nahrazení zdroji, které není možné regulovat. To může vyústit ve značný rozdíl mezi okamžitou výrobou a spotřebou energie, který přetěžuje přenosovou soustavu. Zvyšuje se tak hrozba selhání přenosové soustavy a následných black-outů.

Nabízí se možnost využití přebytečné elektrické energie k výrobě vodíku ve chvílích, kdy není žádoucí do sítě dodávat tak vysoké množství energie, jaké v dané chvíli produkují větrné a sluneční elektrárny. Takto vyrobený vodík by pak mohl být použit ke zpětné přeměně na elektrickou energii ve chvílích nedostatku výkonu elektráren. Přebytečný vodík by mohl být použit jako pohonná látka pro automobily.

Pokud by podobný systém fungoval, nehrálo by roli to, zda by samotné automobily byly vybaveny bateriemi nebo palivovými články. Buď by se nabíjely elektrickou energií, nebo by tankovaly vodík, který by byl ve vozidle přeměněn na elektrickou energii. V obou případech by se jednalo o elektromobily.

Závěr

Těžko si představit, že vítr bude foukat a slunce svítit přesně ve chvíli, kdy obyvatelé města po návratu z práce zapojí své elektromobily do sítě. Nestabilita obnovitelných zdrojů a zároveň extrémní odběrové špičky způsobené rozšířením elektromobilů není možné zvládnout bez prvku akumulace energie. Tímto prvkem může být vodík, ať už v podobě pohonné látky pro vozidla, či jako akumulátor elektrické energie.