Aktuální číslo:

Vodík palivem budoucnosti

Od Verneovy vize k ceně za litr vodíku

| 5. 10. 2001

| Vesmír 80, 568, 2001/10

Očekává se, že těžba fosilních paliv (zejména ropy a zemního plynu) klesne a jejich ceny porostou. Jedním z náhradních paliv by mohl být vodík, jehož zásoby ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Zatím ale ještě není jasné, která z technologií výroby vodíku je nejvýhodnější, jak lze vodík skladovat ve velkém, jak nejlépe ho bez nebezpečí výbuchu dopravovat na velké vzdálenosti, z čeho a jak by se měly konstruovat vodíkové motory, kam by se měly umístit palivové nádrže a kolik to všechno bude stát. Téma výzkumu a vývoje vodíkové energetiky se objevuje v prestižních časopisech ¹⁾ a zabývají se jím velké nadnárodní firmy.

Inženýr Cyrus Smith ve Verneově Tajuplném ostrově (1874) rozvíjí vizi, že jednou kapalný vodík a kapalný kyslík získané elektrolýzou vody nahradí pod kotli parníků či lokomotiv uhlí a „stanou se nevyčerpatelnými prameny tepla a světla“. Spalného tepla vodíku si přírodovědci i technici všimli dávno, ale průmyslově se vodík začal využívat až počátkem 20. století (při svařování či jako hydrogenační a redukční činidlo). ²⁾ První pokusy s využitím vodíku jako paliva pro raketové motory začaly počátkem 50. let a do realizační fáze se dostaly až v polovině 60. let (druhý stupeň nosných raket Atlas Centaur a Saturn 1 a druhý a třetí stupeň rakety Saturn 5).

Již r. 1839 zjistil W. R. Grove, že vodík a kyslík mohou v „plynovém galvanickém článku“ poskytovat stejnosměrný elektrický proud. Toto zařízení (palivový článek) dlouhý čas nepřekročilo status laboratorní kuriozity (jednak nebyly odstraněny některé materiálové potíže, jednak se vývoj elektrotechniky zaměřil na střídavý proud). Teprve v 60. a 70. letech 20. století přinesl rozvoj vojenské techniky takovou podobu článku, která se dala využít jako mobilní zdroj elektřiny pro kosmickou a telekomunikační techniku. ³⁾

Přednosti vodíku jako paliva. Zásoby vodíku ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Vodík má vysokou hustotu energie (vztaženo na jednotku hmotnosti) a dá se transportovat i skladovat. Z hlediska ochrany životního prostředí je spalování vodíku čistší než spalování fosilních paliv, vznik vody není provázen toxickými sloučeninami ani skleníkovými plyny.

Problémem zůstávají oxidy dusíku vznikající ve spalovacím prostoru vodíkového motoru. Jejich množství závisí na přebytku kyslíku, teplotě, tlaku a době zdržení spalin při vysokých teplotách ve spalovacím prostoru. Co se týče exhalací oxidu uhličitého a uhlíkatých sloučenin z vodíkového motoru, ukázaly analýzy, že jsou minimálně o tři řády nižší než u stejně silného motoru spalujícího benzin, naftu či zemní plyn. Všechny exhalace ve vodíkovém motoru přitom pocházejí z tepelného rozkladu motorových olejů ulpívajících na stěnách válců, popřípadě mazacích a těsnicích turbinových olejů. Nelze však opomenout, že z charakteru hoření, které je u vodíku výrazně rychlejší, vyplývá poměrně vysoká, dle provozních podmínek motoru až o řád vyšší koncentrace nenasycených uhlovodíků (zejména benzenu) ve spalinách.

Kdo a jak bude vodík vyrábět. V průmyslovém měřítku se vodík vyrábí jednak petrochemickými procesy včetně zplyňování uhlí (90 % produkce), jednak elektrolýzou vody. Krom toho je významným vedlejším produktem nebo součástí plynů odcházejících z rafinerií, koksáren a elektrochemických výrob na bázi vodných roztoků anorganických kyselin nebo solí. Se zplyňováním uhlí se zamozřejmě nepočítá (zásoby budou vyčerpány). Za perspektivní postupy se považují: elektrolýza vody, termické štěpení vody a zplyňování biomasy, jmenovitě biomasy odpadní.

Výroba, doprava a skladování. Velkovýrobny vodíku budou vázány na zdroje energie tepelné (jaderné), elektrické (vodní) nebo solární. Ty nebudou rozmístěny rovnoměrně, proto se bude uvažovat o dálkovém transportu (viz rámeček 2), možná i transoceánském a transkontinentálním, přičemž druhý by mohl navazovat na první – zkapalněný vodík lze přepravovat buď v kontejnerech, nebo v říčních tankových lodích. Kontejnerová přeprava bude zřejmě efektivnější, neboť nebude vázána jen na splavné řeky, bude se kombinovat s železniční a silniční dopravou. Přepravní kontejnery umožní i skladování, resp. vyrovnání bilančních výkyvů mezi výrobou, dopravou a spotřebou. Jejich nevýhodou zůstane výbušnost směsi vodíku se vzduchem, tedy riziko výbuchu při netěsnostech systému a při dopravních nehodách.

Vedle dálkového transportu zkapalněného vodíku se jistě uplatní potrubní rozvod plynného vodíku, tak jak je to běžné u zemního plynu. Lze očekávat zachování principu rozvodu vodíku vysoko-, středo- a nízkotlakými plynovody. Tím bude zajištěna dosažitelnost vodíku jako nosiče energie jak pro velké, tak pro menší odběratele.

Největší zkušenosti se skladováním a použitím vodíku jako paliva mají firmy angažující se v kosmické technice, např. americká firma Lockheed Martin vyrábějící raketoplány. Pro užití mimo kosmickou techniku vyvinula a vyrobila r. 1996 německá firma Linde A. G. kovovou dvouplášťovou nádobu s evakuovaným prostorem mezi stěnami s vnější tepelnou izolací. Předpokládá se, že se k naplnění nádrží kapalným vodíkem buď využijí čerpadla, nebo přepouštění při tlakovém spádu mezi skladovací nádrží a nádrží dopravního prostředku. Prakticky již byl uvedený systém distribuce zvládnut v rámci projektu Solar-Wasserstoff v SRN, kdy trvalo plnění 120litrové nádrže na kapalný vodík u zkušebního vozu BMW-735 pouhých 5 minut. Dnes se v osobních automobilech poháněných zemním plynem místo ocelových tlakových láhví využívají tlakové nádoby z kompozitních materiálů na bázi aramidových nebo uhlíkových vláken a syntetických pryskyřic. Mají při shodném provozním tlaku třetinovou hmotnost, jednodušší konstrukci a nižší cenu. Jejich použití pro stlačený plynný vodík je v principu také možné, ale akční rádius vozidel se oproti použití zkapalněného vodíku sníží.

Bezpečnostní opatření. Výbušnost směsi vodíku se vzduchem vyžaduje přísná bezpečnostní opatření ve všech prostorách, kde se s vodíkem manipuluje, zejména pak v těch uzavřených. Bezpečnostní pravidla (přísnější než pravidla pro manipulaci s benzinem a naftou) se budou vztahovat i na prostory pro řidiče a pasažéry dopravních prostředků poháněných vodíkovými motory. Nízká hustota vodíku oproti vzduchu vyvolává intenzivní promíchávání směsi plynů, a tím rychlý vznik velkého objemu výbušné směsi v širokém rozmezí koncentrací. Lidskými smysly nelze únik vodíku do atmosféry poznat (ani při použití odorizačních prostředků). Bude nevyhnutelné používat detektory hořlavých plynů, které jsou schopny registrovat již 10 % dolní meze výbušnosti směsi vodíku se vzduchem. Mohou být připojeny na optickou a akustickou signalizaci, popřípadě mohou blokovat chod zařízení pracujících s vodíkem (motory, kompresory, čerpadla a zkapalňovací stanice, odpařovače) nebo startovat havarijní ventilaci ohrožených prostor. Významný nástup vodíku jako nosiče energie – paliva – lze proto očekávat až v „postropném věku“.

Kde se vodíková energetika uplatní

Po přechodnou dobu může vodíku jako nosiči energie konkurovat metanol, biopaliva z obnovitelných zdrojů a plynná paliva, především zemní plyn a bioplyny (viz Vesmír 80, 508, 2001/9). S rostoucím nedostatkem uhlíkatých surovin a důrazem na produkci potravin bude jejich význam klesat.

Využití vodíku jako paliva bude zajímavé pro proudové letecké motory. Ty mají měrnou spotřebu paliva na tunokilometr nebo osobokilometr nejvyšší (přibližně třikrát až pětkrát vyšší proti např. silničním motorovým vozidlům) a jejich relativní podíl na ceně přepravy je vysoký. Odhaduje se, že do r. 2030 vzroste cena jejich současného paliva (kerosinu) zhruba pětkrát. Proto se v posledních deseti letech známé letecké konstruktérské firmy (Tupolev, Daimler-Benz Aerospace, Dornier, Airbus Aerospace aj.) a firmy se zkušenostmi v kryogenní technice (např. Linde A. G.) zabývají vývojem motorů, palivových nádrží a letounů poháněných vodíkem. Již r. 1988 se zkoušel vodíkový tryskový motor na dopravním letounu TU-154 (vzlétl pod typovým označením TU-155).

Výhodou spalovacích turbín a jimi poháněných turbodmychadlových leteckých motorů je jejich poměrně jednoduchá adaptace na vodík. Spočívá hlavně v úpravě počtu směšovacích trysek nebo zkrácení spalovacích komor pro vyšší rychlost hoření vodíku a nutnost jeho dokonalého směšování se spalovacím vzduchem. Větším problémem je konstrukce a umístění palivových nádrží, jejichž provozní teplota musí být –250 °C při provozním tlaku 1,2 MPa. Proto nemohou být v křídlech jako dosud, bude se muset změnit konstrukce letadel. Navíc se palivové systémy musí doplnit o tepelné výměníky – výparníky pro zplynění kapalného vodíku, čímž se patrně (dle dosavadních technologických znalostí) sníží nosnost nebo dolet letadel.

Složitá bude též konstrukce pístových zážehových spalovacích motorů na vodík, konkrétně zajištění optimálních podmínek hoření při tak mimořádné rychlosti hoření a výbušnosti směsi vodíku se vzduchem v koncentrací od 4 do 74 objemových procent. Bude se muset upravit systém směšování paliva se vzduchem a časování zážehu. Již dnes výrobci motorů vyvíjejí vodíkové čtyřtaktní pístové spalovací motory. BMW zkouší vodíkový motor v modelu 735 a Hyundai Motor Company zkouší šetnáctiventilový čtyřválcový vodíkový motor 2,0 DOHC. ⁴⁾ Fantazie z Verneovek se pomalu stávají realitou.

Literatura

www.dwv-info.de

Poznámky

1) Tržním prosazením vodíkové energetiky se v britském týdeníku „The Economicst“ zabývá stať V. Vaitheeswarana, kterou „Ekonom“ (2000, č. 51–52) přetiskl pod titulkem „Kudy k vodíkové ekonomice?“.

2) Pomineme-li ovšem fakt, že druhou polovinu 19. století poznamenalo využívání svítiplynu, který je z 50 % složen z vodíku.

3) Dovedení kyslíkovodíkového palivového článku do realizační fáze umožnilo vybavit servisní modul kosmické lodi Apollo výkonným a spolehlivým zdrojem elektrické energie, což přispělo nemalou měrou k úspěchu amerického programu letů na Měsíc.

4) Vodíkový motor se vyvíjí rovněž v ČR v rámci projektu „Pístový motor pro spalování vodíku – pohonná jednotka budoucnosti“ (registrováno GA ČR, projekt č. 101/97/K053). Nositelem grantu je Technická univerzita Liberec, spolunositeli ČVUT Praha, Státní zdravotní ústav Praha a Fakulta životního prostředí Univerzity J. E. Purkyně v Ústí n. L.

Budoucnost vodíku jako paliva není růžová

Hlavní výhodou vodíku jako paliva je čistota spalování. Pokud se vodík použije v motorech s vnitřním spalováním nebo v palivových článcích, vznikne tepelná, mechanická či elektrická energie a neškodný produkt – voda. Nevznikne odpadní CO₂ ani další složky, které jsou průvodním jevem při spalování jakékoliv tuhého, kapalného nebo plynného uhlovodíkového paliva. CO₂ je hlavní složkou skleníkových plynů a vodíkové hospodářství by především mělo omezit jejich tvorbu. Mám však důvod k určité skepsi. Vodík se v pozemských podmínkách téměř nevyskytuje v čisté formě. Neomezené množství je ho ve vodě, krom toho je základem veškerých organických látek, a především je obsažen ve všech uhlovodíkových palivech, která se používají. Jak se bude získávat?

Petrochemické procesy představují 90 % výroby vodíku. Vstupem je uhlovodíkové palivo a tepelná energie, výstupem čistý vodík , CO₂ a další, méně podstatné složky. Jestliže tímto způsobem budeme vodík využívat pro pohon automobilů, letadel nebo lokomotiv, v globálním měřítku to nebude mít na omezení skleníkových plynů velký vliv. Navíc to bude dražší, než když původní uhlovodíkové palivo spálíme v automobilech rovnou. Rozdíl je v distribuci skleníkových plynů: Buďto bude jeden velký komín v jedné lokalitě produkovat ve velkém CO₂ a všechny automobily budou jezdit bez emisí skleníkových plynů, nebo budou miliony malých výfuků optimalizovaných automobilů produkovat skleníkové plyny plošně na celém území (současný stav). Několik firem již úspěšně testuje automobily s palivovými články a elektromotory. Nejúspěšnější z nich používají běžné uhlovodíkové palivo (benzin apod.), které se přímo na palubě mění na vodík pro palivové články – a odpadem je opět CO₂. Nabízí se otázka, není-li jednodušší použít benzin rovnou pro konvenční optimalizovaný spalovací motor – účinnost přeměny energie je v obou případech dosti podobná.

Elektrolýza vody je ekologicky úplně čistá. Nevznikají při ní skleníkové plyny a kyslík, který se vyrobí zároveň s vodíkem, bude mít dobré průmyslové využití. Tento způsob výroby vodíku lze však chápat jako akumulátor energie. Protože se elektrická energie nedá skladovat, skladuje se zatím obvykle ve formě potenciální energie vody (přečerpávací elektrárny). Výrobou vodíku a jeho dalším spalováním či přeměnou na elektrickou energii palivovými články kdykoli a kdekoli by se dalo velmi úspěšně vyřešit skladování elektrické energie. Potíž je v tom, kde vzít tak obrovské množství levné elektrické energie, aby se vodík stal běžným palivem automobilů apod. Jestliže je např. v Čechách cca 3 000 000 automobilů a v provozu je, dejme tomu, třetina z nich, pak zhruba při 50 kW průměrného výkonu automobilu bude instalovaný výkon: 10 000 000 × 50 = 50 000 000 kW = 50 000 MW. Takový výkon by elektrárny musely mít, to znamená, že bychom potřebovali 26 temelínských elektráren!

A jsme u jádra problému vodíkové budoucnosti. Pokud bychom vodík získali elektrolýzou (bez vzniku skleníkových plynů), musíme vyloučit veškeré tepelné elektrárny. Zbývají vodní, větrné, sluneční, všechny netradiční a atomové. Mimo poslední možnost je dosažení požadovaného výkonu např. v našich podmínkách naprosto nereálné, a tak je jedinou možností přechod na atomovou energetiku. Přestože při výrobě elektřiny skutečně nevzniká žádný skleníkový plyn, je každé „správné“ jihočeské matce či každému „zanícenému ekologovi“ jasné, že atomová energetika je hrůza, pohroma, katastrofa. Proto je i tato možnost výroby vodíku nejistá. A právě proto to s vodíkem jako všeobecným a nejušlechtilejším palivem budoucnosti vidím poněkud skepticky.

Ondřej Vysoký

Dramatické události kolem těžké vody

Ve 40. letech 20. století byl Vemork jediným místem, odkud mohlo Hitlerovo Německo získat těžkou vodu pro výzkum a eventuální výrobu atomové bomby. V březnu 1942 seskočil nedaleko závodu norský parašutista. V říjnu téhož roku se k němu přidali další čtyři. Úkolem skupiny s kódovým označením Grouse byly sabotážní operace, a zejména sběr informací o výrobě těžké vody.

Ještě o měsíc později, 19. listopadu, byla za stejným účelem vypravena na dvou kluzácích sabotážní skupina 34 mužů z Anglie. Jejím úkolem bylo zničit továrnu ve Vemorku. Skupina Grouse měla připravit podmínky pro výsadek. Akce však skončila neštěstím. Jeden z letounů vlekoucích kluzáky narazil do hory a větroň ho následoval. Druhý kluzák selhal po odpoutání a spadl na zem. Ti, co přežili havárii, byli později zastřeleni německými okupanty. Skupina Grouse (pod novým označením Swallow) byla nucena se stáhnout do nitra náhorní planiny Hardangervidda, kde přečkala zimu.

V únoru 1943 seskočila na Hardangerviddu nová skupina Gunnerside. Minula však asi o 30 km smluvené místo dopadu, a se skupinou Swallow se proto spojila až o několik dní později. Přesto již 27. února byli sabotéři ve Fjo/sbudalenu severně od Vemorku připraveni udeřit. Po obtížném přiblížení k budovám továrního komplexu nakonec umístili výbušninu v konteineru s těžkou vodou a zničili ho. Německé hlídky nepředpokládaly, že by mohlo jít jen o několik málo mužů, kteří navíc přišli pěšky, a než se vzpamatovaly, podařilo se sabotérům zmizet na lyžích v Hardangerviddě. Zde se rozdělili do dvou skupin. Jedna ozbrojená a uniformovaná odešla na lyžích přes celé Norsko do neutrálního Švédska. Druhá zůstala v Hardangerviddě a úspěšně se vyhýbala všem německým patrolám a pokusům o dopadení. Až do konce války udržovala rádiový kontakt s Londýnem.

Továrnu ve Vemorku se ale podařilo v krátké době opravit, a proto se Američané rozhodli ji bombardovat. 16. listopadu 1943 spustilo na Vemork svůj náklad 140 létajících pevností. Elektrárna i továrny byly definitivně vyřazeny z provozu. Nálet zaplatilo životem dvacet Norů.

Sabotéři brzy získali informace, že Němci chtějí již téměř připravenou těžkou vodu přepravit do Německa. Z Londýna přišel příkaz transport sabotovat. Slabým článkem dopravního řetězce se ukázal být trajekt přes jezero Tinnsjø. 19. února 1944 na něj sabotéři umístili časované nálože. Ty druhý den skutečně vybuchly a loď se potopila uprostřed jezera. Zahynuli čtyři němečtí vojáci a čtrnáct norských civilistů. Těžká voda však nikdy neopustila území Norska.

Pavel Hošek

KOLIK TO BUDE STÁT?

Průmyslově vyráběný vodík se ke spotřebitelům dopravuje buď potrubím, nebo v tlakových láhvích. Nejdelší vodíkové potrubí v Evropě bylo postaveno r. 1966 a měří 290 km. Spojuje dva závody francouzsko-belgické firmy Air Liquid.

Distributoři technických plynů v České republice (AGA Gas AB a Linde-Technoplyn, a. s., Praha) dodávají vodík nejčastěji v ocelových tlakových láhvích o objemu 5–50 litrů s pracovním tlakem 15 a 20 MPa. V přepravních a skladovacích kontejnerech bývají umístěny po dvanácti.

První veřejná stáčecí stanice vodíku v Evropě byla otevřena v lednu 1999 v Hamburku. Využívá ji autopark hamburských podnikatelů. V r. 1999 stačilo jedno načerpání vodíku na 150 km jízdy a nákladově odpovídalo 22 fenikům za kilometr. Jestliže uvážíme průměrnou cenu benzinu (včetně DPH) 1,85 marky za litr (průměr roku 1999) a průměrnou spotřebu benzinu 8 litrů na 100 km, odpovídalo to nákladům 14,8 feniku na kilometr – čili benzin jako pohonná hmota byl výhodnější. Pro časový horizont r. 2005 se však v Německu očekává cena benzinu ve výši 4 marek za litr, a to by již byl vodík (při zachování uvažovaných měrných spotřeb) vůči benzinu konkurenceschopný – pro benzin by mělo vyjít 32 feniků na kilometr.

M. R. a M. F.