MultilicenceBiologie2025MultilicenceBiologie2025MultilicenceBiologie2025MultilicenceBiologie2025MultilicenceBiologie2025MultilicenceBiologie2025
i

Aktuální číslo:

2025/5

Téma měsíce:

Pohlaví

Obálka čísla

Bude vodík všude?

 |  12. 7. 2021
 |  Vesmír 100, 470, 2021/7
 |  Téma: Vodík

V současné době procházíme velkou změnou od energetiky založené dominantně na spalování fosilních paliv k využití metod energeticky efektivnějších či přívětivějších k životnímu prostředí. Velmi slibným médiem pro transport energie a její využití na místě spotřeby je vodík. Technologie výroby, transportu, využití a skladování vodíku jsou tak velmi aktuálními výzkumnými tématy.

Dějiny lidské civilizace, jejího vzestupu, tvorby čím dál složitějších struktur a přetváření vnějšího světa jsou do značné míry dějinami využití energie. Lidstvo ušlo dlouhou cestu od podmanění si ohně, využití síly zvířat, kinetické energie vody a větru přes uvolňování chemické energie dřeva, uhlí, ropy až po etablování elektřiny jako univerzálního energetického média, zkrocení energie jaderné a čím dál účinnější ovládání přeměn jednotlivých druhů energie.

Měřítka

Celosvětová roční spotřeba energie lidstvem včetně energetických ztrát činí v současnosti přibližně 170 000 terawatthodin neboli 612 exajoulů. Pro konkrétnější představu velikosti těchto čísel (giga = 109, tera = 1012, exa = 1018) toto množství odpovídá energii uvolněné spálením buď 30,6 gigatuny dřeva (to by byla krychle o hraně zhruba 3,7 kilometru, přičemž veškeré zásoby dřeva v lesích ČR se odhadují1) na 689 × 106 m3, což zhruba odpovídá 0,35 gigatuny dřeva), nebo 20 gigatun uhlí, 14,6 gigatuny topného oleje, 12,8 gigatuny ropy, 11,4 gigatuny zemního plynu nebo 5,1 gigatuny vodíku. Toto množství energie dopadne ze Slunce na Zemi ve formě elektromagnetického záření asi za jednu hodinu a k uvolnění stejného množství energie jadernou reakcí v plánovaných reaktorech IV. generace využívajících rychlých neutronů by teoreticky mělo postačit přibližně 0,0000076 gigatuny thoria, plutonia či přírodního uranu (což je krychle o hraně zhruba 8 metrů); ovšem využitelná elektrická energie produkovaná současnými jadernými reaktory je ve skutečností řádově nižší.

Teoreticky ideální případ solární elektrárny na Sahaře by k zajištění současné energetické spotřeby lidstva vyžadoval zastavět plochu asi 440 × 440 km2. Úložiště využívající lithium-iontové baterie postavené na stejně velké ploše by tuto energii dokázalo uložit přibližně na 8 a ¼ dne. Nevýhodou centralizovaných energetických zdrojů jsou ovšem vysoké nároky na distribuci energie.

Vodík

Vodík se na Zemi v čisté molekulární formě H2 prakticky nevyskytuje, a proto ani nepatří mezi primární energetické zdroje. Je však obsažen v mnoha sloučeninách a tvoří vedlejší produkt řady chemických procesů. Průmyslově se v současnosti vyrábí především parní reformací zemního plynu a zplyňováním uhlí (celosvětově zhruba 70 milionů tun za rok). Oba procesy jsou však zatíženy značnými emisemi CO2.

Podíl vodíku, který je v celosvětovém měřítku vyráběn pomocí bezemisních metod, činí v současné době asi 0,5 %. Procesy bezemisní výroby vodíku vyžadují značný přísun energie, ať už ve formě koncentrovaného tepla (pyrolýza metanu za vzniku čistého uhlíku, reakce vodní páry s rozžhaveným železem či některý z desítek dalších termochemických cyklů), elektřiny (elektrolýza vody), kombinace tepla a elektřiny (vysokoteplotní parní elektrolýza), nebo radiace (potenciální radiolytický rozklad vody, např. i s využitím vyhořelého jaderného paliva). Velká část těchto procesů vyžaduje k tomu, aby probíhala s dostatečnou rychlostí anebo za přijatelných tlaků či teplot, vhodný katalyzátor. Pro skladování vodíku jsou také důležité pokročilé materiály. Dnes je vodík využíván v chemickém a petrochemickém průmyslu, převážně při rafinaci ropy (52 % spotřeby) a výrobě amoniaku (43 % spotřeby).

Ve skutečnosti je celosvětová spotřeba energie zajišťována převážně fosilními palivy (asi 33 % ropa, 27 % uhlí, 24 % plyn), na vodní zdroje připadá 6,5 %, na jaderné 4,5 % a na zdroje označované jako obnovitelné či zelené (včetně biomasy) zbývá 5 %.

Asi 30 % primární energie je ztraceno při transportu a při konverzi jednotlivých typů energie. Ze zbylých 70 % připadají celé čtyři pětiny využité energie na teplo a dopravu a jen pětina na spotřebu elektřiny. Snaha o přechod na efektivní, udržitelnou a k přírodě přátelskou energetiku se tedy musí soustředit nejen na výrobu energie elektrické, ale také na úpravu průmyslových a chemických procesů, na distribuci energie ve vhodné formě a na transformaci dopravy.

Energetické využití vodíku

Energetická hustota vodíku na jednotku hmotnosti, násobně přesahující energetickou hustotu uhlí, plynu i nafty, a dokonce o dva řády vyšší než současné baterie, z něj dělá vhodný zdroj energie i pro některé typy dopravy, kde více než objem rozhoduje hmotnost a rychlost tankování. Nevýhodou vodíku je však velmi nízká energetická hustota na jednotku objemu, která je u plynného vodíku dokonce o dva řády nižší než u baterií; u vodíku stlačeného na 700 bar (což je běžně dosahovaný tlak) už však baterie lehce předstihuje. U kapalného vodíku je energetická hustota na jednotku objemu ještě stále pouze čtvrtinová oproti fosilním palivům. Vzhledem k deklarovaným závazkům ohledně snižování emisí CO2 však lze očekávat silný nárůst významu bezemisně vyrobeného vodíku oproti fosilním palivům. Další výhodou je, že k jeho přepravě lze do jisté míry využít stávající infrastruktury.

Již dnes přibývá aplikací vodíku v autobusové,2) nákladní i vlakové dopravě. Zvažuje se též využití pro bezpilotní prostředky nebo stacionární aplikace. Vodík navíc nabízí cestu k dekarbonizaci těch energeticky náročných odvětví, která by se jinou cestou zbavovala emisí CO2 jen velmi obtížně. Jde například o produkci cementu, hutní průmysl nebo nákladní lodní dopravu. U lodní dopravy se výhledově vedle vodíku využitého jako paliva uvažuje také o amoniaku či metanolu. Použití vodíku ve spalovacím motoru je samozřejmě možné, lze ho dokonce částečně přimíchávat do zemního plynu či spalovat v plynových turbínách bez dalších úprav infrastruktury. Přímé spalování H2 sice neprodukuje CO2, avšak v motorech a turbínách při vysokých tlacích produkuje nežádoucí oxidy dusíku.

Vodíkové palivové články

Možnost použití vodíku v přímé konverzi jeho chemické energie na energii elektrickou jej činí široce využitelným. Tento proces má účinnost 50–60 %, tedy podstatně více než je 25–35% účinnost klasického termodynamického spalovacího cyklu. Jediným produktem reakcí v těchto článcích je čistá voda. Palivové články jsou různých typů, některé nepracují jen s vodíkem, nýbrž i s plynnými uhlovodíky či s alkoholy, avšak všechny potřebují pro svou funkci katalyzátory, na jejichž povrchu probíhají potřebné elektrochemické reakce.

Nízkoteplotní palivový článek s proton-vodivou membránou (PEM fuel cell) a katalyzátorem je vrstevnatá struktura, kde je z jedné strany přiváděno palivo (vodík) a z druhé strany kyslík nebo vzduch (obr. 1). Na anodě dochází pomocí katalyzátoru k rozkladu vodíku na elektrony a protony. Protony putují membránou ke katodě, kde se setkávají s elektrony, které mezitím dorazily vnějším obvodem, kde vykonaly práci. Na katodě dojde k reakci s kyslíkem za vzniku čisté vody. Palivové články s proton-vodivou membránou pracují při teplotách pod 100 °C.

Elektrochemické reakce probíhají na povrchu částic katalyzátoru. Celkový povrch katalyzátoru je z geometrických důvodů nepřímo úměrný průměrné velikosti částic, kterými je tvořen. Proto je logická snaha povrch katalyzátoru maximalizovat a zároveň jej vhodně uchytit do struktury elektrod. V současnosti nejpoužívanější metoda využívá tzv. katalytického inkoustu, ve kterém jsou rozptýleny nanočástice katalyzátoru (Pt/C – nanočástice platiny na uhlíku). Inkoust je pak v tenké vrstvě nanesen na membránu a vysušen.

Jiskrová syntéza

Metodu jiskrové syntézy pro aplikaci ve vodíkových palivových článcích vyvíjí Ústav termomechaniky AV ČR od roku 2015 v rámci programu podpory aplikovaného výzkumu AV ČR – Strategie AV21 – Účinná přeměna a skladování energie. V současné době se metoda a její komerční aplikace rozvíjí ve spolupráci s ÚJV Řež a Industrial Technology Research Institute na Tchaj-wanu v rámci projektu bilaterální česko-tchajwanské spolupráce, podpořené Technologickou agenturou ČR (projekt DELTA2 TM01000018 Vývoj účinných katalytických materiálů a odolných bipolárních desek pro automatizaci výroby svazků vodíkových palivových článků).

V Ústavu termomechaniky AV ČR intenzivně vyvíjíme alternativní metody výroby katalytických nanočástic, které by mohly celý proces významně zjednodušit a zlevnit. Nanočástice vyrábíme pomocí aerosolové syntézy využívající jiskrového výboje mezi platinovými elektrodami v proudícím plynu (obr. 2). Jiskrový výboj (1) typicky trvá několik mikrosekund a způsobí odpaření oblaku atomů platiny. Ten je proudícím plynem rychle zchlazen a jeho kondenzací vznikají částice o průměru menším než 5 nanometrů. Množstvím nosného plynu můžeme navíc řídit aglomeraci primárních nanočástic, tj. jejich spojování do rozvětvených porézních struktur (2). Výsledný nanomateriál pak disponuje velkým vnitřním povrchem potřebným pro účinnou katalýzu chemických reakcí v palivovém článku. Výhodou aerosolové syntézy je možnost přímé depozice vytvářeného nanomateriálu do funkčních vrstev.

Přínosem aerosolové syntézy je také mimořádná čistota produkovaných částic a snadné vytváření vícesložkových nanostruktur, tj. kovových nanoslitin, oxidů nebo nitridů, a to pouhou změnou materiálu elektrod či složení nosného plynu. Takto vytvořené materiály mají i další potenciální aplikace ve vodíkovém hospodářství (elektrolyzéry, elektrochemické kompresory, materiály pro ukládání vodíku) nebo v oblasti citlivých senzorů plynů. Z praktického hlediska je užitečná i možnost škálování a automatizace procesu.

 Článek vychází s podporou Ústavu termomechaniky AV ČR

 

Ke stažení

TÉMA MĚSÍCE: Vodík
OBORY A KLÍČOVÁ SLOVA: Energetika

O autorech

Jan Gruber

Tomáš Němec

Další články k tématu

Budoucnost vodíkuuzamčeno

Vodík není ani tak primární zdroj, jako spíše nosič energie umožňující její transport a skladování. Je také významnou surovinou řady průmyslových...

Nanočástice na míru

S jiskrovým výbojem se v běžné praxi setkáváme např. v benzinovém motoru automobilu při zapalování palivové směsi ve válci nebo v kuchyňských...

Nejnovější výzkumy o vodíku a vodě

1934: Jestliže se otážeme inteligenta, který chemii buď nestudoval anebo ji od dob svých studií skoro úplně zapomněl, zná-li nějaký chemický...

Jak uchovávat energii

Vědce a techniky, kteří se zabývají problémem uskladnění energie, trápí nerudovská otázka „kam s ní“. A jak ji uložit, aby se v případě potřeby...

Město odkojené vodíkem: Ústí nad Labemuzamčeno

„Vodíkovým údolím“ by se chtělo stát několik českých regionů, které se v posledních dvou letech přetahují o pozici lídra v zavádění nových...

Vodík: 74 % viditelného vesmíruuzamčeno

Téměř tři čtvrtiny (74 %) veškeré viditelné hmoty ve vesmíru tvoří vodík. S trochou nadsázky by se tudíž dalo říci, že historie vesmíru je...

Doporučujeme

Milostný život nálevníků

Milostný život nálevníků uzamčeno

Ivan Čepička  |  5. 5. 2025
Pohlavní proces, sex, je jedním ze zásadních vynálezů eukaryot. Projevy s ním spojené jsme zvyklí vídat na makroskopické úrovni, ať už to jsou...
Chromozomy, geny, hormony a pohlaví

Chromozomy, geny, hormony a pohlaví

Jaroslav Petr  |  5. 5. 2025
Na téma „ona a on“ se píšou básně, romány i dramata. Pestré a napínavé příběhy nabízí i příroda. Cesty, jimiž se může ubírat vývoj pohlaví...
Dřevěné mrakodrapy

Dřevěné mrakodrapy uzamčeno

Václav Sebera  |  5. 5. 2025
Nejvyšší člověkem postavené stavby jsou takové, které se přibližují, doslova drápou, k mrakům – mrakodrapy. Nepřekvapuje, že jejich nosné systémy...