Bude vodík všude?

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.

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.

V Ústav u termomechaniky AV ČR se zabýváme nízkoteplotními palivovými články s proton-vodivou membránou a katalyzátorem na bázi nanočástic platiny a jejích slitin s dalšími kovy.

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.

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.

Funkční vrstvu katalytického nanomateriálu (3, na obrázku světle modře) můžeme připravit např. filtrováním nosného plynu s nanočásticemi přes uhlíkový substrát, kdy dosáhneme rovnoměrné vrstvy nanomateriálu o tloušťce několika mikrometrů. Takto vyrobené funkční vrstvy tvoří základ elektrod vodíkového palivového článku (4).

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