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 dala „na lusknutí prstů“ využít?

Ukládání energie není nové téma. Tenčící se zásoby klasických neobnovitelných zdrojů energie (a jejich zneužívání ve jménu geopolitických zájmů) stavějí do popředí nutnost využití zdrojů obnovitelných. Ty jsou však často limitovány faktory, na  které nemáme vliv – např. délkou a intenzitou slunečního svitu, silou větru apod. Je tedy nutné najít způsob, jak tyto fluktuující přísuny energie nejprve uložit, a teprve v případě potřeby uvolnit. Dalším důvodem pro ukládání jsou mobilní aplikace a využití tam, kde je z různých důvodů nedostupný primární zdroj energie. Pokud budeme v dalším textu zmiňovat energii, půjde zejména o energii elektrickou. Nijak to nezúží úvahy, neboť právě elektrická energie je nejčistší v tom smyslu, že se snadno transformuje na  jiné formy – například mechanickou. To třeba u energie tepelné neplatí tak přímočaře.

Když přeskočíme nejrůznější galvanické články, protože to jsou jednorázové zdroje, které se po chemické degradaci obsahu musí vyhodit, čímž se zatíží životní prostředí, nebo se jejich komponenty draze recyklují, lze o efektivním cyklickém ukládání energie mluvit až od akumulátorů (tab. I). Každá z uvedených možností opakované akumulace energie má své výhody a každá má také své místo ve specifických oblastech. Vysoký okamžitý proud až 100 A udržuje klasický olověný akumulátor v automobilovém průmyslu, extrémně vysoká hustota uložené energie u moderních Li-ion akumulátorů zase umožňuje dosud nevídané aplikace ve všech oblastech techniky.

Porovnání různých akumulátorů z hlediska hustoty uložené energie, napětí akumulátoru a životnosti.

Na scéně se objevuje vodík

Technická řešení shrnutá v tab. I jsou vhodná převážně pro mobilní aplikace. Nestačí tam, kde je třeba vyšší výkon, tj. pro střední a energeticky velmi náročné stacionární aplikace. Není divu, že snaha najít řešení postupně vedla k myšlence využít jako úložného média energie vodík. Jeho energetický obsah je 33 kWh/kg, což je třikrát víc než u benzinu.

Celosvětově Instalovaný výkon pro výrobu zeleného vodíku. Zdroj International Renewable Energy Agency (IRENA) a International Energy Agency (IEA)

Instalované kapacity pro výrobu zeleného vodíku v MWe ve světě explozivně rostou (obr. 1). Přes mimořádný nárůst instalovaného výkonu zeleného vodíku v globálním měřítku a přes ambiciózní plány do budoucna zůstává v dohledném časovém horizontu plánovaný výkon ze zeleného vodíku řádově pod úrovní globálních i národních potřeb. Přívlastkem zelený se označuje vodík vyrobený elektrolýzou za použití obnovitelných, uhlíkově neutrálních zdrojů (ekologicky). Barevnou konvencí se rozlišuje způsob produkce vodíku a její škodlivost pro životní prostředí: nejproblematičtější je výroba hnědého vodíku (zplyňováním uhlí), o něco přijatelnějšími technikami se vyrábí šedý vodík (reformací metanu vodní párou), modrý vodík (podobné jako šedý, ale CO₂ se přepracovává na neškodné sloučeniny) a tyrkysový vodík (pyrolýzou metanu přímo na vodík a na neškodný pevný uhlík, který lze využít např. v gumárenství). Z grafu je jasně patrný nástup zájmu o vodík přibližně v roce 2019. Globální roční spotřeba vodíku v milionech tun a prognóza jeho spotřeby do roku 2070 jsou znázorněny na obr. 2.  Není ale vyloučeno, že s ohledem na dnešní geopolitickou situaci se prognózy výroby vodíku do budoucna výrazně navýší. Zatímco v úvodních letech uvedené prognózy se počítalo s vodíkem do průmyslu, v dalším období dominuje vodík především v dopravě.

Zůstává otázka kam s ním

Přeměna vnitřní energie molekuly vodíku na užitečnou mechanickou energii je relativně snadná. Vodík lze přímo spálit jen v nepatrně upravených spalovacích motorech, což je ale proces s nízkou účinností, nebo jej nejprve přeměnit v palivovém článku na elektřinu a tou pohánět elektromotor hnacího agregátu auta (s lepší účinností než v spalovacích motorech).

Celosvětově projektovaná produkce zeleného vodíku v milionech tun za rok.Zdroj IRENA a IEA

Vodík se svým impozantním energetickým obsahem má však velmi nízkou objemovou hustotu energie. Za normálních podmínek – při atmosférickém tlaku a pokojové teplotě – zabere 1 kg vodíku objem přes 10 m³. Musí se tedy nějak „zhutnit“. To se nezdálo neřešitelné. Lze jej přece stlačit nebo zkapalnit. V dosud realizovaných aplikacích je nejčastěji využíván první způsob. Provoz zařízení obsahující tlakovou nádobu s výbušným plynem pod tlakem okolo 70 megapascalů (700 atmosfér) ale nevzbuzuje v uživateli zrovna pocit bezpečí. Zvláště když při každé manipulaci, jako je plnění nádoby, reálná rizika rostou. Existují také bezpečnostní rizika při případné havárii za provozu. A ani kryotechnika a manipulace se zkapalněným plynem není zrovna levnou a konstrukčně jednoduchou záležitostí.

Takže se hledalo dále…

Hydridy

Ilustrativní srovnání objemu různého paliva potřebného na 100 km.Snímek v pozadí ixography, Unsplash.com

Známe nespočet sloučenin vodíku (hydridů). Avšak jen některé jsou vhodné pro jeho ukládání. Základními kritérii jsou přijatelně vysoká objemová a hmotnostní kapacita – tj. množství vodíku v jednotce objemu nebo hmotnosti, přijatelná teplota a tlak při absorpci a desorpci, dostatečně rychlá kinetika těchto dějů, vratnost a stálost cyklů nabíjení a vybíjení. V neposlední řadě je to také cena. Typickými hodnotami, které dávají naději na  úspěšnou aplikaci úložného média, je kapacita nad 4 hmotnostní procenta H₂ při tlaku nabíjení kolem 1,5 megapascalu (15 barů, 15  atmosfér) a vybíjení asi 0,1 megapascalu a při teplotách kolem 200 °C. Přijatelná rychlost nabíjení a vybíjení je v jednotkách procent za několik minut. Zatím žádné známé médium nedosahuje těchto parametrů současně. Přesto, nebo právě proto, je hledání takové látky předmětem intenzivního výzkumu v mnoha předních laboratořích světa.

Je překvapivé, že při ukládání vodíku v pevném skupenství úložného média, jak se tento způsob označuje, lze dosáhnout vyšší úložné kapacity než prostým stlačením plynného vodíku na ještě únosný tlak, a dokonce i vyšší než při zkapalnění vodíku (obr. 3).

Uvedený způsob ukládání vodíku do  sloučenin je označován jako chemisorpce vodíku, neboť při něm vzniká chemická vazba vodík–atom(y) média. Pro doplnění je nutno zmínit ještě možnost ukládání vodíku adsorbováním na povrch média. Takto jsou však atomy vázány k úložnému médiu mnohem slabšími (většinou jen Van der Waalsovými) silami, což vyžaduje udržovat médium při nízkých teplotách a stále pod tlakem. Tím se ale výhodnost ukládání ztrácí a také kapacita ukládání je velmi nízká.

Jak konkrétně úložné médium vypadá?

Je to různé, ale v případě převážně kovových složek a jejich slitin může mít vzhled běžného kousku kovu (obr. 4). Aby se však urychlilo vnikání vodíku do takového materiálu při nabíjení a jeho uvolňování při vybíjení, je lépe, když jsou materiály napráškovány například mletím v kulovém mlýnu. Aby se s nimi dále lépe pracovalo, bývají zkompaktovány do tablet.

Speciální vysokoentropická slitina tvořená prvky Ti, V, Cr a Mo (což jsou kritické suroviny, viz Vesmír 101, 230, 2022/4).

Pro ještě lepší přístup vodíku k objemu úložného média se různými technikami připraví velmi jemné částice média (v podobě nanočástic) a ty se nanesou a fixují na  povrch substrátu – takzvaného lešení nebo kostry (scaffolding). Takovou kostrou může být třeba grafen (viz Vesmír 94, 508, 2015/9). To je vrstva pravidelně uspořádaných atomů uhlíku o tloušťce jediného atomu. V elektronovém mikroskopu vypadá taková struktura jako jemně nadýchané obláčky (obr. 5).

Účinnost ukládání vodíku i ostatní užitné parametry média lze ovlivňovat velikostí namletých částic, chemickým složením a krystalickým stavem, příměsí vhodných katalyzátorů i celkovým způsobem přípravy.

Často používanými experimentálními technikami, které hodně vypovídají o struktuře zkoumaného média a vztahu této struktury k účinnosti ukládání vodíku, jsou elektronová mikroskopie a difrakce RTG záření. Takto získané poznatky lze využít k cílenému hledání lepších materiálů. Ve vzorku nemusí být všechny elementy v jedné krystalické fázi – nemusí tvořit jen jeden druh krystalků. Rentgenovou difrakcí na krystalografických rovinách lze jednotlivé fáze identifikovat, následnou analýzou určit jejich schopnost absorbovat vodík a případně navrhnout nové krystalické složení s lepšími vlastnostmi. Na obr. 6 jsou například identifikovány 3 krystalické fáze a je určen jejich podíl ve vzorku. Jsou ukázány 3 difraktující krystalografické roviny v majoritní krystalické komponentě MgH₂, které daly vzniknout 3 charakteristickým píkům v difraktogramu.

Grafen v elektronovém mikroskopu vypadá jako nadýchané obláčky.

Upřesnění a rizika

Současná očekávání přisuzovaná věku „vodíkové energetiky“ je třeba vnímat v reálných polohách. Především je naprosto zřejmé, že zavedení vodíku do energetiky je krok správným směrem. Jako zelené palivo nepochybně v globálním měřítku přispěje k zlepšení životního prostředí. Je to však palivo sekundární a je nutné jedním dechem zdůraznit, že se tak nestane, dokud nebude zvládnuta zelená výroba vodíku jako takového. A to v opravdu velkém objemu, jak je zřejmé z prognóz na obr. 2. 

S ohledem na dnes nepředstavitelně masivní výrobu vodíku (předpokládají se miliony tun ročně, viz obr. 2) je nutno zvážit také případná rizika. Kromě těch evidentních – ale nikoliv podružných –, jako je nebezpečí výbuchu a rozsáhlých požárů, jsou tu ještě skryté problémy. Například není jasné, jaké důsledky mohou mít úniky vodíku na stabilitu a ochrannou funkci horních vrstev atmosféry, a to jak nepatrné úniky z nesčetných jednotlivých zařízení, tak eventuální velké úniky během ojedinělé havárie při výrobě vodíku.

Mapování chemického složení zrna slitin pomocí RTG difrakce. Difraktogram navodíkovaného materiálu na bázi magnezia modifikovaného křemíkem a hliníkem. 

Současný stav

Z pohledu technických novinek, kdy jsme znovu a znovu udivováni úžasnými aplikacemi poháněnými Li-ion akumulátory, je třeba přiznat skutečnost, že vodík v konkurenci s Li-ion akumulátory zatím zaostává, a to v důsledku rozvinuté technologie Li-ion zdrojů a jednoduché aplikace – tam jde o elektrotechnický problém. Naproti tomu vodík se dráty vést nedá, a navíc je zapotřebí kombinovat více typů technologií, abychom zvládli jak produkci zeleného vodíku, tak potíže s jeho bezpečnou distribucí i s jeho dosud nepříliš efektivním ukládáním. Všechny tyto problémy jsou v současnosti předmětem intenzivního vývoje a výzkumu, nejsou však neřešitelné. V jeho prospěch do budoucna pak hovoří jeho snadná dostupnost a jednoduchá cyklovatelnost.

Článek vychází s finanční podporou Ústavu fyziky materiálů AV ČR.