Vodíkové hospodářství

Vodík - lehký a prakticky všudypřítomný plyn, je schopen vydávat po snadném přenosu a rozvodu potrubím nebo v kapalném stavu svou energii nejen spalováním, ale i přímou přeměnou v palivových článcích v elektřinu. V kterémkoliv stavu pak jako nositel chemické energie je schopen akumulovat velké množství elektrické energie např. ze slunečních článků nebo z větrných elektráren.

Vodík - lehký a prakticky všudypřítomný plyn, je schopen vydávat po snadném přenosu a rozvodu potrubím nebo v kapalném stavu svou energii nejen spalováním, ale i přímou přeměnou v palivových článcích v elektřinu. V kterémkoliv stavu pak jako nositel chemické energie je schopen akumulovat velké množství elektrické energie např. ze slunečních článků nebo z větrných elektráren. Je schopen pohánět spalovací i turbínové motory. Není jedovatý a odpadním produktem jeho spalování je jen voda nebo pára. Dílčí technologie byly v několika průmyslových projektech již vyzkoušeny. Otázka, kdy a jak s nimi začít v praxi, je vázána na jeho levnou výrobu. V současné době svět spotřebovává ročně asi 250 mil. tun průmyslového vodíku. Získává ho převážně ze zemního plynu, štěpením ropy v petrochemických kombinátech nebo konverzí fosilních paliv parokyslíkovou směsí. Zavádějí se i technologie s termochemickými procesy na katalyzátorech.

Nejčistější vodík se získává rozkladem vody elektrickým proudem - elektrolýzou. Je to děj, při kterém se na elektrodách napájených stejnosměrným proudem a ponořených do vodních roztoků (voda s hydroxidem draselným nebo sodným) podle jednoduchých rovnic na anodě uvolňuje kyslík a na katodě dvojnásobné množství vodíku. Současné pokročilé tlakové elektrolyzéry používají v roli elektrody iontové membrány, nebo rozkládají vodní páru na keramickém elektrolytu z oxidu zirkoničitého. Na výrobu 1 kg H₂ spotřebují 45 kWh. Účinnost výroby vodíku se podle použité metody pohybuje od 40 do 60 %. Cena kg vodíku je ve většině zemí srovnatelná s kg propanu nebo ropy. Ke zkapalnění kilogramu vodíku je třeba vynaložit 40 až 50 MJ.

Vodík lze přepravovat potrubím pod tlakem jako zemní plyn, vzhledem k jeho explozivním schopnostem však musí být pamatováno na příslušná bezpečnostní opatření. Přepravuje se i v tlakových nádobách pod tlakem 20 až 35 MPa .

V kapalném stavu (při teplotě –253 °C) se dopravuje trailery nebo speciálními tankery a uchovává se v kryogenních, dobře izolovaných nádržích, obvykle při mírném přetlaku 0,4 MPa. Problém s jeho uložením v palivových nádržích dopravních prostředků s vodíkovými motory rozřešilo vázání vodíku na kovy v podobě hydridů kovů. Nádoba vyplněná porézním kovem (např. slinutý kovový prášek prostupný pro plyn), např. na bázi lanthanu a niklu při 0,5 MPa pohltí tolik vodíku, jako tisíckrát objemnější nádržka plynu. V 10 cm³ titanových třísek se dá takto uskladnit 160 litrů vodíku. Když se náplň mírně zahřeje, vodík se opět uvolní.

Možnosti využití vodíku

V palivových článcích vydá čistý plynný vodík spolu s kyslíkem (např. ze vzduchu), elektrochemickou reakcí za mírné nebo vyšší teploty, stejnosměrný elektrický proud přímou přeměnou s účinností 70 až 90 % ,bez hluku a exhalací.

Při přímém spalování vykazuje dvojnásobnou výhřevnost než např. benzín. Hoří pětkrát rychleji než zemní plyn.

Katalytické spalování probíhá při teplotách pod 500 °C s mírnými emisemi NO_X. Jestliže se do hořícího plynu s teplotou 1000 - 3000 °C vstřikuje voda která předtím chladila stěny spalovací komory, mění se hořák v generátor páry. Tzv. vodíko - kyslíkové vyvíječe páry mohou být i levnější než klasické kotle pro spalování fosilních paliv.

Vodík se hodí jak k pohonu pístových motorů s vnitřním spalováním, tak k pohonu plynových turbín. V pístových motorech hoří rychle, maximální emise NO_X jsou srovnatelné s benzínovými motory. U leteckých turbín se příznivě uplatňuje vysoká hustota vodíkového paliva, nižší hmotnost motoru a to, že lopatky jsou oblévány mnohem méně agresivními plyny.

Solárně-vodíkový projekt v Neunburgu vorm Wald

K ověření možností využití vodíku proběhl v letech 1986 - 1999 rozsáhlý pokus mnichovského sdružení Solar-Wasserstoff-Bayern GmbH. V Neunburgu vorm Wald bylo instalováno pole solárních článků (3 000 m²) s elektrickým výkonem 360 kW. Elektřina schopná zásobovat 70 domácností byla využívána ke komplexnímu zásobování laboratoří, při přebytku dodávána do sítě. Část výkonu byla využita ke zkapalňování vodíku a kyslíku z elektrolyzérů. Kapalný vodík byl využit k pohonu pokusného osobního automobilu BMW s vodíkovým spalovacím motorem. V noci byla elektřina odebírána z tří pokročilých palivových článků. Desetiletý provoz komplexu sice prokázal technickou schopnost i bezpečnost zařízení, avšak kilowatthodina i v té době nejefektivnějších solárních článků vyšla desetkrát dráž než z rozvodné veřejné sítě. Když se z tak drahé kilowatthodiny pak vyrábí vodík a zkapalňuje se pro pohon vozidel, vyjde kilometr jinak ekologické jízdy (z výfuku jen ukapává voda) třicetkrát dráž než při použití benzínového motoru.

Vodíkový projekt v Mnichově

Dne 5. 5. 1999 byla v rámci projektu 14 společností s podporou bavorské vlády zahájen poprvé na světě provoz první veřejné "vodíkové" plnicí stanice. Na jižním okraji nového letiště Mnichov byla vybudována potřebná komplexní technologie. Vodík se vyrábí ve vysokoteplotním elektrolyzéru a po vyčištění a sušení se skladuje v metalhydridových a tlakových zásobnících. Z výdejních stojanů ho do tlakových nádob nebo do malých metalhydridových zásobníků odebírá několik automobilů a autobusů se spalovacími motory upravenými na spalování vodíku. Další část stanice je zásobována kapalným vodíkem LH₂ od firmy Linde v Ingolstadtu, který se skladuje v kryogenním zásobníku. Speciální robotizovaný výdejní stojan jím plní kryogenní nádrže několika osobních automobilů BMW. S jednou náplní vlastní nádrže mají akční radius okolo 300 km. Experimenty s proudovými letadly poháněnými vodíkem (Tu-155 a airbus Cryoplane společnosti Daimler-Benz Aerospace) nasvědčovaly, že provoz těchto letounů by mohl být čistší, zatím však nemohl konkurovat cenově palivům na bázi ropy. K vyrovnání cen by mělo dojít kolem roku 2015.

Evropsko-kanadský vodíkový projekt

Rozsáhlý pilotní projekt (Euro-Quebec-Hydro-Hydrogen-Project) EQHHPP, který by měl pootevřít cestu k vodíkovému hospodářství, probíhá od roku 1988 mezi Kanadou a Evropou. Obrovské přebytky elektrických výkonů v Kanadě by bylo možné prodávat Evropě prostřednictvím vodíku. V současné době jeden speciální tanker přepravuje z kanadské zkapalňovací stanice v Sept Iles u ústí řeky Sv. Vavřince kapalný vodík do Hamburku. Tam se skladuje v kulové nádrži a ve výparníku se postupně mění na vodíkový plyn. Ten je využit v demonstrační stanici k výrobě elektrické energie v palivovém článku, spalován v katalytickém hořáku, nebo se plní do tlakových nádrží několika pokusných vodíkových autobusů a pokusných komunálních vozidel. V první etapě jde o »vodíkový« přenos výkonu asi 100 MW. V další etapě vzroste dovoz kapalného vodíku na 7000 m³ ročně a vodíkem má být poháněno 830 městských autobusů v Hamburku.

Zatím ještě utopicky znějící projekty mluví o úplném zásobování střední Evropy kanadskou elektřinou prostřednictvím "vodíkového mostu". V oblasti fantazií je představa budování vodíkových centrál na pouštích v rovníkových oblastech, kde by elektrolyzéry napájené ze solárních článků rozkládaly vodu, a vodík by byl přepravován do Evropy podmořským potrubím, nebo po zkapalnění tankery. V tomto směru předběhl autory studií víc než o sto let Jules Verne, který se čtenářům "Tajuplného ostrova" vyznává:

„Věřím, že jednoho dne vodík a kyslík, z kterých je složena voda, každý sám nebo i dohromady, vytvoří nevyčerpatelný zdroj tepla a světla pro všechny".