Predstavíme si „vodík“, ďalšiu generáciu energie, ktorá je uhlíkovo neutrálna. Vodík sa delí na tri typy: „zelený vodík“, „modrý vodík“ a „sivý vodík“, pričom každý z nich má inú metódu výroby. Vysvetlíme si tiež každý spôsob výroby, fyzikálne vlastnosti prvkov, metódy skladovania/prepravy a spôsoby použitia. A tiež vysvetlím, prečo je dominantným zdrojom energie novej generácie.
Elektrolýza vody na výrobu zeleného vodíka
Pri použití vodíka je dôležité „vodík vyrábať“. Najjednoduchší spôsob je „elektrolýza vody“. Možno ste to robili na základnej škole v prírodovede. Naplňte kadičku vodou a elektródy vo vode. Keď je k elektródam pripojená batéria a napätá, vo vode a v každej elektróde prebiehajú nasledujúce reakcie.
Na katóde sa H+ a elektróny spájajú a vytvárajú plynný vodík, zatiaľ čo anóda produkuje kyslík. Tento prístup je stále vhodný pre školské vedecké experimenty, ale na priemyselnú výrobu vodíka je potrebné pripraviť účinné mechanizmy vhodné pre veľkovýrobu. Tou je „elektrolýza s polymérnou elektrolytickou membránou (PEM)“.
Pri tejto metóde je medzi anódou a katódou vložená polymérna polopriepustná membrána, ktorá umožňuje priechod vodíkových iónov. Keď sa do anódy zariadenia naleje voda, vodíkové ióny vznikajúce elektrolýzou sa pohybujú cez polopriepustnú membránu ku katóde, kde sa menia na molekulárny vodík. Na druhej strane, kyslíkové ióny nemôžu prejsť cez polopriepustnú membránu a stať sa molekulami kyslíka na anóde.
Aj pri alkalickej elektrolýze vody sa vodík a kyslík vytvárajú oddelením anódy a katódy cez separátor, cez ktorý môžu prechádzať iba hydroxidové ióny. Okrem toho existujú priemyselné metódy, ako napríklad vysokoteplotná parná elektrolýza.
Vykonávaním týchto procesov vo veľkom meradle je možné získať veľké množstvá vodíka. Pri tomto procese sa tiež produkuje značné množstvo kyslíka (polovica objemu vyrobeného vodíka), takže jeho uvoľnenie do atmosféry by nemalo žiadny nepriaznivý vplyv na životné prostredie. Elektrolýza však vyžaduje veľa elektriny, takže bezuhlíkový vodík je možné vyrobiť, ak sa vyrába s použitím elektriny, ktorá nepoužíva fosílne palivá, ako sú veterné turbíny a solárne panely.
„Zelený vodík“ môžete získať elektrolýzou vody s použitím čistej energie.
K dispozícii je tiež generátor vodíka na veľkovýrobu tohto zeleného vodíka. Použitím PEM v sekcii elektrolyzéra je možné vodík vyrábať kontinuálne.
Modrý vodík vyrobený z fosílnych palív
Aké sú teda ďalšie spôsoby výroby vodíka? Vodík sa nachádza vo fosílnych palivách, ako je zemný plyn a uhlie, v inej látke ako voda. Zoberme si napríklad metán (CH4), hlavnú zložku zemného plynu. Má štyri atómy vodíka. Vodík môžete získať odstránením tohto vodíka.
Jedným z nich je proces nazývaný „reformovanie metánu parou“, ktorý využíva paru. Chemický vzorec tejto metódy je nasledujúci.
Ako vidíte, oxid uhoľnatý a vodík sa dajú extrahovať z jednej molekuly metánu.
Týmto spôsobom je možné vodík vyrábať procesmi, ako je „parné reformovanie“ a „pyrolýza“ zemného plynu a uhlia. „Modrý vodík“ označuje vodík vyrobený týmto spôsobom.
V tomto prípade však vznikajú ako vedľajšie produkty oxid uhoľnatý a oxid uhličitý. Preto ich musíte pred uvoľnením do atmosféry recyklovať. Ak sa vedľajší produkt oxid uhličitý nezíska späť, stane sa plynným vodíkom, známym ako „sivý vodík“.
Aký druh prvku je vodík?
Vodík má atómové číslo 1 a je prvým prvkom v periodickej tabuľke.
Počet atómov je najväčší vo vesmíre a predstavuje približne 90 % všetkých prvkov vo vesmíre. Najmenším atómom pozostávajúcim z protónu a elektrónu je atóm vodíka.
Vodík má dva izotopy s neutrónmi viazanými na jadro. Jeden neutrónovo viazaný „deutérium“ a dva neutrónovo viazané „trícium“. Sú to tiež materiály na výrobu energie z jadrovej syntézy.
Vo vnútri hviezdy, ako je Slnko, prebieha jadrová fúzia z vodíka na hélium, čo je zdroj energie pre žiarenie hviezdy.
Vodík sa však na Zemi vyskytuje ako plyn len zriedka. Vodík tvorí zlúčeniny s inými prvkami, ako je voda, metán, amoniak a etanol. Keďže vodík je ľahký prvok, so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje rýchlosť pohybu molekúl vodíka a uniká spod zemskej gravitácie do vesmíru.
Ako používať vodík? Použitie spaľovaním
Ako sa teda používa „vodík“, ktorý pritiahol celosvetovú pozornosť ako zdroj energie novej generácie? Používa sa dvoma hlavnými spôsobmi: „spaľovaním“ a „palivovým článkom“. Začnime s použitím „spaľovania“.
Používajú sa dva hlavné typy spaľovania.
Prvým je ako raketové palivo. Japonská raketa H-IIA používa ako palivo vodíkový plyn „kvapalný vodík“ a „kvapalný kyslík“, ktorý je tiež v kryogénnom stave. Tieto dve zložky sa skombinujú a tepelná energia generovaná v tomto čase urýchľuje vstrekovanie vytvorených molekúl vody, ktoré letia do vesmíru. Keďže však ide o technicky náročný motor, okrem Japonska sa toto palivo úspešne skombinovalo iba v Spojených štátoch, Európe, Rusku, Číne a Indii.
Druhou je výroba energie. Výroba energie plynovými turbínami tiež využíva metódu kombinácie vodíka a kyslíka na výrobu energie. Inými slovami, je to metóda, ktorá sa zameriava na tepelnú energiu produkovanú vodíkom. V tepelných elektrárňach teplo zo spaľovania uhlia, ropy a zemného plynu vytvára paru, ktorá poháňa turbíny. Ak sa ako zdroj tepla použije vodík, elektráreň bude uhlíkovo neutrálna.
Ako používať vodík? Používa sa ako palivový článok
Ďalším spôsobom využitia vodíka je palivový článok, ktorý priamo premieňa vodík na elektrinu. Spoločnosť Toyota upútala pozornosť v Japonsku najmä tým, že v rámci svojich protiopatrení proti globálnemu otepľovaniu propagovala vozidlá na vodíkový pohon namiesto elektrických vozidiel (EV) ako alternatívu k benzínovým vozidlám.
Konkrétne, pri zavádzaní metódy výroby „zeleného vodíka“ robíme opačný postup. Chemický vzorec je nasledovný.
Vodík môže generovať vodu (horúcu vodu alebo paru) a zároveň elektrinu a možno ho oceniť, pretože nezaťažuje životné prostredie. Na druhej strane, táto metóda má relatívne nízku účinnosť výroby energie 30 – 40 % a vyžaduje platinu ako katalyzátor, čo si vyžaduje zvýšené náklady.
V súčasnosti používame palivové články s polymérnym elektrolytom (PEFC) a palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC). PEFC používajú najmä vozidlá s palivovými článkami, takže sa dá očakávať, že sa v budúcnosti rozšíri.
Je skladovanie a preprava vodíka bezpečné?
Myslíme si, že už chápete, ako sa vodíkový plyn vyrába a používa. Ako teda tento vodík skladujete? Ako ho dostanete tam, kam ho potrebujete? A čo bezpečnosť v tej chvíli? Vysvetlíme vám to.
V skutočnosti je vodík tiež veľmi nebezpečný prvok. Na začiatku 20. storočia sme používali vodík ako plyn na unášanie balónov, vzducholodí a vzducholodí na oblohe, pretože bol veľmi ľahký. 6. mája 1937 však v New Jersey v USA došlo k „výbuchu vzducholode Hindenburg“.
Od nehody sa všeobecne uznáva, že plynný vodík je nebezpečný. Najmä keď sa vznieti, prudko exploduje v prítomnosti kyslíka. Preto je nevyhnutné „uchovávať mimo dosahu kyslíka“ alebo „uchovávať mimo dosahu tepla“.
Po prijatí týchto opatrení sme prišli so spôsobom dopravy.
Vodík je pri izbovej teplote plyn, takže aj keď je stále plynom, je veľmi objemný. Prvou metódou je použiť vysoký tlak a stlačiť ho ako valec pri výrobe sýtených nápojov. Pripravte si špeciálnu vysokotlakovú nádrž a skladujte ju za podmienok vysokého tlaku, napríklad 45 MPa.
Spoločnosť Toyota, ktorá vyvíja vozidlá s palivovými článkami (FCV), vyvíja vysokotlakovú živicovú nádrž na vodík, ktorá znesie tlak 70 MPa.
Ďalšou metódou je ochladenie na -253 °C na výrobu kvapalného vodíka a jeho skladovanie a preprava v špeciálnych tepelne izolovaných nádržiach. Podobne ako LNG (skvapalnený zemný plyn) pri dovoze zemného plynu zo zahraničia, aj vodík sa počas prepravy skvapalňuje, čím sa jeho objem zmenší na 1/800 jeho plynného stavu. V roku 2020 sme dokončili prvý nosič kvapalného vodíka na svete. Tento prístup však nie je vhodný pre vozidlá s palivovými článkami, pretože jeho chladenie vyžaduje veľa energie.
Existuje spôsob skladovania a prepravy v takýchto nádržiach, ale vyvíjame aj iné metódy skladovania vodíka.
Metóda skladovania spočíva v použití zliatin na skladovanie vodíka. Vodík má vlastnosť prenikať do kovov a degradovať ich. Ide o vývojový tip, ktorý bol vyvinutý v Spojených štátoch v 60. rokoch 20. storočia. Experimenty JJ Reillyho a kol. ukázali, že vodík je možné skladovať a uvoľňovať pomocou zliatiny horčíka a vanádu.
Potom úspešne vyvinul látku, ako je paládium, ktorá dokáže absorbovať vodík 935-násobne väčší ako jej vlastný objem.
Výhodou použitia tejto zliatiny je, že dokáže predchádzať nehodám s únikom vodíka (najmä nehodám spôsobeným výbuchom). Preto sa dá bezpečne skladovať a prepravovať. Ak však nebudete opatrní a necháte ju v nesprávnom prostredí, zliatiny na skladovanie vodíka môžu časom uvoľňovať plynný vodík. Aj malá iskra môže spôsobiť výbuch, preto buďte opatrní.
Má tiež nevýhodu, že opakovaná absorpcia a desorpcia vodíka vedie ku krehnutiu a znižuje rýchlosť absorpcie vodíka.
Druhou možnosťou je použitie potrubí. Podmienkou je, že musia byť nestlačené a s nízkym tlakom, aby sa zabránilo krehnutiu potrubí, ale výhodou je, že je možné použiť existujúce plynové potrubia. Spoločnosť Tokyo Gas vykonala stavebné práce na plynovode Harumi FLAG, pričom na dodávku vodíka do palivových článkov použila mestské plynovody.
Budúca spoločnosť vytvorená vodíkovou energiou
Na záver sa zamyslime nad úlohou, ktorú môže vodík zohrávať v spoločnosti.
A čo je dôležitejšie, chceme podporovať spoločnosť bez uhlíka, pretože vodík používame na výrobu elektriny namiesto tepelnej energie.
Namiesto veľkých tepelných elektrární niektoré domácnosti zaviedli systémy ako ENE-FARM, ktoré využívajú vodík získaný reformovaním zemného plynu na výrobu potrebnej elektriny. Otázkou však zostáva, čo robiť s vedľajšími produktmi reformovacieho procesu.
V budúcnosti, ak sa zvýši cirkulácia samotného vodíka, napríklad zvýšením počtu vodíkových čerpacích staníc, bude možné používať elektrinu bez emisií oxidu uhličitého. Elektrina samozrejme vyrába zelený vodík, takže využíva elektrinu vyrobenú zo slnečného žiarenia alebo vetra. Energia používaná na elektrolýzu by mala byť energia na potlačenie množstva vyrobenej energie alebo na nabíjanie nabíjateľnej batérie, keď je prebytok energie z prírodnej energie. Inými slovami, vodík je v rovnakej pozícii ako nabíjateľná batéria. Ak sa tak stane, bude nakoniec možné znížiť výrobu tepelnej energie. Deň, keď spaľovací motor zmizne z automobilov, sa rýchlo blíži.
Vodík sa dá získať aj iným spôsobom. V skutočnosti je vodík stále vedľajším produktom pri výrobe hydroxidu sodného. Okrem iného je vedľajším produktom pri výrobe koksu pri výrobe železa. Ak tento vodík použijete na distribúciu, budete môcť získať viacero zdrojov. Vodíkový plyn vyrobený týmto spôsobom je tiež dodávaný vodíkovými stanicami.
Pozrime sa ďalej do budúcnosti. Množstvo stratenej energie je tiež problémom spôsobu prenosu, ktorý využíva drôty na dodávku energie. Preto budeme v budúcnosti používať vodík dodávaný potrubím, rovnako ako nádrže s kyselinou uhličitou používané na výrobu sýtených nápojov, a kúpime si domov vodíkovú nádrž na výrobu elektriny pre každú domácnosť. Mobilné zariadenia, ktoré fungujú na vodíkové batérie, sa stávajú bežnými. Bude zaujímavé sledovať takúto budúcnosť.
Čas uverejnenia: 8. júna 2023
