Největší elektrolytická výrobna vodíku na světě

„Voda je uhlí budoucnosti. Energií zítřka je voda, rozložená elektrickým proudem na vodík a kyslík. Tyto prvky zajistí na nedozírnou dobu energetické zásobování Země,“ napsal v roce 1870 Jules Verne. Vynálezci na celém světě vytrvale pracují na zařízeních, která mají z této – dnes již mnohdy drahocenné – tekutiny vyprodukovat energii.

Je voda palivem?

„Surovina“ je tedy známa – je a bude to voda. Existuje docela slušné množství nejrozmanitějších způsobů jejího rozkladu. Ale jak to zařídit, aby se přitom vynaložilo méně energie, než se nakonec z celého procesu získá? To není prozatím zcela zřejmé. Současná věda se zpěčuje považovat vodu za palivo, protože ta je sama výsledkem procesu hoření. Podle všeobecně uznávané teorie se dokonce musí vynaložit více energie na elektrolytický rozklad vody, než se jí získá při následném spálení vodíku. Protože žádný systém nefunguje bezztrátově, potřebujeme někde získat takovou energii, aby byl celý proces ekonomický a bez emisí škodlivých látek. Účinnost klasické elektrolýzy (bereme-li v úvahu účinnost výroby elektřiny potřebné pro elektrolýzu) se pohybuje od 25 do 35 %.

Fyzikální zákony neobejdeme

Přes tyto problematické skutečnosti uvedla – podle informací firmy Siemens AG – elektrotechnická společnost Siemens AG v uplynulém roce do provozu největší elektrolytickou výrobnu vodíku na světě Energiepark Mainz. Zařízení, které se nachází ve správním městě spolkové země Porýní-Falc Mainzu (v Mohuči) je unikátní nejen svojí obrovskou výrobní kapacitou, ale také schopností efektivně zužitkovávat nadbytečnou energii z obnovitelných zdrojů. Protože nelze elektřinu skladovat, musí jí být v síti právě tolik, kolik spotřebitelé v danou chvíli potřebují. Vše se řídí nejen obchodními zájmy, ale hlavně fyzikálními Kirchhoffovými zákony pro elektrické sítě a Faradayovými zákony pro elektrolýzu. Celý projekt trval tři roky a na jeho realizaci se vynaložilo na 17 mil. EUR. Pod elektrotechnické řešení se podepsala společnost Siemens, za čištění, kondenzaci a uskladnění vodíku zodpovídá firma Linde a vědeckou záštitu poskytla RheinMainská univerzita ve Wiesbadenu.

Membrána typu PEM

Srdcem zařízení je vysokotlaký elektrolyzér se speciální membránou propustnou výhradně pro ionty vodíku H⁺, tedy samotné protony p. (Jsou to bezkonkurenčně nejmenší ionty, protože jako jediné ionty nemají elektronový obal.) Tato tzv. protonově výměnná membrána (PEM) vytváří přepážku mezi dvěma elektrodami („zápornou“ katodou a „kladnou“ anodou), na nichž dochází k elektrochemickému rozkladu vody. Přítomnost vodíku ve vodě prokázal již v roce 1783 francouzský vědec Antoine de Lavoisier. Po rozpadu molekul vody u kladné elektrody se kladně nabitý vodíkový iont odvádí přes membránu k záporné elektrodě, kde dodáním elektronu a spojením dvou vzniklých atomů vznikají molekuly vodíku H₂. Ten pak jako plyn dále putuje do zásobníků, přičemž tlak plynu vystupujícího z elektrolyzéru dosahuje až 35 atmosfér a pro následné zpracování již tedy nepotřebuje další stlačování. Mezi hlavní výhody membrány typu PEM však patří zejména její schopnost vést relativně velké množství elektrického proudu na jednotku plochy.

Energetický komplex v Mainzu využívá k výrobě vodíku přebytečnou elektřinu z okolních větrných elektráren. Jeho provoz dokáže během několika sekund od zaznamenání zvýšené produkce elektřiny jímat výkon až 6 MW, což z ní činí největší zařízení svého druhu na světě. Předpokládaná produkce vodíku je 200 t/rok. Využívá se jej přímo v průmyslu, dopravuje se do vodíkových čerpacích stanic nebo se přidává do stávající infrastruktury zemního plynu.

Elektrolýza doplňkovou alternativou

Vodík patří k nejdůležitějším technickým plynům a představuje surovinu s obrovským potenciálem pro celou řadu aplikací. Ostatně na celém světě se ho každoročně vyprodukuje přibližně 55 mil. tun. Podle České nukleární společnosti z toho na výrobu ze zemního plynu připadá 48 %, z ropy 30 %, z uhlí 18 %, zbývající 4 % připadají na elektrolytickou výrobu (často se také udává 5 %). Elektrolýza, jejíž vstupní surovinou je pouze voda, tak představuje pouze doplňkovou a zajímavou alternativu.

Uskladnění přebytečné elektřiny a další technologie využití

Spotřeba vody je překvapivě malá – zhruba tak velká, kolik za rok spotřebuje pět domácností, tj. asi 700 m³. (Podle oficiálních stránek akciové společnosti Severočeské vodovody a kanalizace činí průměrná roční spotřeba pitné vody na jednoho obyvatele 47 metrů krychlových, což v tříčlenné domácnosti představuje 141 metrů krychlových, a v pěti domácnostech pak 705 metrů krychlových.) Vodík může být zpětně využit k výrobě elektřiny. Elektrolýza vody tak slouží v podstatě jako další z možných způsobů pro uskladnění nadbytečné elektřiny pro případ jejího dočasného nedostatku. Dá se ovšem použít v chemii: reakcí vodíku s oxidem uhličitým (CO₂) lze vyrábět metan, hlavní složku zemního plynu, který můžeme zužitkovat k vytápění, jako palivo do automobilů apod. Reakcí s oxidem uhličitým lze jinou technologií vyrábět oxid uhelnatý (CO), hojně používaný zejména v organické chemii pro výrobu složitějších látek (např. metanolu, fosgenu atd.) s vodou jako vedlejším produktem. Používá se při syntéze amoniaku (Haberovou-Boschovou syntézou), chlorovodíku, kapalných paliv, k redukcím a hydrogenacím, ke svařování a řezání kovů, jako raketové palivo a v mnoha dalších aplikacích. Elektrolytický vodík je mimořádně čistý, a proto se spotřebovává také v potravinářském průmyslu nebo při výrobě léčiv.

Porézní kapaliny pro skladování vodíku a dalších plynů

Mezi moderními technologiemi a novými druhy materiálů, kterým se v roce 2015 dostalo většího mediálního zájmu, patří také porézní kapaliny. Obsahují mezery, do nichž lze vměstnat obrovské množství plynu. To je významné právě pro skladování vodíku či pohlcování oxidu uhličitého. Porézní kapalina vznikne tak, že se v běžné kapalině rozpustí tzv. „klecové molekuly“. Molekuly rozpouštědla jsou mnohem menší, nicméně ne do té míry, aby se dokázaly dostat dovnitř „klece“. Tento zbývající prostor lze pak využít pro plyn.

Vodík z rozkladu metanu

Výzkumní pracovníci z Karlsruhe Institute of Technology údajně dokončili práce na vývoji reaktoru, který umí rozkládat metan kontinuálním procesem. Rozklad probíhá při teplotách nad 750 ^oC. Probíhá tak, že se do metanu vstřikují kapičky roztaveného cínu. V asi jeden metr vysokém zařízení, vyrobeném z křemene a nerezové oceli proudí metan vzhůru a přitom se rozkládá. Vzniklý práškový uhlík se zachycuje v horní části, zatímco vodík se odvádí ven. Vzniká velice čistý a kvalitní uhlíkový prášek, který najde uplatnění v ocelářství, pro výrobu uhlíkových vláken nebo jiných speciálních materiálů. Vzniklý vodík se využije nejen jako zdroj energie, ale také pro syntézu čpavku a následně pro výrobu průmyslových dusíkatých hnojiv. (Na projektu se podílí také italský fyzik, nositel Nobelovy ceny za fyziku (1984), bývalý hlavní ředitel CERNu, profesor fyziky na Harvard University (v současné době působící na University of Pavia) Carlo Rubbia. Využívá zkušeností získaných při vynálezu ojedinělého typu jaderného reaktoru zvaného Rubiatron nebo též „zesilovač energie“. Jako palivo se zde používá thorium, které se v přírodě vyskytuje v porovnání s klasickým uranem třikrát častěji.)

Přínos českých odborníků

Možnostmi provozovat v průmyslovém měřítku další nadějné postupy výroby vodíku, které nebyly dříve schůdné především z ekonomických důvodů, se u nás zabývá oddělení vodíkových technologií ÚJV v Řeži u Prahy. Jde o vysokoteplotní elektrolýzu vody. Ta probíhá na stejném principu jako klasická elektrolýza, ale při teplotách okolo 800 ^oC a s mnohem vyšší účinností (45 až 50 %). (Psali jsme o ní v článku http://www.3pol.cz/cz/rubriky/fyzika-a-klasicka-energetika/1696-vysokoteplotni-elektrolyza-vody-v-ujv-rez.) Dalším způsobem je tzv. termochemické štěpení vody – sled několika chemických reakcí, při nichž se produkty a reagující látky vzájemně recyklují. Vstup představuje voda a teplo, výstupem je vodík a kyslík.

Zdroje

Tisková zpráva firmy Siemens AG z konce roku 2015.

Chemagazín, 2015, č. 6; Plasty a kaučuk 2016/1-2; www.scienceword.cz; www.3pol.cz .

Rétyi, A.: Energie bez konce/Vynálezy, koncepty, řešení, Liberec 2014.