04192019

Vodíkové hospodářství

Vodíkové hospodářství

Přestože se s informacemi okolo vodíkového hospodářství setkáváme v médiích čím dál častěji, podávané informace jsou často velmi kusé a jejich autoři s oblibou akcentují pouze ty aspekty, které zrovna naplňují poslání článku případně nadšení či znechucení autora. Při přemýšlení o obsahu a poslání těchto stránek jsme se shodli, že se pokusíme tuto situaci napravit. Připravujeme proto seriál článků, který by měl poskytnout pozornému čtenáři v maximální míře objektivní a úplné informace a orientaci ve vodíkovém hospodářství se všemi klady a zápory. Pro ty ještě pozornější nabízíme prostor pro diskusi v komentářích k článku.

Začínáme

Celkem tradičně začneme popisem vodíkového hospodářství, nahlédneme do historie a přiblížíme si některé vlastnosti vodíku, který je společným jmenovatelem všech vodíkových aplikací.

Vodíkové hospodářství by se dalo definovat jako soubor technologických řešení pro uspokojování energetických potřeb, jejichž společným jmenovatelem je vodík. Hned v úvodu je třeba zdůraznit, že vodík není klasické palivo, ale energetický vektor neboli nosič energie. V praxi to znamená, že jej nelze levně a energeticky efektivně těžit (už proto, že se vodík v elementární formě na zemi prakticky nevyskytuje) a využívat k produkci primární energie, ale naopak jej musíme pracně a s nemalými ztrátami energie vyrábět. Vodíkové technologie jsou tedy pouze maximálně tak ekologicky čisté jak čisté jsou primární zdroje energie a suroviny, které jsou při výrobě vodíku využity. Z těchto aspektů plyne možné využití vodíkových technologií.

Nejperspektivnější oblastí jejich využití je pravděpodobně doprava. Nalezení alternativního konceptu ke spalování fosilních paliv je v současné době motivováno více paralelními požadavky. Tím prvním je potřeba snížit dopady spalování uhlovodíkových paliv, především tedy snížit produkci látek poškozující zdraví člověka i životního prostředí a současně snížit produkci skleníkových plynů. Dalším aktuální potřebou je snížit závislost na dodávkách ropy z převážně politicky nestabilních oblastí, jejíž zásoby jsou dle mnoha zdrojů dostačující na maximálně 50 let při současné úrovni těžby.

K dalším aplikacím patří především záložní zdroje elektrické energie, kogenerační jednotky a zdroje elektrické energie pro mobilní zařízení (notebook, mobilní telefon).

Vodíkové hospodářství tedy neřeší otázku produkce primární energie a je dominantně alternativou k energetickému využívaní fosilních paliv pro menší aplikace.

Historie a současnost

První palivový článek (Fuel Cell - FC) sestrojil roku 1839 anglický vikář a fyzik Sir William Grove. V té době byl FC pokládán spíše za laboratorní kuriozitu (reverzní děj k elektrolýze). V polovině 20. století (1959) oživil zájem o tuto technologii anglický vědec Francis Thomas Bacon. Se svými spolupracovníky sestrojil 5kW alkalický článek (1932), který byl schopen pohánět svářecí stroj.

Francis Thomas Bacon


Jeho úspěch nezůstal bez odezvy - Pratt&Whitney (USA) zakoupil od Bacona licenci na jeho patent a vyrobil palivové články pro mise Apollo, kde sloužily jako zdroj elektrické energie a pitné vody pro astronauty.
Ve stejném roce postavil Harry Ihrig z Allis-Chalmers Manufacturing Company první vozidlo s palivovým článkem, traktor s dvaceti koňskými silami.

první vozidlo s palivovým článkem, traktor s dvaceti koňskými silami.

Od dob mise Apollo a Gemini nastal rychlý nástup FC v oblasti generace elektrické energie a pohonů vozidel.

Nasa

V současné době jsou v provozu desítky jednotek stacionárních FC , které slouží jako záložní zdroj elektrické energie pro banky, letiště, hotely apod. Každá větší automobilka má jeden nebo několik prototypů vozidel s palivovými články, které se chystají uvést na trh v blízké budoucnosti. Existují funkční prototypy FC pro mobilní zařízení jako jsou notebooky, kamery apod. Současnost v oblasti palivových článků by se dala charakterizovat jako období intenzivního vývoje a výzkumu, demonstračních projektů a příprav pro uvedení na trh.

Vodík

Vodík (Hydrogenium - H) je nejhojnějším prvkem ve vesmíru a třetím nejhojnějším prvkem na Zemi. Volný vodík se nachází například v obalu hvězd, v pozemských zdrojích je zastoupen téměř výhradně ve formě sloučenin (voda, uhlovodíky, atd.).
Vodík je nejjednodušší chemický prvek. Většina vodíkových jader je tvořena pouze z jednoho protonu - procium, existují však další izotopy vodíku - deuterium, v jehož jádru je navíc jeden neutron a tritium, v jehož jádru jsou neutrony dva. Tritium je nestabilní s poločasem rozpadu 12,4 roku. Vodík jako prvek je velmi reaktivní a proto se jeho atomy navzájem spojují a vytvářejí molekuly o dvou atomech. Oproti atomovému vodíku je molekulový vodík poměrně stabilní a díky vysoké energii vazeb také málo reaktivní.

Vodík jako palivo pro vozidla

V úvodu článku jsme naznačili, že vodík není v pravém slova smyslu palivo. Přesto se ho nyní pokusme takto chápat a srovnat ho s ostatními konvenčními palivy.

Abychom mohli hodnotit vodík jako palivo, je třeba připomenout několik základních chemicko-fyzikálních parametrů vodíku a srovnat je s běžně využívanými fosilními palivy. Vodík má nejnižší hustotu a druhý nejnižší bod varu ze všech známých látek, přibližně 20 K = -253 ºC. Některé další parametry, včetně srovnání vůči benzínu jsou v následující tabulce.

 
Palivo (20 oC)
druh/skupenství
Hustota
[kg/m3]
Měrný Objem
[l/kg]
M.O. vzt.
k benzínu

Výhřevnost
[MJ/kg]

Hustota
Energie [MJ/l]
H.E. vzt.
k benzínu
Vodík 1 bar 0.084 11939 8354.7 119 0.01 0.0003
Vodík 250 bar 17 58.8 41.15 119 2.024 0.065
Vodík 350 bar 22.2 45.2 31.6 119 2.64 0.085
Vodík 700 bar 39 25.9 18.14 119 4.6 0.15
Vodík kapalný (-253 oC) 71.08 14.1 9.85 119 8.46 0.27
Propan kapalný 498 2 1.4 46.3 23.08 0.74
Benzín kapalný 700 1.43 1 44.5 31.15 1

Z tabulky je zřejmé, že má vodík největší výhřevnost ze všech uvažovaných paliv. Pro většinu aplikací je však mnohem důležitějším parametrem hustota energie. Ta vyjadřuje množství energie na daný objem paliva. Je přímo úměrná výhřevnosti a hustotě paliva. Kapalný vodík má přibližně desetinovou měrnou hustotu a přibližně čtvrtinovou hustotu energie ve srovnání s benzínem. Pokud uvažujeme o použití vodíku pro mobilní aplikace je technologicky mnohem jednodušší použít stlačený vodík. Podle použitého tlaku (v současné době přichází v úvahu 250, 350, popř. 700 bar) je hustota energie dokonce dvanáctinásobně (350 bar) až sedminásobně (700 bar) nižší oproti benzínu. Obtížné uskladnění v současné době značně komplikuje využívání vodíku v mobilních aplikacích. Nižší hustotu energie částečně kompenzuje vyšší účinnost systémů na bázi palivového článku.

V příští kapitole si představíme 6 základních typů palivových článků včetně principu jejich funkce.

Akce aktuální

07 5. 2019
14 5. 2019
15 5. 2019
All-Energy Exhibition & Conference 2019

15-16 May 2019, Glasgow, Scotland (UK)

Facebook

členové platformy

ČVUT FS
ÚJV Řež a.s.
VŠCHT Praha
UNITED HYDROGEN, a.s.
Centrum výzkumu Řež s.r.o.
Unipetrol
Pražská plynárenská, a.s.
Leancat s.r.o.
Český plynárenský svaz (ČPS)
GREEN REMEDY, s.r.o.
DEVINN – Development Innovation
Energy financial group (EFG)
ENVISAN-GEM, a.s.
CHEMINVEST s.r.o.
Vysoká škola báňská - Technická univerzita Ostrava, Výzkumné energetické centrum
Ústav termomechaniky AV ČR, v. v. i
ŠKODA ELECTRIC a.s.
Chart Ferox, a.s.
Projekt ČESKÁ VODÍKOVÁ TECHNOLOGICKÁ PLATFORMA 2020 je spolufinancován Evropskou unií

Tento web používá k poskytování služeb a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte.