Výroba trvale udržitelného zeleného vodíku

Mezi různými způsoby výroby vodíku, je ekologický vodík udržitelným standardem. Výroba zeleného vodíku je zcela poháněna obnovitelnými zdroji energie - například solární, větrnou a vodní energií - a je tak od výroby až po spalování uhlíkově neutrálním palivem. Tím se liší od ostatních typů vodíku, včetně šedého vodíku, který se získává z fosilních paliv.

Základem ekologické výroby vodíku je elektrolýza, při níž se pomocí elektřiny štěpí molekuly vody na vodík a kyslík. Omezení kapacity, účinnosti a nákladů však představují výzvu pro rychlé zvýšení výroby.

Elektrolýza je proces elektrochemických reakcí a transportu iontů, který probíhá v elektrolyzéru. Elektrolyzéry jsou vybaveny dvěma elektrodami - anodou a katodou - oddělenými elektrolytem. Tento elektrolyt, kapalný roztok (u alkalických elektrolyzérů) nebo membrána v pevné fázi (u PEM), usnadňuje průchod iontů a zároveň omezuje tok elektronů a musí být pečlivě vybrán na základě faktorů, jako je iontová vodivost, chemická stabilita a kompatibilita s materiály elektrod.

Když se do kapalné vody v elektrolyzéru pustí stejnosměrný proud, vytvoří se mezi anodou a katodou rozdíl elektrických potenciálů. Na anodě, označené kladným potenciálem, probíhá oxidační reakce molekul vody (H₂O), která způsobuje ztrátu elektronů. To má za následek vznik plynného kyslíku (O₂), kladně nabitých vodíkových iontů (protonů, H+) a uvolnění elektronů do vnějšího obvodu, což je v elektrolyzérech s protonovou výměnnou membránou (PEM) znázorněno takto:

2 H₂O(l) → O₂(g) + 4 H+(aq) + 4 e−

Protony H+ migrují elektrolytem směrem k záporně nabité katodě pod vlivem potenciálového gradientu. Katoda podporuje redukční reakci, při níž protony snadno přijímají elektrony z vnějšího obvodu, aby neutralizovaly svůj náboj a vytvořily dvouatomový plynný vodík (H₂):

2 H+(aq) + 2 e− → H₂(g)

Celková elektrolytická reakce, která je součtem anodické oxidace a katodické redukce, je znázorněna jako:

2 H₂O(l) → 2 H₂(g) + O₂(g)

Účinnost tohoto procesu má zásadní vliv na ekonomickou životaschopnost výroby ekologického vodíku. Tuto účinnost ovlivňuje několik faktorů, včetně:

• Provozní teplota, tlak a čistota vody udržované v systému, které musí být přesně měřeny.
• Nsdpotenciál potřebný k řízení reakcí požadovanou rychlostí.
• Ohmické ztráty způsobené odporem při transportu iontů v elektrolytu.
• Omezení přenosu hmoty, která určují dostupnost reaktantů na povrchu elektrod.

Optimalizace těchto proměnných vyžaduje pečlivý výběr materiálu, návrh architektury elektrod a měření a kontrolu všech relevantních parametrů. Mezi různorodými technologiemi elektrolyzérů, které jsou v současné době k dispozici, jsou PEM a alkalické elektrolyzéry technologicky nejvyspělejší a nejčastěji používané.

Elektrolyzéry PEM, které se vyznačují použitím pevné polymerní membrány jako elektrolytu, mají ve srovnání s technologiemi používajícími kapalný elektrolyt několik výhod, včetně vyšší energetické účinnosti, rychlejší odezvy na kolísání příkonu a kompaktní konstrukce. Díky těmto vlastnostem jsou elektrolyzéry PEM vhodné pro integraci s nestálými obnovitelnými zdroji energie, jako je solární a větrná energie, kde se výkon může výrazně měnit. Obvykle je také volí laboratoře a další provozy s důrazem na vysokou čistotu konečného použití.

Alkalické elektrolyzéry s kapalným elektrolytem nejsou tak účinné, ale stojí méně, mají delší provozní cyklus a vyhovují nižší čistotě vody než varianty PEM. Tyto faktory je činí atraktivními ve větších zařízeních na výrobu ekologického vodíku, kde jsou hlavními faktory náklady a rozsah.

Mezi další vyvíjené technologie patří vysokoteplotní elektrolýza nebo elektrolýza na bázi pevných oxidů a aniontová výměnná membrána. Každá z nich má v závodě o technologii výroby vodíku konkurenční dynamiku závislou na aplikaci.

Navzdory tomu, že je ekologický vodík atraktivní jako udržitelné palivo v celém hodnotovém řetězci, představuje jeho výroba několik výzev.

Za prvé, výroba elektrolýzou - zejména pomocí PEM elektrolyzérů - je dražší než výroba šedého a modrého vodíku pomocí parního reformingu metanu nebo autotermického reformingu. Kromě toho je vodík energeticky méně náročný než zemní plyn a jiná fosilní paliva a náklady na pohon procesů vodíkem převyšují náklady na pohon fosilními palivy v přepočtu na jednotku energie.

Účinnost elektrolyzérů v komínech je vysoká - přibližně 70 % - přičemž novější technologie, jako jsou elektrolyzéry na bázi pevných oxidů (SOEC), by měly zajistit ještě vyšší účinnost. Jako u každého systému však celková účinnost zařízení závisí nejen na použité technologii, ale také na bilanci zařízení pro chlazení, sušení, úpravu a stlačování vodíku. Kromě toho chybí dodávky obnovitelné energie potřebné k životaschopnému rozšíření elektrolýzy, což vyžaduje další investice do infrastruktury.

Přeprava a skladování vodíku jsou navíc logisticky složité, protože je zapotřebí specializovaná infrastruktura, jako jsou potrubí a skladovací nádrže určené speciálně pro manipulaci s touto vysoce hořlavou sloučeninou. Současná infrastruktura je primárně určena pro zemní plyn a bohužel ji nelze kvůli jedinečným vlastnostem vodíku bezproblémově přeměnit. Atomy vodíku jsou nejmenší ze všech prvků, takže diatomický plynný vodík vyžaduje sofistikované těsnění potrubí, ventilů a těsnění, aby se zabránilo úniku. Může také oslabit mnoho kovů, protože atomy se usazují ve vnitřní struktuře kontejnmentu, což snižuje práh napětí a urychluje praskání v nevhodných materiálech.

Řešení těchto problémů vyžaduje strategické plánování, finanční podporu ze strany národních států i soukromých subjektů a neustálé technologické inovace. Navzdory ekonomickým překážkám se zavádění elektrolyzérů začíná zrychlovat. Do konce roku 2022 dosáhla celosvětová kapacita elektrolyzérů pro výrobu vodíku téměř 11 GW a do roku 2030 se očekává, že kapacita dosáhne řádově 170-365 GW.

Kromě toho se předpokládá, že úsilí o optimalizaci elektrolyzérů povede v nadcházejících desetiletích ke snížení nákladů díky efektivitě v oblasti rozsahu, učení a účinnosti. To zahrnuje zaměření na vyšší získávání energie z obnovitelných zdrojů spolu s rekuperací vlastních energetických ztrát během provozu. Sousední technologie, jako jsou vodíkové palivové články - které jsou vlastně elektrolyzéry v opačném gardu - se svezou na vlně pokroku a know-how získaného během tohoto přechodu.

Kromě výroby má zásadní význam také specializovaná vodíková infrastruktura. Rostoucí životaschopnost vodíku jako alternativního zdroje energie je podmíněna rozšířením mechanismů potřebných k distribuci a přeměně jeho energie na užitečné formáty.

Očekává se, že celosvětová poptávka po vodíku v příštích 20 až 30 letech poroste, a to díky jeho univerzálnosti jako nosiče energie a potenciálu snižovat emise uhlíku v těžko odstranitelných odvětvích. Zejména odvětví dopravy a výroby energie jsou připravena přijmout do svých portfolií zelenou vodíkovou energii jako čistou alternativu k fosilním palivům.

V odvětví dopravy představují ekologické palivové články na vodík slibné řešení pro uhlíkově neutrální komerční dopravu, například v nákladních vozidlech, autobusech a dokonce i v letadlech. To platí zejména pro dálkovou dopravu, kde se elektrická vozidla poháněná bateriemi potýkají s omezením dojezdu, výroby energie a hmotnosti.

V průmyslu může vodík nahradit fosilní paliva v energeticky náročných procesech, jako je výroba oceli, cementu a čpavku, a snížit tak uhlíkovou stopu. Kromě toho se očekává, že energetický sektor bude stále více využívat zelený vodík ke skladování energie z rozšiřující se infrastruktury obnovitelných zdrojů, čímž se vyřeší problémy s přerušovanou dodávkou solární a větrné energie bez problémů s hustotou energie a degradací baterií.

Vodík se dokonce přimíchává do distribuční soustavy zemního plynu aby se snížily emise uhlíku do atmosféry. Plynové sporáky, topné systémy, sušičky prádla a další spotřebiče mohou spalovat zemní plyn s až 20% příměsí vodíku, což je často omezeno pouze prahovými hodnotami definovanými plynárenskou infrastrukturou. Novější konstrukce plynových turbín a plynových motorů mohou nyní v elektrárnách přimíchávat až 50 % vodíku do zemního plynu jako zdroje paliva a některé menší turbíny až 100 % vodíku bez nutnosti přimíchávání zemního plynu.

Španělská nadnárodní energetická společnost Iberdrola s neohroženým duchem demonstruje svou důvěru ve vodíkovou ekonomiku a po celém světě rozvíjí více než 60 ekologických vodíkových projektů. Tyto projekty pokrývají různá odvětví - včetně výroby hnojiv, syntézy zeleného čpavku a těžké nákladní dopravy - a ukazují všestrannost zeleného vodíku jako řešení čisté energie.

Společnost Iberdrola staví největší evropskou továrnu na ekologický vodík, který bude primárně využíván k výrobě čpavku pro hnojiva, čímž se sníží ekologický dopad tohoto uhlíkově náročného odvětví. Tento přelomový projekt poukazuje na potenciál zeleného vodíku dekarbonizovat i ta nejnáročnější odvětví.

Zásadní roli při urychlování zavádění ekologického vodíku hrají také vládní iniciativy. Iniciativa HyBlend amerického ministerstva energetiky (DOE) podporuje ekologický vodík výzkumem možností bezpečného míchání vodíku se zemním plynem a jeho přepravy stávajícími plynovody. Zaměřuje se na kompatibilitu s potrubím, bezpečnost materiálů a snižování nákladů, díky čemuž je distribuce zeleného vodíku dostupnější a rozšiřitelnější.

Zelený vodík je základním kamenem revoluce čisté energie a s rozvojem technologií bude hrát stále důležitější roli. Využití jeho potenciálu však vyžaduje řešení současných problémů v oblasti výroby, skladování, dopravy a infrastruktury. To vyžaduje další investice do výzkumu a vývoje, strategickou spolupráci mezi veřejnými a soukromými subjekty a podpůrné vládní politiky.

S rozvojem obnovitelných zdrojů energie a vodíkové infrastruktury, zvyšováním účinnosti elektrolýzy a vývojem politiky by se měly snížit náklady na výrobu ekologického vodíku, čímž by se odstranila další hlavní překážka bránící jeho širokému rozšíření. Bude zapotřebí více společností uvažujících o budoucnosti a iniciativ vyššího řádu, které budou dláždit cestu vodíkovému hospodářství ambiciózními projekty a inovativními řešeními a snižovat globální emise uhlíku pro udržitelnější budoucnost.