Pochopení barev vodíku nad rámec zelené

S potenciálem revolučně změnit odvětví, jako je doprava a výroba energie, představuje vodík rozvíjející se a dosud z velké části nevyužitý zdroj energie. Ačkoli spalování vodíku neprodukuje emise skleníkových plynů (GHG), jeho environmentální stopa během celého životního cyklu je výsledkem všech procesů vedoucích k jeho výrobě a spotřebě, přičemž se výrazně liší podle použitých zdrojů energie.

Tyto rozdíly vedly ke vzniku barevně kódovaného klasifikačního systému, který umožňuje rozlišit různé druhy vodíku a jejich dopad na udržitelnost. Zelený vodík představuje globální standard s nulovou uhlíkovou stopou, avšak jeho škálovatelnost čelí významným výzvám v oblasti infrastruktury a účinnosti. Elektrolýza vody poháněná jadernou energií vytváří růžový vodík, který si udržuje uhlíkově neutrální životní cyklus, ale jeho závislost na jaderné energii přináší další obavy. Metody výroby modrého a tyrkysového vodíku balancují mezi ekonomickou životaschopností a udržitelností. Černý, hnědý a šedý vodík naopak kladou důraz na cenovou dostupnost, což z nich činí nákladově efektivní alternativu k ekologičtějším možnostem.

Černý a hnědý vodík jsou převážně získávány z uhlí a oba se vyrábějí pomocí zplyňování uhlí, což je vícestupňový proces, při kterém se uhlí reaguje s kyslíkem a párou při vysokých teplotách, čímž vzniká syngas. Tento plyn je směsí plynů, přičemž jedním z nich je vodík.

Černý vodík se vytváří spalováním černého uhlí, které je husté a považováno za vysoce kvalitní. Hnědý vodík se naopak vyrábí z hnědého uhlí, což je mladší a méně kompaktní varianta s vyšším obsahem vlhkosti a nižší energetickou hustotou.

Z hlediska dopadu na životní prostředí jsou výroba černého a hnědého vodíku poměrně podobné a obě metody jsou relativně účinné. Jejich závislost na fosilních palivech bez zachycování uhlíku však může částečně vyvážit některé výhody udržitelnosti spojené s vodíkovou energií.

Zplyňování uhlí začíná drcením a úpravou uhlí za účelem odstranění nečistot, a poté následují další kroky.

1. Sušení a pyrolýza (devolatilizace)

Tato počáteční fáze vyžaduje zahřátí uhlí k odstranění vlhkosti a těkavých látek, a k rozložení uhlí na jiné prvky a materiály. Sušení probíhá při teplotě kolem 200 °C, následované pyrolýzou při teplotách mezi 300 °C a 700 °C. Během pyrolýzy se větší molekuly uhlí rozkládají na menší plynové produkty – především metan (CH₄), vodík (H₂), oxid uhelnatý (CO), oxid uhličitý (CO₂) – a dehet.

2. Spalování

Část uhlí (C) je koks, pevný zbytek z pyrolýzy, který reaguje s těkavými plyny a kyslíkem (O2) v řízené spalovací reakci. Tato exotermní reakce poskytuje teplo potřebné pro následné zplyňovací reakce. Probíhá jak úplné, tak neúplné spalování, přičemž vznikají plyny oxidu uhličitého a oxidu uhelnatého.

C + O₂ → CO₂ (Úplné spalování)
2C + O₂ → CO (Neúplné spalování)

3. Zplyňovací reakce

Zplyňování reaguje s zbývajícím koksem pomocí páry (H2O) a kyslíku při vysokých teplotách 1 200–1 500 °C (2 192–2 732 °F) v redukčním prostředí, čímž vznikají vodík a další plyny. Hlavní zplyňovací reakce jsou:

Reakce vodní plyn: C + H₂O ⇌ CO + H₂ (Endotermní)
Boudouardova reakce: C + CO₂ ⇌ 2CO (Endotermní)

Tyto reakce produkují syngas, směs složenou především z oxidu uhelnatého a vodíku, spolu s oxidem uhličitým a dalšími stopovými plyny.

4. Metanace

V některých případech se používá další krok nazývaný metanace, který zvyšuje obsah metanu v syngasu. Někdy se tomuto procesu říká E-Methane, pokud je použit zelený vodík a recyklovaný CO2 nebo CO2 z přímého zachytávání vzduchu (DAC). To vyžaduje reakci oxidu uhelnatého s vodíkem za přítomnosti katalyzátoru:

CO + 3H₂ ⇌ CH₄ + H₂O (Exotermní)

5. Čištění a vylepšení syngasu

Syngas v surovém stavu obsahuje nečistoty, které je nutné odstranit před dalším použitím. Tento čisticí proces obvykle zahrnuje:

• Odstranění prachu, při kterém se používají fyzikální separační techniky k odstranění částic.
• Odstranění síry, při kterém se sloučeniny jako sirovodík (H2S) odstraňují pomocí aminního čištění nebo podobných procesů.
• Odstranění oxidu uhličitého, při kterém je CO2 zachyceno a uloženo nebo využito v jiných průmyslových procesech.

6. Oddělení a úprava vodíku

Posledním krokem je oddělení vodíku od vyčištěné směsi syngasu. Toho lze dosáhnout různými metodami, přičemž dvě nejběžnější jsou:

• Absorpce za změny tlaku, která využívá adsorpční materiály k selektivnímu zachycení oxidu uhelnatého, čímž zanechává vyčištěný vodík.
• Oddělení membránami, které používá specializované membrány, jež umožňují průchod vodíku, zatímco ostatní plyny zůstávají zachovány.

Šedý vodík je v současnosti nejběžnější typ, se kterým se setkáváme v průmyslu, a vyrábí se buď pomocí parního reformingu metanu (SMR), nebo autotermického reformingu (ATR). Obě tyto metody vyžadují uhlovodíkovou surovinu, která se skládá převážně z metanu, přičemž nejčastěji používaným zdrojem je zemní plyn.

Získávání zemního plynu a extrakce vodíku

Zemní plyn je bez zápachu a bezbarvý plyn, který se převážně nachází pod povrchem Země v blízkosti ropných ložisek. Vznikl před miliony let rozkladem organických látek při vysokých teplotách a tlaku. Tento všestranný energetický zdroj je základním kamenem moderní společnosti, používá se k vytápění domácností, pohonu průmyslových zařízení a výrobě elektřiny. Kromě toho je surovinou pro několik sloučenin, které se následně zpracovávají na produkty, jako jsou syntetické tkaniny, nemrznoucí směsi, barvy, obalové materiály, šampony, pleťové krémy a hnojiva.

Tento plyn se nachází v porézních a propustných vrstvách hornin, nazývaných rezervoáry, které jsou často uzavřeny vrstvami nepropustných hornin, jež brání jeho úniku. Tyto rezervoáry mohou být umístěny pod pevninskou suchou půdou nebo na dně moře. Průzkum zemního plynu vyžaduje sofistikované geologické průzkumy, seizmické snímání a průzkumné vrty k lokalizaci skrytých zásob. Jakmile je potenciální rezervoár identifikován, začíná proces těžby, který často zahrnuje kombinaci technologií přizpůsobených specifickým geologickým podmínkám.

Nejběžnější metodou těžby je vrtání studny do rezervoáru, což vytváří cestu pro únik plynu na povrch. Tento tok je často poháněn přirozeným tlakem rezervoáru. Jakmile je plyn těžen, tlak obvykle klesá, což vede k použití umělých technik zvedání, jako jsou čerpadla nebo kompresory, aby se udržela produkce.

Po dosažení povrchu prochází těžený zemní plyn – často doprovázený nečistotami, jako je vodní pára, písek a další plyny – sérií zpracovatelských kroků. Tyto kroky jsou klíčové pro odstranění nečistot, oddělení cenných složek a přípravu samotného plynu k použití. Zpracovaný zemní plyn je následně přepravován potrubím nebo ve stlačené (CNG) či zkapalněné (LNG) formě specializovanými tankery k spotřebitelům po celém světě.

Prevalence šedého vodíku spočívá především v globální hojnosti zemního plynu. Navíc jsou SMR a ATR méně náročné na emise uhlíku než zplyňování uhlí, což vede k jejich preferenci před černým a hnědým vodíkem. Modrý vodík posouvá SMR a ATR o krok dál tím, že zahrnuje zachycování, transport a ukládání uhlíku, což však vyžaduje značné provozní náklady.

Ačkoli je přechod na plně obnovitelné energetické systémy konečným cílem v hodnotovém řetězci vodíku, míchání vodíku se zemním plynem v existujících elektrárnách představuje přechodné řešení. Úspěch vyžaduje vysoce přesná měření průtoku a přístroje pro analýzu plynu v reálném čase, které zajišťují konzistentní směs plynu. Vodík může být také míchán do domácího a komerčního zásobování zemním plynem v koncentracích až 20 %, v závislosti na předpisech jednotlivých zemí.

Tím se snižují emise, protože vodík hoří čistěji než zemní plyn. Zatímco domácí spotřebiče mohou spálit pouze směs vodíku se zemním plynem do 20 %, plynové turbíny používané v elektrárnách mohou spálit mnohem vyšší směs, až 100 % vodíku u novějších modelů.

Přístupy k míchání umožňují postupný přechod na čistší energetické zdroje, aniž by bylo nutné okamžitě a kompletně nahradit stávající infrastrukturu, což usnadňuje potřebu výrazných kapitálových investic do nových elektráren a potrubí.

Úspěch této strategie do značné míry závisí na zdroji vodíku. Zatímco míchání šedého, hnědého nebo černého vodíku má omezený environmentální dopad kvůli emisím z výroby, použití zeleného vodíku vyráběného z obnovitelných zdrojů výrazně snižuje celkové emise skleníkových plynů a podporuje cíle nulových emisí.

Jak se rozvíjí revoluce v oblasti vodíkové energetiky, je nezbytné porozumět různým typům vodíku, včetně metod výroby a jejich environmentálních dopadů. Zatímco zelený vodík je cílem s nulovými emisemi, nízkouhlíkový vodík, spolu s černým, hnědým a šedým, jsou klíčové pro pokrok v infrastruktuře, výzkumu a diverzifikaci energetických zdrojů.

Jak bude lidstvo v nadcházejících desetiletích čelit změně klimatu, bude zajištění kontinuity a udržitelnosti energie vyžadovat různé energetické zdroje. I když existuje několik překážek, které je třeba překonat, vodík má potenciál být čistým, všestranným a udržitelným nosičem energie.