Jak se vyrábí vodík?

Jak průmysl přidává udržitelné zdroje energie do globálního boje proti změně klimatu, vodík se objevuje jako čistá a všestranná alternativa k fosilním palivům. Uvědomění si potenciálu tohoto paliva však závisí na vývoji a nasazení účinných, nákladově efektivních a ekologicky odpovědných výrobních metod.

Nekonkurenční cena vodíku za jednotku vyrobené energie ve srovnání s konvenčními fosilními palivy zůstává jednou z jeho nejvýznamnějších nevýhod, která brání jeho širokému přijetí. V důsledku toho jsou daňové úlevy a další vládní pobídky zodpovědné za vývoj vodíkové ekonomiky do značné míry, protože pomáhají kompenzovat náklady spojené s výrobou a využitím.

Pro vodík je k dispozici široká škála výrobních metod, z nichž každá se liší technickou, finanční a environmentální životaschopností. Tato stránka poskytuje přehled běžných výrobních metod spolu s několika experimentálními metodami, které se stále vyvíjejí.

Vodík poskytuje jako nosič energie řadu technických výhod, včetně:

• Vysoký obsah energie na jednotku hmotnosti ve srovnání s konvenčními palivy.
• Potenciál nulových emisí uhlíku v místě použití při spotřebě v palivovém článku.
• Nedostatek degradace energie při dlouhodobém skladování, významná výhoda ve srovnání s bateriemi.
• Všestrannost v různých aplikacích, včetně dopravy a skladování energie.

Přetrvávají však výzvy pro široké přijetí v průmyslu, primárně zaměřené na dostupnou infrastrukturu a náklady.

Ve srovnání s bezolovnatým benzínem je vodík energeticky hustý podle hmotnosti, ale ne podle objemu. Hmotnostně vykazuje hustotu energie přibližně třikrát vyšší než benzin, takže je atraktivní pro aplikace, kde je hmotnost kritická, jako je přeprava na dlouhé vzdálenosti.

Jeho nízká objemová hustota však vyžaduje další úvahy o skladování, které často sestává z natlakování plynného vodíku nebo zkapalnění pomocí kryogenních technik. Ačkoli tyto metody zvyšují hustotu, zavádějí provozní složitosti a vyžadují spotřebu energie na změnu a udržení vodíku v jeho řízeném stavu, což vyžaduje specializovanou infrastrukturu. Navíc jeho hořlavost – a náchylnost k únikům kvůli jeho malé velikosti molekul – vyžaduje přísné bezpečnostní protokoly v celém hodnotovém řetězci.

Šedý vodík, nejběžnější typ, se kterým se v současnosti v průmyslu setkáváme, se opírá o jeden ze dvou termochemických procesů: parní metanové reformování (SMR) a autotermální reformování (ATR).

Jak SMR, tak ATR začínají uhlovodíkovou surovinou, typicky zemním plynem, který sestává především z metanu (CH4). V SMR se tento metan předehřívá a kombinuje s vysokoteplotní párou (H2O) v přítomnosti katalyzátoru v reformovací jednotce. ATR zavádí jak páru, tak řízený objem plynného kyslíku (O2) do reformovací jednotky, což způsobuje spalování. Na rozdíl od SMR, ATR nevyžaduje vnější teplo pro proces reformování metanu.

Za extrémních teplotních podmínek v obou procesech katalyzátor usnadňuje disociaci molekul metanu a vody v reformovací jednotce a narušuje jejich chemické vazby. Výsledkem tohoto procesu tepelného krakování je proud plynného produktu obsahující požadovaný vodík spolu s oxidem uhelnatým a stopovými množstvími oxidu uhličitého. Uhlíkové plyny jsou typicky zadržovány adsorpčními lůžky těsně za reformátorem, zatímco vodík proudí komorou, kde může být skladován a použit později.

V aplikacích, kde se oxid uhličitý uvolňuje do atmosféry, se produkovaný vodík nazývá „šedý vodík“. Pokud se CO2 místo toho sekvestruje, vodík se stane „modrým“.

ATR je energeticky účinnější než SMR, protože nevyžaduje externí zdroj tepla. Kromě toho řízené dávkování kyslíku v reformovací jednotce podstatně snižuje produkci oxidu uhelnatého a vytváří čistší proud oxidu uhličitého než SMR. Díky tomu je ideální pro výrobu modrého vodíku. ATR je však složitější na monitorování a řízení, zejména s ohledem na spalování, což je proces s významnými bezpečnostními problémy.

Životaschopnost modrého vodíku z hlediska životního prostředí závisí na účinnosti a škálovatelnosti technologií CCS, které zůstávají oblastmi pokračujícího výzkumu a vývoje.

Tyrkysový vodík se vyrábí pomocí metanové pyrolýzy, kdy se zemní plyn zahřívá přímo na extrémní teploty – vyšší než 900 °C (1652 °F) – při kterých se rozkládá na plynný vodík a pevný uhlík. Vedlejší uhlíkový produkt v pevné formě se zachytí snadněji než v plynné fázi.

Když je teplo potřebné pro pyrolýzu generováno z obnovitelných zdrojů, jako je solární nebo geotermální, tyrkysový vodík se stává čistším. Ačkoli se tato výrobní metoda jeví jako slibná, je stále v počátečních fázích, což vyžaduje rozsáhlé demonstrace, aby se prokázala její životaschopnost a zajistilo se, že zachycený uhlík může být trvale uložen.

Zelený vodík je považován za zlatý standard udržitelného vodíku, který se vyrábí z obnovitelné energie – jako je solární, větrná nebo vodní – energie prostřednictvím elektrolýzy vody.

Elektrolýza je proces, který pomocí elektrické energie štěpí molekuly vody (H2O) na vodík (H2) a kyslík (O2). Elektrolyzér se skládá ze dvou elektrod - anody a katody - a elektrolytu, což je vodivý roztok, který usnadňuje tok iontů mezi elektrodami.

Když systémem protéká stejnosměrná elektřina, dochází k redukci na katodě, která přijímá elektrony. To přitahuje záporně nabité anionty z elektrolytu, aby vyplnily prázdnotu po elektronech přitahovaných katodou. Na anodě dochází k oxidaci, uvolňují elektrony a způsobují, že kladně nabité kationty z elektrolytu migrují směrem k anodě.

Na katodě kladně nabité atomy vodíku (H+) získávají elektrony a tvoří plynný vodík, zatímco na anodě molekuly vody ztrácejí elektrony, uvolňují plynný kyslík a doplňují vodíkové ionty pohybující se směrem ke katodě.

Čistým výsledkem je rozdělení vody na molekuly vodíku a kyslíku. Tento zelený vodík se skladuje, zatímco kyslík může být bez újmy uvolněn do atmosféry.

Když je k dispozici přebytek obnovitelné energie, poskytuje zelený vodík udržitelný způsob jeho sklizně a zásobování sítě později v případě potřeby. Na rozdíl od energie uložené v bateriích se akumulovaná vodíková energie v průběhu času nezhoršuje, takže je užitečná zejména pro sezónní nebo dlouhodobé skladování energie.

Zákony termodynamiky však nařizují, že energie potřebná k napájení elektrolýzy pro výrobu vodíku je větší než energie dostupná z produktu. Současné odhady National Renewable Energy Laboratory naznačují, že elektrolýza je přibližně 70-80% účinná, což znamená, že část obnovitelné energie vložené k provedení procesu je k dispozici jako potenciální energie ve výsledném vodíku.

Infrastruktura elektrolyzéru je navíc v plenkách a vyžaduje další vývoj a vylepšení účinnosti, než se její použití může rozšířit.

Existuje několik méně běžně používaných způsobů výroby vodíku, včetně jaderně podporovaného, ​​fotokatalytického štěpení vody a biologických a biochemických metod.

Jaderně podporovaná výroba vodíku
Elektrolýza na jaderný pohon je potenciální cestou k rozsáhlé a bezuhlíkové výrobě vodíku – označované jako „růžový vodík“ – i když se tato metoda stále objevuje. Vzhledem k tomu, že jaderné elektrárny pracují nepřetržitě, poskytují stabilní zdroj energie pro výrobu vodíku a řeší problémy s přerušováním spojené s obnovitelnými zdroji energie. Překážkami přijetí jsou však obavy veřejnosti týkající se jaderné bezpečnosti, likvidace odpadu a potenciálu šíření.

Fotokatalytické štěpení vody
Fotokatalytické štěpení vody využívá přímo sluneční energii a využívá polovodičové materiály, které absorbují sluneční světlo, aby štěpily molekuly vody na vodík a kyslík bez elektřiny. Když fotony narazí na polovodič fotokatalyzátoru, excituje elektrony, které poskytují energii k řízení chemické reakce, napodobující fotosyntézu v rostlinách.

Tato metoda není zdaleka připravena na masové zavedení a je zapotřebí dalšího výzkumu, aby se vyvinuly nákladově efektivní fotokatalytické materiály. První pokusy však naznačují, že jeho účinnost je mnohem vyšší než u elektrolýzy na elektrický pohon.

Biologická a biochemická výroba vodíku
Další možností produkce pro budoucí využitelný vodík je biofotolýza, která využívá fotosyntetické schopnosti řas a sinic v přírodě k produkci vodíku z vodních ploch.Kromě toho mohou být enzymatické reakce schopny katalyzovat produkci vodíku z biomasy nebo vody.

Tyto metody jsou dnes zcela experimentální, ale zkoumání limitů a možností výroby vodíku je důležité pro růst vodíkové ekonomiky jako efektivního a životaschopného základního kamene pro snižování průmyslových skleníkových plynů.

Efektivní výroba a používání vodíku vyžaduje zvážení finančních, technických a environmentálních faktorů, které vedou k rozhodování. Zdokonalení a zvýšení různých metod výroby vodíku zlepší životaschopnost vodíku v mnoha různých aplikacích.

Ačkoli v současnosti nejvíce převládá výroba šedého vodíku pomocí SMR nebo ATR, vládní daňové pobídky zvyšují produkci modrého vodíku, který využívá technologie zachycování uhlíku ke zmírnění dopadů na životní prostředí. Zelený vodík, vyráběný elektrolýzou poháněnou obnovitelnými zdroji energie, představuje udržitelnější řešení, ale jeho škálovatelnost a nákladová efektivita vyžadují další technologický pokrok.

Rozvíjející se metody, jako je pyrolýza metanu a fotokatalytické štěpení vody, nabízejí slibné alternativy, ale stále jsou ve fázi zrodu a vyžadují další výzkum a vývoj. Mnohostranný přístup, který zahrnuje rozmanité portfolio výrobních metod, spojený s podpůrnými politikami a neustálými inovacemi, je nezbytný pro to, aby se vodík dostal k jeho potenciálu jako základního kamene udržitelné energie.