Témata
Reklama

Vodík je nejlehčí a nejjednodušší plynný chemický prvek, tvořící v podobě atomárního vodíku H převážnou část hmoty ve vesmíru. Na složení zemské kůry, včetně atmosféry a hydrosféry, se dle současných zjištění podílí 0,88 hmotnostními procenty. Na Zemi je volný vodík přítomen jen vzácně, ponejvíce v sopečných plynech. Běžnou a stabilní formou existence vodíku v našem prostředí je molekula H2. Za normálních podmínek jde o bezbarvý lehký plyn bez chuti a zápachu.

Kamil Sikora

Od roku 2018 je ředitelem společnosti Vítkovice ÚAM. Kromě manažerské činnosti spadají do jeho působnosti věda a výzkum v oblasti tepelné techniky a též řízení programových projektů TAČR a MPO - Centra kompetence a TRIO.

Čistý molekulární vodík, který může být použit jako palivo, se v přirozených ložiscích nevyskytuje, může však být vyráběn různými technologiemi, například reformováním zemního plynu. Tento způsob momentálně představuje ekonomicky nejvýhodnější, ačkoli nikoli jedinou variantu jeho výroby.

Dále se vodík získává z odpadních produktů při těžbě nebo zpracování uhlí (například koksárenský plyn), jiným způsobem je jeho výroba realizována v chemicko-průmyslových závodech, většinou jako vedlejší produkt při chemických reakcích. Posledním rozšířeným způsobem výroby vodíku je elektrolýza, při které vodík vzniká rozkladem vody pomocí elektrického proudu, kdy se molekula vody rozloží na vodík a kyslík. Tento způsob výroby je nejvíce rozšířený v elektrárnách při přebytku elektrické energie (popřípadě z obnovitelných zdrojů, např. solárních panelů). Takový koncept úschovy energie je označován jako Power-to-Hydrogen. Takto získaný vodík se dá uskladňovat v tlakových lahvích a následně znovu přeměnit na elektrickou energii kupříkladu v palivovém článku.

Ve světě se vyrábí přibližně 250 mil. tun vodíku ročně, a to z 97 % parním reformingem, separací z rafinérských a petrochemických procesů (katalytický reforming, pyrolýza) a parciální oxidací (POX).

Podíly vodíku vyrobené jednotlivými druhy procesů
Druh procesu Podíl vodíku vyrobeného procesem
Parní reforming 59 %
Separace z rafinérských a petrochemických procesů
(katalytický reforming, pyrolýza)
35 %
Parciální oxidace (POX) 3 %
Ostatní zdroje 3 %
Podíly vodíku v % vyrobené jednotlivými druhy procesů podle tabulky 1. (Zdroj: Vítkovice ÚAM)
Podíly vyrobeného vodíku podle vstupních surovin
Druh suroviny Podíl vodíku vyrobeného procesem
Zemní plyn 48 %
Uhlí 18 %
Ropa30 %
Voda – elektrolýza 4 %
Podíly vyrobeného vodíku v % podle vstupních surovin podle tabulky 2. (Zdroj: Vítkovice ÚAM)

Nutno odsířit

Parní reforming, též parní reformování, je reagování vstupní suroviny s vodní parou za vysokých teplot a přítomnosti katalyzátorů obsahujících nikl (Ni). Vstupní surovinou bývá nejčastěji zemní plyn, popřípadě etan, propan nebo lehký benzin. V případě, že surovina obsahuje sloučeniny síry, musí se odsiřovat, protože sirné sloučeniny působí na katalyzátory parního reformování jako katalytický jed, to znamená, že zničí schopnost katalyzátoru urychlovat chemickou reakci.

Reakční zařízení se nazývá parní reformér, a jeho hlavní technologická část sestává z pecní a katalyzátorové části. Mezi pomocná technologická zařízení patří především generátor (vyvíječ) páry. Parní reforming se provádí v pecní části v rozmezí teplot 750 až 800 °C a tlaku 3 až 5 MPa a poté v trubkách naplněných katalyzátorem na bázi oxidu nikelnatého. V případě reformování zemního plynu se odsířený zemní plyn smísí s vodní parou a zahřeje se na teplotu 780 K = 507 °C.

Reformní reakce:
CH4 + H2O(g) ↔ CO + 3 H2

Převratné technologie

Autotermní reformování patří mezi novější technologie. Je to reformování zemního plynu ve směsi s parou a kyslíkem v přítomnosti katalyzátoru. Tato technologie je maximálně efektivní.

Probíhají následující chemické reakce:

CH4 + O2 ↔ CO + 2 H(exotermická)
CH4 + 2 O2 ↔ CO2 + 2 H2O (exotermická)
CH4 + H2O ↔ CO + 3 H(endotermická)
CH4 + CO2 ↔ 2 CO + 2 H(endotermická)

Mezi nejnovější technologie patří také suché reformování.
Probíhá tato chemická reakce:

CH4 + CO2 ↔ 2 CO + 2 H2

Využít je však možno také metodu zvanou parciální oxidace uhlovodíků (POX), kdy probíhá reakce vodní páry s metanem:

CmHn + H2O → CO + H2

Životní prostředí vs. cena

Vodík je potenciální palivo pro pohon různých dopravních prostředků – je schopen pohánět spalovací i turbínové motory, pro výrobu „stacionární“ energie, např. pro energetické potřeby staveb. Využít jej lze také jako potenciální uchovatel energie vzniklé jako přebytek elektrické energie generované v době, kdy pro vyráběný proud není odběr, velkého množství elektrické energie např. ze slunečních článků nebo z větrných elektráren, či za účelem přepravy energie způsobem lepším než přenosem elektrickým vedením. Dílčí technologie byly v několika průmyslových projektech již vyzkoušeny.

Reklama
Reklama

Vodík je palivem šetrným k životnímu prostředí – jeho spalováním vzniká voda nebo pára bez zátěže prostředí prachovými částicemi nebo popř. toxickými zbytky nedokonale spáleného paliva. Oproti elektřině je však vodík mnohem lépe skladovatelný. V současné době svět spotřebovává ročně asi 250 mil. tun průmyslového vodíku. Možnost a způsob zahájení fungování vodíkové ekonomiky jsou závislé na levné výrobě vodíku. Překážkou je vysoká cena jeho tradiční výroby. Je tedy nutno docílit snížení ceny výroby vodíku, např. použitím jaderné energie pro jeho výrobu (vychází z toho, že v blízké budoucnosti budou v provozu kapacitní jaderné elektrárny). Předpokládá se, že v určitém stupni vývoje techniky bude možno vyrábět energii v dostačujícím přebytku. Při dostatku energie by se ho mohlo produkovat obrovské množství.

Bez barvy, chuti i zápachu

Atomy vodíku i jeho molekuly jsou velmi malé, takže snadno procházejí velmi drobnými kapilárními otvory, a zejména difundují v různých materiálech, např. v některých kovech. Za normální teploty je vodík stabilní; po zahřátí se však stává mnohem reaktivnějším a bouřlivě se slučuje hlavně s kyslíkem a halogeny. Vodík vytváří sloučeniny se všemi prvky periodické tabulky (s výjimkou vzácných plynů), zvláště pak s uhlíkem, kyslíkem, sírou a dusíkem, které tvoří základní stavební jednotky života na Zemi.

Budoucnost mají technologie výroby vodíku s co nejvyšší účinností, co nejnižší vynaloženou energií a co nejmenším zatěžováním životního prostředí. Pravděpodobně bude prozatím nadále využíváno vícero různých technologií, jako např. vyspělejší a účinnější verze reformingu nebo vysokoteplotní elektrolýza. Volba technologie bude záležet také na místě a podmínkách jejího nasazení. Ve fázi vývoje jsou fotoelektrochemické metody (využití světla – fotovoltaických článků – pro získávání vodíku z molekul vody) a fotobiologické a biologické metody, které využívají schopnosti některých mikroorganismů produkovat vodík.

Vodík vyprodukovaný pomocí energie z obnovitelných zdrojů energie (OZE), např. solární nebo větrné energie, by mohl být teoreticky ideálním palivem pro ekonomiku na celém světě. Je to způsob, kdy při produkci vodíku nevznikají emise.

Čistý molekulární vodík, který může být použit jako palivo, se v přirozených ložiscích nevyskytuje. (Zdroj: Pixabay)

Vodíkové hospodářství

Výhodou vodíku a vodíkových technologií je akumulace elektrické energie v období jejího nadbytku a stabilizace sítě. V České republice byly v minulých letech postaveny fotovoltaické elektrárny a větrné parky, které zatěžují elektrizační soustavu a výkupní cena elektrické energie je časově omezená a v nejbližších letech lze předpokládat, že nebudou z ekonomických důvodů využívány. Jejich propojení s vodíkovou akumulací přinese několik výhod, např. stabilizaci elektrizační sítě, zdroj vodíku pro dopravní sektor a jiné chemické procesy, čímž se zajistí efektivní využití již vybudovaných elektráren. Akumulaci energie lze také zajistit prostřednictvím přečerpávacích elektráren, využívajících polohovou energii důlní vody, vyčerpávané denně z hlubinných šachet.

Současná hlavní překážka využití vodíku z lokálních výroben je nedostatečná plnicí infrastruktura a omezené možnosti uskladnění. Účelem popularizace tohoto odvětví je eliminace této překážky, která brání v rychlém zapojení vodíku do čisté mobility a rozvoji vodíkové ekonomiky u nás, což má za následek zaostání inovačních technologií oproti vyspělým státům. Další výhodou je komplexní pohled na vodíkové hospodářství, kdy není řešena pouze část, ale výroba vodíku, distribuce a využití.

Použitá literatura
  • [1] Výroba a použití vodíku. Univerzita Jana Evangelisty Purkyně v Ústí nad Labem.  Nedatováno. Dostupné na: http://chemistry.ujep.cz/userfiles/files/VODIK_vyroba_a_pouziti.pdf
  • [2] Výroba vodíku parním reformováním. Petroleum.cz. Nedatováno. Dostupné na: http://www.petroleum.cz/zpracovani/zpracovani-ropy-43.aspx 
  • [3] JANÍK, Luděk: Jak se vyrábí palivo budoucnosti. Vodík pro auta i elektroniku. Technet.cz, 28. 1. 2008. Dostupné na: http://technet.idnes.cz/jak-se-vyrabi-palivo-budoucnosti-vodik-pro-auta-i-elektroniku-p6d-/tec_technika.aspx?c=A080127_234744_tec_technika_vse
  • [4] KRÁTKÝ, Štěpán: Výroba a uskladnění vodíku. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 51 s. Vedoucí bakalářské práce Ing. Jiří Hejčík, Ph.D.
  • [5] DOUCEK, Aleš – JANÍK, Luděk: Úvod do vodíkového hospodářství. Ústav jaderného výzkumu Řež. Nedatováno. Dostupné na: http://www.pro-energy.cz/clanky11/4.pdf
  • [6] ŠVÁB, Michal: Trendy ve vývoji vodíkového hospodářství ve světě a možnosti uplatnění v České republice. Česká energetická agentura, 2006. Dostupné na: http://www.mpo-efekt.cz/dokument/01.pdf
  • [7] HADRAVA, Jan – VOKATÝ, Roman – HLINČÍK, Tomáš – TENKRÁT, Daniel: Porovnání kvality vodíku z různých technologií výroby. Vysoká škola chemicko-technologická Praha, Fakulta technologie ochrany prostředí, Ústav plynárenství, koksochemie a ochrany prostředí. Paliva 5 (2013), 3, s. 79 - 83.
  • [8] LEACHMAN, J. W. – JACOBSEN, R. T. – PENONCELLO, S. G. – LEMMON, E. W.: Fundamental Equations of State for Parahydrogen, Normal Hydrogen, and Orthohydrogen (Základní stavové rovnice paravodíku, normálního vodíku a ortovodíku). J. Phys. Chem. Ref. Data 38, 721 (2009).
  • [9] LILEY, P. E. – DESAI, P. D.: Thermophysical Properties of Refrigerants (Termofyzikální vlastnosti chladiv). ASHRAE, 1993, ISBN 1-1883413-10-9.
  • [10] SOMAYAJULU, G. R.: A Generalized Equation for Surface Tension from the Triple Point to the Critical Point (Zevšeobecněná rovnice pro povrchové napětí od trojného bodu po kritický bod). International Journal of Thermophysics, Vol. 9, No. 4, 1988.
  • [11] Implementační akční plán rozvoje vodíkového hospodářství v ČR. Česká vodíková technologická platforma, zpracováno expertní skupinou HYTEP, únor 2012. Dostupné na: http://www.czechinvest.org/data/files/implementacni-akcni-plan-3881-cz.pdf
  • [12] LAKVA, Petr: Výroba vodíku z obnovitelného zdroje energie. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2013. 85 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jaroslav Jícha, CSc.
Související články
Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 3. díl: Energetický mix České republiky

V minulém díle jsme upozornili na tu skutečnost, že elektromobily lze za vozidla s nízkými anebo nulovými emisemi skleníkových plynů považovat pouze podmíněně a že jednou z takových podmínek je energetický mix dané země. To jsme ilustrovali na rozdílných emisích bateriových elektrických automobilů mezi Řeckem (155,3 g CO2/km) a Švédskem (4,1 g CO2/km). V tomto díle se zaměříme právě na energetický mix, jak všeobecně, tak v souvislosti s očekávaným postupným přechodem na elektromobilitu.

Úspory naruby - Pravda a lži o vytápění, 2. část

S neustálým zdražováním energií se mnoho obyvatel ptá, čím ekologicky a současně i ekonomicky, tedy levně a s účinností pokud možno přes 100 %, vytápět svůj rodinný dům?

S uranem v podpalubí

V březnovém vydání MM Průmyslového spektra jsme publikovali článek pod názvem Jaderné ledoborce pro Severní cestu. Jelikož tento text vzbudil zájem řady čtenářů, rozhodli jsme se na toto téma připravit další podrobnější příspěvek.

Související články
Jaderná energetika: Reaktor do každé kapsy

Postavit velkou jadernou elektrárnu je projekt na celé desetiletí, ve kterém se investice počítají na miliardy dolarů a délka použitých trubek a kabelů na tisíce kilometrů. Náklady i rozměrné technologie lze přitom už dnes srazit do téměř "kapesních" formátů, aniž by konstruktéři museli ustoupit od výroby energie postavené na jaderném štěpení.

Reklama
Reklama
Reklama
Reklama
Související články
Jaderné ledoborce pro Severní cestu

Severní mořská cesta, dříve také Severovýchodní průjezd je označení námořní cesty podél celého severního a východního pobřeží Ruska. Plavba obvykle začíná podél severního pobřeží Norska přes město Murmansk a dále podél celého severního pobřeží Ruska k Beringovu průlivu a poté do Vladivostoku. V dobách studené války byl v letní sezóně na této námořní cestě hustý provoz, vozily se především suroviny ze sibiřských nalezišť. Hlavní myšlenkou bylo vzájemné propojení ústí velkých sibiřských řek se zbytkem země. Dnes je zhruba polovinu roku její severní část kvůli arktickému ledu neprůjezdná, v létě vyžaduje údržbu průjezdnosti pomocí ledoborců.

Jaderná energetika: Indové chtějí zlevnit jádro

K nejvíce ekologickému způsobu výroby elektrické energie bezesporu patří jaderná energetika. Podle statistik světové nukleární asociace WNA bylo v loňském roce ve třiceti zemích světa v provozu přes 430 jaderných reaktorů s celkovou instalovanou kapacitou cca 372 tisíc MW, což představuje produkci 13 % celosvětové elektřiny. Nyní se staví 68 reaktorů v plánu je výstavba dalších 162.

Atraktivní projekty: Chytře na energetiku

Stále častěji se hovoří o chytrých sítích v energetice (smart grids), ale cesta k nim je ještě daleká. Zatím je nutné se držet spíš při zemi a myslet na inteligentní energetické řešení budov. Těch nových, ale i těch stávajících.

Atraktivní projekty: Vídeň jedničkou mezi Smart Cities

První celosvětové porovnání měst z hlediska inovace, technologií a kvality života, tzv. Smart Cities, označuje Vídeň jako číslo 1. Tento seznam zahrnující světová velkoměsta sestavil americký klimatolog Boyd Cohen a publikoval jej v on-line magazínu Co.Exist.

Atraktivní projekty: Jak vykořisťovat poušť

Strach o dostatek energie je silným hnacím motorem, který žene techniky i investory do hledání dalších možností jak vykořisťovat pouště. Zvláště ty na západě Spojených států.

Úspory naruby - Obraťme toky řek

Při útlumu uhelných a jaderných elektráren a s nárůstem podílu obnovitelných zdrojů energie, především slunce a větru, nastal problém s přenosem a akumulací jejich elektrického výkonu mimo špičku zatížení elektrizační sítě. Tento problém však mohou i v Česku do značné míry a levně vyřešit stávající vodní díla (přehrady, jezy a hráze včetně turbín a kanálů a regulací) s využitím stávající přenosové soustavy.

Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 7. díl: Bezpečnost trakčních baterií

V tomto díle se zaměříme na další problematickou stránku elektromobilů, na jejich bezpečnost. Oč nám půjde především, jsou rizika spojená s možným vzplanutím trakční baterie. Jak totiž v rozhovoru pro KdeNabíjet.cz uvedl plk. Mgr. Rudolf Kramář, mluvčí Hasičského záchranného sboru ČR, pokud požár elektromobilu nezasáhne trakční baterii, pak neexistuje významnější rozdíl mezi požárem bateriového elektrického vozidla a toho s klasickým spalovacím motorem. Jakmile však baterie vzplane, ať už jsou toho příčiny vnější anebo vnitřní, vyžaduje si uhašení elektromobilu rozdílné, a nutno říct, že komplikovanější a nákladnější hasičské techniky a další navazující postupy.

Vyvíjí se nový solný reaktor

Ruští vědci zahajují přípravu koncepce reaktoru chlazeného tekutými solemi, který je považován za nezbytnou součást budoucnosti jaderné energetiky. Tento reaktor je totiž schopen spalovat nejrizikovější radioaktivní odpady pocházející nejen z jaderné energetiky. Dále se připravuje tendr na výstavbu reaktoru BREST-300, který také přispěje k řešení problému použitého jaderného paliva.

Jaderné elektrárny ze zakonzervovaných stavenišť

S projekty výstavby jaderných elektráren, které byly na několik let, někdy i desítek let zakonzervovány, se můžeme setkat po celém světě. Některé z nich se podařilo dokončit a mohou tak plnit svou roli v nízkoemisní výrobě elektřiny.

Dodávky pro nejmodernější jaderné elektrárny světa

Koncem února uvedla ruská korporace pro atomovou energii Rosatom do komerčního provozu první blok Novovoroněžské JE-II, která se řadí k nejmodernějším a nejbezpečnějším jaderným elektrárnám na světě. Tento blok je vybaven hermetickými kabelovými průchodkami z produkce společnosti Kabelovna Kabex, která v minulém roce dodala kabely také pro Leningradskou JE-II se stejným typem reaktorů.

Reklama
Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členem naší velké strojařské rodiny? Změňte to a staňte se naším stálým čtenářem. 

Proč jsme nejlepší?

  • Autoři článků jsou špičkoví praktici a akademici 
  • Vysoký podíl redakčního obsahu
  • Úzká provázanost printového a on-line obsahu ve špičkové platformě

a mnoho dalších benefitů.

... již 25 let zkušeností s odbornou novinařinou

      Předplatit