Témata

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.

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
MM Podcast: Glosa - Poselství Garcíovi

Jsou věci, které ovlivnit nemůžeme, avšak máme možnost se k nim svobodně postavit. Pokud tak ale činíme ve stresu a se strachem, negativní dopad to jen znásobí. Naopak, uvedeme-li se do klidu s vědomím své vnitřní síly, víry a odhodlání, vše se může nakonec vyvíjet úplně jinak. 

Technická podpora vždy po ruce

Prostřednictvím nové aplikace LiveTechPro nabízí společnost Ceratizit kompetentní okamžitou technickou podporu i v období místního a národního lockdownu vyvolaného pandemií covid-19.

Názorové fórum odborníků

Výzkum a vývoj v oblasti řezných nástrojů podle doc. Jany Petrů z Vysoké školy báňské – Technické univerzity v Ostravě (www.mmspektrum.com/200519) mj. dlouhodobě soustřeďuje svou pozornost na vývoj řezných materiálů, systémů povlakování a konstrukce nástrojů využívajících princip minimálního mazání a chlazení MQL.
Zabývá se těmito trendy také vaše společnost? Naleznou uživatelé výše popsané inovace ve vašich produktových portfoliích? Uveďte příklad.

Související články
Další krok k bezobslužné výrobě

Studie čínské univerzity Beihang, publikovaná v časopise International Journal of Production Research, přímo spojuje prediktivní údržbu s kvalitou výrobků. Jak je však pro výrobce tato dosahovaná prediktivita a vynikající kvalita u operací využívaných při soustružení oceli slučitelná se snižováním počtu pracovníků na dílenských pracovištích nebo s bezobslužnou výrobou? Článek objasňuje důvody, proč jsou pro kvalitu obráběných součástí nezbytné vhodné nástroje ve spojení s procesy zabezpečenými proti selhání.

Související články
Abeceda komunikace (nejenom) pro strojaře, Část 1. Komunikace je jako mariáš

Člověk je tvor společenský a komunikace je jeho stěžejní dovednost. Komunikujeme proto, aby se něco stalo. Aby se naplnil náš záměr. Ať už chceme někoho pobavit, poučit, informovat, nebo přimět ke spolupráci, potřebujeme, aby nám rozuměl. Cílem úspěšné komunikace je dosáhnout určitého efektu. Aby se tak stalo, musíme použít správný obsah, formu, ale i správné načasování. Hranice mezi úspěchem a neúspěchem je velmi často daná právě (ne)schopností komunikovat. Ve spolupráci s odbornicí na strategickou komunikaci Mirkou Čejkovou pro vás připravujeme seriál, který, jak věříme, bude inspirací pro zlepšení vašich komunikačních dovedností.

Fórum výrobních průmyslníků

Jak se současná doba odráží nachodu vaší společnosti – jak z pohledu objemu zakázek, jejich realizace a kompletace, tak ikaždodenního přístupu k zamezení šíření koronaviru mezi vašimi zaměstnanci. Dokážete vyčíslit náklady, které jste již do těchto opatření investovali?

Fórum děkanů strojních fakult

Jak se současný způsob výuky odráží na studentech – na jejich osobnosti, přístupu ke studiu, k dosahování dílčích výsledků, na přípravě k finální části studia, k následujícímu profesnímu působení, ale i v sociální/osobní rovině vazby pedagog – student?

Pět principů pro zvýšení efektivity

Tork, spadající pod společnost Essity, uvádí na trh novou příručku představující princip „kaizen“. Díky němu mohou podniky zavést filozofii kontinuálních vylepšení.

Když je řemeslo posláním

V součinnosti se zákazníkem navrhovat nástroje s maximální hospodárností a produktivitou – to je cílem rodinné nástrojářské společnosti UniCut, jejíž produkty můžete najít ve výrobních firmách prakticky po celém světě. Její jednatel, Ing. Petr Inemann, s nímž jsme měli možnost hovořit, převzal vedení firmy po svém otci. Nezdědil však jen firmu, ale především, jak sám říká, lásku k řemeslu.

Abychom na změny zareagovali včas

Covid-19 je humanitární krize, která má bezprecedentní dopady na všechna průmyslová odvětví. Podniky stojí před novou výzvou, na kterou musí reagovat. Některé podniky tuto výzvu využijí ke svému rozvoji a expanzi, některé ji jen přežijí, a budou i takové, které zaniknou. První reakcí bývá zastavení všech investic, včetně investic do informačních technologií. A právě informační technologie ukážou, kdo bude vítězem, a kdo poraženým.

Firma a příroda mají k sobě blízko.
Více, než si myslíme.

Společnosti Fosfa je největším zpracovatelem žlutého fosforu v Evropě. Z něho pak vyrábí esenciální směsi zejména pro potravinářské i speciální průmyslové aplikace, které vyváží do více než 80 zemí světa. Vedle toho vyrábí také přírodní ekologické produkty, jako jsou přírodní prostředky péče o tělo i domácnost Feel Eco. Její záběr je ale širší, provozuje první českou vertikální farmu Feel Greens, ve které s pomocí hydroponie pěstuje microgreens, bylinky a saláty zcela bez jakýchkoliv pesticidů, GMO či růstových regulátorů.

Technologie pro mistry horkého tváření

Zavítáte-li do části města Olomouc s názvem Bystrovany, bezpochyby vás zaujme architektonicky velmi čistá budova, součástí jejíž fasády je velké plastické červené logo Weba. Když pak vejdete dovnitř, ohromí vás výrobní hala monumentálních rozměrů s množstvím sofistikovaných strojů různých značek – zejména pak značky Mazak. Od loňského roku mezi nimi můžete spatřit i automatickou obráběcí linku se dvěma stroji Mazak Variaxis 1050.

Hodinky, nebo číselníkové úchylkoměry?

Dnes nejspíše neexistuje strojírenská výroba, kde by se „hodinky“, jak je mnohdy toto měřidlo nazýváno, nepoužívaly. Stejně tak jako „šupléra“ –označující posuvné měřítko– se slangový název „hodinky“ dostal strojařům pod kůži tak, že při použití odborně správného výrazu – číselníkový úchylkoměr – často zaváhají, oč vlastně jde. Pojďme se tedy podívat na hodinky, které jsou nepostradatelným pomocníkem každého strojaře, ale čas měřit neumí.

Inovace podnikatelského modelu, Část 3. Inovační projekty

V našem seriálu vznikajícím ve spolupráci s partnerskou sítí Inovato vás krok po kroku provázíme klíčovými fázemi inovačního procesu v kontextu ekosystému doby a místa. Své zkušenosti vám předávají praktici, kteří mají za sebou mnoho inovačních projektů s tržně úspěšnými výsledky. Přijměte naše pozvání do edukačních eventů.

Předplatné MM

Dostáváte vydání MM Průmyslového spektra občasně zdarma na základě vaší registrace? Nejste ještě členy 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