Před více než sto lety Jules Verne napsal: „Věřím, že jednoho dne vodík a kyslík, z kterých je složena voda, každý sám nebo i dohromady, vytvoří nevyčerpatelný zdroj tepla a světla pro všechny…“ Jeho slova se dnes stávají skutečností, neboť vodíková energetika či vodíkové hospodářství je dnes v popředí zájmu specialistů řady oborů – energetiků, chemiků, ekologů…
Vodík jako sekundární palivo má totiž řadu předností. Mezi nejdůležitější patří to, že zásoby surovin po jeho výrobu jsou prakticky neomezené. Má rovněž výhodné tepelně-fyzikální vlastnosti: vysokou výhřevnost, vysoké specifické teplo a nízkou viskozitu, umožňující dosažení vysokých průtoků při dopravě. Přesto má po inženýrské stránce k ideálnímu plynu hodně daleko.
Mezi nevýhodné vlastnosti patří především některé bezpečnostní aspekty: výbušnost ve směsi se vzduchem, nízká zápalná energie, vysoká teplota a rychlost plamene. Únik vodíku nelze smysly odhalit a také jeho plamen je téměř neviditelný. Vzhledem k malému rozměru molekuly je obtížné vodíkový okruh utěsnit. Vodík uniká i nepatrnými otvory – 64násdobně rychleji než zemní plyn, difunduje řídkými materiály, vadami ve sváru aj.
Působením horkého vodíku se ocel oduhličuje a křehne – vodíkový efekt. Přesto je vodík v současné době široce používán v chemii, petrochemii, v metalurgii, v potravinářském průmyslu a jiných odvětvích průmyslu a jeho spotřeba nepřetržitě roste.
Distribuce
Experimentální výzkumy ukazují, že po určité modernizaci je technicky možné využít existující systém potrubí pro dopravu a distribuci zemního plynu i pro dopravu a distribuci vodíku. I když je objemová výhřevnost vodíku oproti zemnímu plynu třetinová, lze díky jeho podstatně nižší viskozitě a hustotě přepravit pouze o 10 až 15 % méně energie ve vodíku než v zemním plynu a je potřeba jen o málo více čerpací práce.
Vodík lze rovněž přepravovat ve zkapalněném stavu. Doprava na velké vzdálenosti je nejvýhodnější v tankerech po vodě a v cisternách po železnici, na menší vzdálenosti je možné použít automobilovou přepravu.
Skladovat ho lze ve velikém množství poměrně snadno podobně jako zemní plyn. Nejekonomičtější je ukládání vodíku do podzemních úložišť. Jeho uchovávání v těchto podmínkách je v přepočtu na jednotku energie 2 až 4krát dražší než u zemního plynu.
Ekologie
Vodík či syntetická paliva na jeho bázi postupně pronikají do všech oblastí spotřeby energie. Rozbor různých energetických spotřebičů ukazuje, že až 95 % energetické spotřeby může být nahrazeno vodíkem zcela přirozeným vývojem bez zvláštních obtíží.
Při hoření vodíku nevznikají spalováním žádné škodlivé produkty. Místní vytápění tedy lze realizovat bez odvodu spalin, což se projeví, podle některých pramenů, úsporou nákladů za komín a zvýšením účinnosti vytápění asi o 30 %. Vzniklá vodní pára může mít příznivý vliv na prostředí, neboť zvyšuje vlhkost.
Parametry vodíkového plamene se odlišují od parametrů plamene zemního plynu či svítiplynu a je třeba konstruovat speciální hořáky či adaptaci stávajících. Tento problém je však analogický přechodu ze svítiplynu na zemní plyn.
Své uplatnění vodík stále více nachází v automobilové dopravě. Příkladem nám v tomto směru mohou být SRN (ale i USA a Velká Británie), kde je tato otázka řešena nejkomplexněji, tedy nejen vývojem „vodíkových“ automobilů, ale i budováním dostatku čerpacích stanic, příslušnou legislativou a motivací pro řidiče zvolit tento druh paliva. Zde je na místě zdůraznit, že podle Světové energetické rady se 90 % procent vytěžené ropy bude v roce 2035 spotřebovávat pro automobilovou dopravu se všemi negativními důsledky, které z toho vyplývají – emise, prašnost a další, takže vodík je vedle elektřiny ekologickým zdrojem dopravy
Výroba
Mezi základní metody výrobu vodíku patří: přímý tepelný rozklad vody, elektrolýza vody nebo páry, štěpení vody v uzavřeném termochemickém cyklu, štěpení uhlovodíků v uzavřeném nebo otevřeném termochemickém cyklu. Zde je třeba zdůraznit, že v současné době není ještě rozpracována žádná dostatečně efektivní metoda výroby vodíku ve velkém měřítku, která by poskytovala vodík levnější než z přírodních kapalných či plynných paliv, na výzkumu vhodných metod se intenzivně pracuje.
Přímý tepelný rozklad vody – chemická vazební energie vody je tak velká, že k rozštěpení molekuly dochází až při teplotě 3000 °C. Tato metoda k průmyslové výrobě vodíku je tedy zatím nepoužitelná.
Elektrolýza vody nebo páry je proces, při němž stejnosměrný proud při průchodu vodivým vodným roztokem rozkládá vodu na kyslík a vodík. Jelikož se každý plyn vyvíjí na jiné elektrodě, lze je snadno separovat. Výchozí surovina je pouze voda; soli nebo alkálie, které se do vody přidávají ke zvýšení elektrické vodivosti, se nespotřebovávají.
Proces elektrolýzy může probíhat za normálních teplot. Ideální (reverzibilní) napětí rozkladu je 1,29 V. Reálné napětí se pohybuje v rozmezí 1,85 – 2,05 V. K výhodám elektrolýzy patří možnost použití různých zdrojů vstupní elektrické energie a vysoká čistota produkovaného vodíku.
Vysokoteplotní elektrolýza vody, nazývaná též někdy parní elektrolýza, probíhá tak, že část dodávané energie tvoří elektrická energie, a část je přivedena ve formě tepla. Výstupní proud obsahuje asi 90 % hm. vodíku (zbytek pára). Voda je pak oddělena v kondenzační jednotce. Část vodíku se vrací zpět do systému. Provozní podmínky procesu vyžadují teploty v rozmezí 600 – 1000 °C.
Výroba vodíku pomocí jaderné energie může být realizována různými způsoby. Jedná se zejména o klasickou elektrolýzu, která představuje zralou technologii a je možné ji v současnosti využít. Dalšími možnostmi je využití vysokoteplotní elektrolýzy a termochemických cyklů.
Získávání vodíku z biomasy lze v podstatě dvěma základními typy procesů, a to pyrolýzou a zplyňováním. Vzhledem k výtěžkům daných procesů je k získávání vodíku vhodnější proces zplyňování umožňující pomocí postupně probíhajících fyzikálně chemických procesů získat plyn o koncentraci vodíku v rozmezí cca. 15 – 45 % v závislosti na volbě procesu (zplyňování hořákové, v sesuvném loži, ve fluidním loži, vodní parou, superkritickou vodou, vzduchem).
Štěpení uhlovodíků v otevřeném termochemickém cyklu je založeno na použití uhlovodíků, vody a tepla. Štěpením uhlovodíků se uvolňuje vodík, CO2, který bude dále zpracováván, a odpadní teplo. Otevřené cykly používají jako výchozí suroviny zemní plyn (metan), tekuté uhlovodíky nebo uhlí. V současné době je nejrozšířenější technologie vodíku založena na štěpení metanu vodní párou, kdy při teplotě kolem 800 °C a tlaku 3MPa probíhá endotermická reakce.
Štěpení vody v uzavřeném termochemické cyklu je charakterizováno tím, že výchozí surovinou je pouze voda, která se realizací řady chemických reakcí výsledně štěpí na kyslík a vodík. Potřebné chemické suroviny, které jsou mezičlánkem při štěpení vody, jsou recyklovány.
Využití
Ve spojení se sluneční a větrnou energií je vodík zvláště přitažlivý, protože se snadněji dopravuje na velké vzdálenosti a snadněji akumuluje než elektřina. Mimo to při vhodném způsobu koncentrace dopadajícího slunečního záření, lze ve slunečních centrálách dosahovat velmi vysokých teplot – 2500 až 3000 °C, potřebných k výrobě vodíku přímo z vody. Na sluneční elektrárnu navazují elektrolyzéry, kde je možné ročně vyrobit velké množství vodíku a menší objem kyslíku. Oba plyny se skladují v kulových zásobnících pod tlakem 3 MPa. Chemickou reakcí mezi kyslíkem a vodíkem je kdykoli možné s 90% účinností opět získat elektrickou energii. „Odpadem“ jsou přitom pouze kapičky vody.
Třístupňový proces je vyvíjen americkou společností SRT. Během dne umožňuje koncentrovaná sluneční energie reakci mezi vodou bromidem, při které vzniká bromovodík a kyslík. V noci pak levná elektřina vyrobená mimo špičku napájí elektrochemické články, ve kterých se bromovodík dělí a tvoří se vodík a regeneruje bromid. Výsledkem je, že se voda nepřímo rozkládá na vodík a kyslík při třetinové spotřebě elektřiny, která je nezbytná pro konvenční elektrolýzu.Vodík a bromid mohou být skladovány a později v článku nekombinovány k výrobě elektřiny během několika minut.. SRT počítá s tím, že proces bude využit v průmyslu pro snížení maximálních požadavků spotřeby až ho elektrárenské společnosti využijí pro zajištění špičkové energie.
Akumulace přebytků elektřiny ve formě H2, v první etapě se zkoumalo, jaká média přicházejí pro akumulaci v úvahu. Nejlepším řešením pro uložení v sezónní zásobních je podle názoru odborníků vazba H2 na toluol. Tuto kapalinu je možno, podobně jako olej a benzín, uskladňovat a čerpat. Při potřebě je nosné médium dehydrogenerováno a vodík je k dispozici pro aplikace. Ze systému akumulace vychází vodík v plynné formě.
Palivové články, jedná se o elektrochemické zařízení, které souvisle přeměňuje chemickou energii paliva v energii elektrickou. Palivové články tedy podobně jako baterie vytvářejí elektřinu elektrochemickou cestou a podobně jako spalovací motory souvisle zpracovávají přiváděné palivo. Na rozdíl od těchto zařízení však palivové články nepotřebují dobíjet, pracují tiše a s vysokou účinností, a pokud používají vodík jako palivo tak produkují pouze elektřinu a vodu. Palivové články jsou konstrukčně jednoduché, většinou bez pohyblivých částí, což představuje potenciál k vysoké spolehlivosti a dlouhé životnosti. Z termodynamického hlediska je velmi důležitým rozdílem to, že účinnost palivového článku není omezena Carnotovou účinností, jako je tomu u spalovacích motorů založených na tepelném cyklu. Existuje několik typů palivových článků, které se liší povahou použitého elektrolytu, provozní teplotou, a také způsoby využití.
Vodíkové spalovací motory tvoří a podle mnoha studií i tvořit budou jediný použitelný pohon pro dálková nákladní vozidla a autobusy, zatímco u osobních vozidel, městských autobusů a dodávkových vozidel lze očekávat jistý průnik elektrických pohonných jednotek, a to včetně použití vodíkových palivových článků. Současně se však i v této oblasti předpokládá zejména do r. 2020 nezanedbatelný podíl vodíkových spalovacích motorů.
Jedním z hlavních důvodů pro jejich použití souvisí s přechodovým obdobím, kdy je zapotřebí vybudovat novou a nákladnou infrastrukturu pro distribuci vodíku. Zatímco palivové PEM články jsou na vodík vysoké čistoty odkázány jako na jediné použitelné palivo, vykazují spalovací motory obecně určitou palivovou flexibilitu. Kromě toho je cena spalovacího motoru o několik řádů odlišná od očekávané ceny PEM palivového článku, a to i při odhadovaném poklesu ceny v důsledku sériové výroby a technologického pokroku.