Aplikace vodíku | Vodík

Vodík je všestranný a lze jej využít různými způsoby. Tato mnohostranná využití lze rozdělit do dvou velkých kategorií;

1. Vodík jako vstupní surovina. Úloha, jejíž význam je uznáván již desítky let a bude nadále růst a vyvíjet se.
2. Vodík jako energetický vektor umožňující přechod k energetice. Využití vodíku v této souvislosti již začalo a postupně se zvyšuje. V nadcházejícím období se tato oblast dramaticky rozroste. Všestrannost vodíku a jeho mnohostranné využití je důvodem, proč může vodík přispět k dekarbonizaci stávajících ekonomik. Úlohu vodíku v procesu dekarbonizace lze shrnout, jak ukazuje následující graf:

Dlouhodobě zavedené využití – vodík jako surovina (využití na materiálové bázi)

V současné době se vodík využívá v několika průmyslových procesech. Kromě jiných aplikací je důležité poukázat na jeho využití jako suroviny v chemickém průmyslu a také jako redukčního činidla v metalurgickém průmyslu. Vodík je základním stavebním prvkem pro výrobu čpavku, a tedy i hnojiv, a metanolu, který se používá při výrobě mnoha polymerů. Další oblastí využití jsou rafinérie, kde se vodík používá ke zpracování meziproduktů z ropy. Přibližně 55 % vodíku vyrobeného na celém světě se tedy používá k syntéze čpavku, 25 % v rafineriích a asi 10 % k výrobě metanolu. Ostatní využití ve světě představují pouze asi 10 % celosvětové produkce vodíku.

Amoniak – hnojiva

Nejdůležitější sloučeninou vodíku a dusíku je amoniak (NH3), známý také jako azan. Technicky se amoniak ve velkém měřítku získává Haber-Boschovým procesem. Tento proces spojuje vodík a dusík dohromady přímo syntézou. Za tímto účelem je třeba nejprve získat výchozí suroviny dusík a vodík. V případě dusíku se toho dosahuje nízkoteplotní separací vzduchu, zatímco vodík dnes pochází z parního reformingu zemního plynu.

Téměř 90 % čpavku jde na výrobu hnojiv. Za tímto účelem se velká část amoniaku přeměňuje na pevné soli hnojiv nebo po katalytické oxidaci na kyselinu dusičnou (HNO3) a její soli (dusičnany). Díky své vysoké energii vypařování se amoniak používá také v chladicích zařízeních jako ekologické a levně vyráběné chladivo; jeho technický název je R-717.

Průmyslové oblasti

Vodík se používá v různých v průmyslových aplikacích; patří mezi ně zpracování kovů (především při legování kovů), výroba plochého skla (vodík se používá jako inertní nebo ochranný plyn), elektronický průmysl (používá se jako ochranný a nosný plyn, v procesech nanášení, k čištění, při leptání, v redukčních procesech atd.) a aplikace ve výrobě elektřiny, například pro chlazení generátorů nebo pro prevenci koroze v potrubí elektráren.

Přímá redukce železné rudy – tj. oddělení kyslíku od železné rudy pomocí vodíku a syntézního plynu – by se mohla vyvinout v důležitý průmyslový proces při výrobě oceli, protože při tradiční metodě vysoké pece se uvolňuje velké množství uhlíku. Zatímco přímá redukce zemním plynem je nyní ve výrobě oceli dobře zavedená (World Steel Association 2015), odpovídající výrobní metody založené na vodíku zatím existují pouze v pilotním měřítku.

Výroba paliv

Vodík se používá ke zpracování surové ropy na rafinovaná paliva, jako je benzin a nafta, a také k odstraňování znečišťujících látek, například síry, z těchto paliv.

Používání vodíku v rafineriích se v posledních letech zvýšilo z různých důvodů:
(i) přísných předpisů, které vyžadují nízký obsah síry v motorové naftě,
(ii) zvýšené spotřeby nekvalitní „těžké“ ropy, jejíž rafinace vyžaduje více vodíku, a
(iii) zvýšené spotřeby ropy v rozvojových ekonomikách, jako je Čína a Indie.

Přibližně 75 % vodíku, který se v současnosti celosvětově spotřebuje v ropných rafineriích, dodávají velké vodíkové závody, které vyrábějí vodík ze zemního plynu nebo jiných uhlovodíkových paliv

Vodík je také důležitou základní látkou pro výrobu metanolu (CH 3 OH). Výroba metanolu (syntéza metanolu) probíhá katalytickou hydrogenací oxidu uhelnatého.
Metanol lze použít přímo jako palivo ve spalovacích motorech. Používá se také v přímých metanolových palivových článcích nebo po reformování v PEM palivových článcích. Z metanolu se vyrábějí aditiva do paliv a používá se k transesterifikaci rostlinných olejů za vzniku metylesterů (bionafty).

Základní využití – využití v energetice

V oblasti energetiky se většina vodíku využívá prostřednictvím palivových článků (FC). Palivový článek je elektrochemické zařízení, které kombinuje vodík a kyslík za účelem výroby elektřiny, přičemž vedlejšími produkty jsou voda a teplo. V nejjednodušší podobě se jeden palivový článek skládá ze dvou elektrod – anody a katody – a elektrolytu mezi nimi. Na anodě reaguje vodík s katalyzátorem za vzniku kladně nabitého iontu a záporně nabitého elektronu. Proton pak prochází elektrolytem, zatímco elektron prochází obvodem a vytváří proud. Na katodě reaguje kyslík s iontem a elektronem za vzniku vody a užitečného tepla.

Vodík v dopravě

Vodíkové palivo je považováno za vhodného kandidáta, který může přispět k dekarbonizaci silniční dopravy, pokud se vyrábí z obnovitelných zdrojů energie procesem elektrolýzy. V tomto případě jsou hlavními výhodami elektromobilů s palivovými články nulové emise CO 2 a znečišťujících látek (emise ve výfuku tvoří pouze voda) a vyšší účinnost palivových článků ve srovnání se spalovacími motory. Osobní automobily a městské autobusy, mimo jiné vozidla jako zařízení pro manipulaci s materiálem apod, jsou dobrým příkladem nové technologie připravené k masové komercializaci v příštích letech.

Možnosti použití vodíku jako paliva pro mobilitu lze rozlišit jednak podle chemické formy nebo vazby vodíku a jednak podle energetického měniče, pomocí kterého je energie uložená ve vodíku zpřístupněna.

• Při přímém použití je (čistý) molekulární vodík (H2) využíván dopravními prostředky přímo, tj. bez další přeměny, jako zdroj energie. V tomto případě lze vodík použít jak ve spalovacích motorech, tak v palivových článcích (systémech palivových článků).
• Při nepřímém použití se vodík používá k výrobě konečných zdrojů energie nebo se pomocí dalších konverzních kroků přeměňuje na plynná nebo kapalná paliva obsahující vodík. Taková paliva PtG (Power-to-Gas) a PtL (Power-to-Liquids) lze pak zase použít v tepelných motorech. Použití v palivových článcích by bylo také možné (v některých případech) s použitím reformeru, ale není ekonomicky rentabilní.

Letectví

V civilním letectví jsou palivové články poháněné vodíkem považovány za potenciální dodavatele energie pro letadla, stejně jako jsou již nějakou dobu v kosmonautice. Moduly palivových článků tak mohou dodávat elektrickou energii do elektrického systému letadla jako nouzové generátory nebo jako pomocná energetická jednotka. Pokročilejší koncepce zahrnují startování hlavního motoru a pohon příďového kola pro pohyby na letišti u komerčních letadel.

Morské aplikace

Stejně jako v letectví se v současné době testují palivové články jako dodavatelé energie pro palubní napájení. Naproti tomu využití palivových článků poháněných vodíkem pro pohon lodí je zatím v rané fázi návrhu nebo zkoušek – s aplikacemi na menších osobních lodích, trajektech nebo rekreačních plavidlech. Za nejslibnější typy palivových článků pro námořní aplikace jsou považovány nízkoteplotní a vysokoteplotní palivové články (PEMFC) a palivové články na bázi pevných oxidů (SOFC) (EMSA 2017). Zatím však nebyly palivové články škálovány a použity na velkých obchodních plavidlech.

Vlaky

V elektrických lokomotivách je hnací síla dodávána prostřednictvím stacionárních vodičů proudu (trolejové vedení, kolejnice) a sběračů proudu na vozidlech. Ne každá železniční trať však může být z technických, ekonomických nebo jiných důvodů elektrifikována. Zejména na tratích s malým objemem dopravy nelze vždy ospravedlnit vysoké počáteční investice, které jsou pro elektrifikaci tratí nutné. Kromě toho nelze trakční vedení používat k posunu, pokud se k přepravě zboží používají také jeřáby. Při podpovrchové těžbě musí naopak hnací vozidla pracovat bez látek znečišťujících ovzduší.

Železniční vozidla, která využívají vodík jako zásobárnu energie a zdroj energie, mohou nabídnout další alternativu. Železniční vozidla poháněná palivovými články spojují výhodu provozu bez škodlivin s výhodou nízkých nákladů na infrastrukturu, které jsou srovnatelné s náklady na provoz dieselových vozidel.

Vozidla pro manipulaci s materiálem

Průmyslové vozíky s palivovými články, jako jsou vysokozdvižné vozíky nebo tahače (letiště), jsou vhodné zejména pro provoz uvnitř budov, protože neprodukují žádné místní emise škodlivin a pouze nízké emise hluku. Vozidla s palivovými články mají oproti bateriovým průmyslovým vozíkům výhody z hlediska doplňování paliva. Namísto výměny baterie lze vozíky doplnit během dvou až tří minut.

Zabírají méně místa a jejich údržba a opravy jsou levnější. Průmyslové vozíky s palivovými články umožňují nepřetržitý provoz, a proto jsou vhodné zejména pro vícesměnný provoz vozového parku při manipulaci s materiálem (FCTO 2014b). V případě větších vozových parků průmyslových vozíků ve vícesměnném provozu lze dosáhnout (mírného) snížení nákladů ve srovnání s bateriovou technologií a lze také zvýšit produktivitu při manipulaci s materiálem.

Autobusy

Z hlediska silniční dopravy jsou autobusy v síti veřejné dopravy nejdůkladněji prověřenou oblastí použití vodíkových a palivových článků. Od počátku 90. let 20. století bylo a je po celém světě provozováno několik stovek autobusů s vodíkovým pohonem – převážně v Severní Americe, Evropě a stále častěji také v Asii.

Ačkoli se vodík zpočátku ještě používal v autobusech se spalovacími motory, nyní se vývojáři autobusů soustředí téměř výhradně na elektrické autobusy s palivovými články (FCEB). Používání malých vozových parků FCEB je podporováno v městských oblastech jako způsob, jak přispět k technologickému rozvoji a politice čistoty ovzduší.
Busy s palivovými články nyní dosáhly vysoké úrovně technické vyspělosti, i když se zatím nevyrábějí sériově. Vzhledem k malému počtu kusů byly dosud stále mnohem dražší, a to přibližně o 1 milion EUR, než standardní dieselové autobusy, jejichž cena se pohybuje kolem 250 000 EUR. Výrazně se také snížily náklady na údržbu a prodloužila se doba spolehlivého provozu (Hua et al. 2013).

V závislosti na ročním počtu vyrobených kusů by však měly výrobní náklady FCEB v budoucích projektech dále klesat. Předpokládá se, že výrobní náklady 12metrových autobusů klesnou do roku 2020 na přibližně 450 000 EUR (nákup 100 autobusů) a do roku 2030 na přibližně 350 000 EUR, čímž se dostanou na úroveň dieselových hybridních autobusů.

Moderní autobusy s palivovými články čerpají energii ze dvou zásobníků palivových článků, z nichž každý má výkon přibližně 100 kW. Mají také relativně malou trakční baterii a jsou schopny rekuperovat brzdnou energii. Kromě toho mají na palubě přibližně 30 až 50 kg stlačeného vodíku, který je uložen v tlakových nádržích o tlaku 350 barů. Naproti tomu některé modely bateriových elektrobusů mají velké trakční baterie a pouze malé zásobníky palivových článků, které se používají jako prodlužovače dojezdu.

Busy s palivovými články mají nyní dojezd 300 až 450 km a nabízejí tak v každodenním provozu téměř stejnou flexibilitu jako autobusy s dieselovými motory. Zatímco některé starší městské autobusy stále spotřebovávají hodně přes 20 kg vodíku (namísto 40 litrů nafty) na 100 km, novější autobusy s palivovými články nyní spotřebují pouze 8 až 9 kg na 100 km, čímž autobusy s palivovými články FCEB získávají ve srovnání s autobusy s naftovými motory energetickou výhodu přibližně 40 %. Pro rozvoj trhu se plánují demonstrační projekty s velkými flotilami v dlouhodobém provozu. Očekává se, že do roku 2020 se vozový park FCEB v Evropě rozšíří z 90 na 300 až 400 vozidel.

Přečtěte si více o autobusech na palivové články zde.

Osobní automobily

Společně s bateriovými elektromobily jsou osobní automobily na vodíkové palivové články jedinou alternativní možností pohonu motorizované individuální dopravy s nulovými emisemi. První osobní automobily s palivovými články byly testovány již v 60. letech 20. století jako demonstrační projekty. Nový impuls pro vývoj palivových článků přišel v 90. letech 20. století. Ve většině případů byly testovací vozy s palivovými články přestavěné automobily, které byly původně vybaveny spalovacím motorem. V té době však první testovací modely ještě nebyly technicky ani ekonomicky konkurenceschopné. Kromě toho se ještě zhruba před 10 lety testovaly prototypy s benzinovým motorem a vodíkem jako alternativním palivem s nízkými emisemi. Jednalo se o vozidla s upravenými bivalentními motory, které mohly jezdit jak na benzin, tak na vodík. Díky tomuto palivu dosahují spalovací motory poháněné vodíkem nejen poněkud vyšší účinnosti než při provozu na benzin, ale také vypouštějí mnohem méně škodlivin.

Přestože je vodík čisté palivo s vynikajícími fyzikálně-chemickými vlastnostmi, nedokázal se prosadit jako palivo pro motorizovanou silniční dopravu. U osobních automobilů se nyní téměř výhradně zaměřuje pozornost na palivové články poháněné vodíkem jako na zdroj pohonné energie.

V současné době jsou k dispozici bohaté praktické zkušenosti s prototypy osobních automobilů poháněných palivovými články. Řada velkých výrobců automobilů začíná nabízet první sériové vozy, které jsou nyní z hlediska funkčnosti stejně dobré jako konvenční automobily se spalovacími motory. Předpokládá se, že počet vyrobených automobilů s palivovými články se bude v příštích letech pohybovat od několika stovek až po tisíce kusů. Prakticky všechny osobní automobily s palivovými články jsou dnes vybaveny PEM palivovými články v sériovém i paralelním uspořádání. Ceny středně velkých vozidel vybavených palivovými články jsou stále výrazně vyšší než ceny osobních vozidel se spalovacími motory – pohybují se kolem 60 000 EUR/USD. Se zahájením sériové výroby vozidel FCEV se očekává, že náklady na vozidla a jejich ceny výrazně klesnou.

Komíny palivových článků v nejnovějších modelech s palivovými články mají výkon 100 kW a více. Ve srovnání s bateriovými elektromobily mají větší dojezd – dnes kolem 400 až 500 kilometrů – při nižší hmotnosti vozidla a mnohem kratší době tankování, která činí tři až pět minut. Na palubě obvykle vezou 4 až 7 kg vodíku uloženého v tlakových nádržích o tlaku 700 barů.

Přečtěte si více o čerpacích stanicích

Použití stacionárních zdrojů energie

Stacionární palivové články lze využít pro decentralizované zásobování energií v oblastech mimo elektrickou síť. Trh s aplikacemi záložního napájení (BUP) nabývá na významu. Záložní aplikace zahrnují jednak nouzové napájení a jednak nepřerušitelné napájení (UPS).

Náhradní generátorové soupravy se používají pro zachování provozu v případě dlouhodobých výpadků napájení. V takových případech je obvykle (krátkodobě) přerušeno přepínání ze sítě.
Nepřerušitelné zdroje napájení se naproti tomu používají k ochraně vysoce citlivých technických systémů před kolísáním napájení ze sítě a krátkodobými výpadky, aby byl zajištěn nepřetržitý provoz. Mezi oblasti použití patří zejména telekomunikační a IT systémy, jako jsou rádiové věže nebo centra pro zpracování dat.

V porovnání s klasickými tepelnými elektrárnami mají palivové články mnohem vyšší elektrickou účinnost, která i u malých elektráren dosahuje až 60 %. To je výhodné z hlediska výkonu, protože se vyrábí hodně hodnotné elektřiny a málo tepla.

V běžném provozu se záložní zdroje na palivové články vyznačují následujícími výhodami: dlouhý autonomní provoz a životnost, nízké náklady na údržbu díky absenci pohyblivých částí a tichá, (lokálně) bezemisní výroba elektřiny.

Záložní výkon stacionárních palivových článků se pohybuje od několika kW do více než 1 GWe. Palivové články s nízkým elektrickým výkonem jsou často přenosné palivové články, které mají oproti dobíjecím bateriím a generátorům výhodu v hmotnosti. Ve stacionárním sektoru se používá řada různých typů palivových článků, v některých případech také pro chlazení. Kromě vodíku se jako palivo používá metanol, zemní plyn a zkapalněný ropný plyn.

Domácí energetika

Pokud se kromě vyrobené elektřiny využívá také vyrobené teplo, označuje se tento proces jako kombinovaná výroba elektřiny a tepla (KVET). Pokud se taková zařízení používají v sektoru vytápění domácností, označují se kvůli svým menším výkonům také jako mikrokogenerační nebo minikogenerační zařízení.

Kogenerační zařízení lze provozovat pomocí dvou strategií: Elektrárna pokrývá buď většinu poptávky po elektřině, nebo po teple. Pokud jsou ceny elektřiny vysoké, je vhodný režim provozu založený na elektřině. Tímto způsobem lze minimalizovat nákup elektřiny ze sítě nebo lze vyrobenou elektřinu z kombinované výroby elektřiny a tepla dodávat do elektrické sítě a hradit ji.

Teplo vyrobené jako vedlejší produkt kombinované výroby elektřiny a tepla se používá k pokrytí části potřeby tepla v budovách. Převážně elektrický provozní režim má za následek nízký tepelný výkon topných systémů s palivovými články. Zbývající potřeba tepla budovy je pokryta dalším topným systémem, např. kondenzačním kotlem. Z tohoto důvodu jsou palivové články vhodné zejména pro budovy s nízkou potřebou tepla na vytápění, jako jsou budovy s nízkou nebo téměř nulovou spotřebou energie. V budovách s vyšší potřebou vytápění se používají hybridní systémy vytápění palivovými články, které se skládají z palivového článku a kondenzačního kotle pro pokrytí špičkové potřeby vytápění.

Stacionární palivové články s výkonem do 10 kWe jsou obvykle palivové články PEM nebo SO. Typický rozsah výkonu kogeneračních jednotek pro rodinné domy a bytové domy je 0,7 až 5 kWe. Pokud jsou systémy palivových článků provozovány se zemním plynem jako palivem, lze využít stávající infrastrukturu zemního plynu. Palivo však musí být nejprve reformováno. V případě palivových článků PEM probíhá reforming externě. U palivových článků SO je díky vyšším teplotám možný vnitřní reforming.

Pravděpodobně největší výhodou palivových článků oproti tepelným energetickým procesům je přímá elektrochemická přeměna při výrobě elektřiny a tepla a s tím související vyšší elektrická účinnost. V kombinovaném režimu, tj. elektrickém a tepelném, mohou palivové články dosahovat účinnosti až 95 %. Elektrická účinnost je až 45 %. Kromě toho se systémy palivových článků vyznačují vysokou účinností ve všech bodech zatížení, jsou tiché, mají nízké náklady na údržbu a pracují (lokálně) bez emisí.

.