Vodíkové elektrárny — trendy a perspektivy

Přestože byly jaderné elektrárny dlouho považovány za velmi bezpečné, havárie v japonské jaderné elektrárně Fukušima v roce 2011 znovu přinutila energetické inženýry po celém světě přemýšlet o možných ekologických problémech spojených s tímto druhem energie.

Vlády mnoha zemí, včetně řady zemí EU, deklarovaly jasný záměr převést své ekonomiky na alternativní energii, nešetří investicemi a slibují do tohoto odvětví miliardy eur v příštích 5–10 letech. A jedním z nejslibnějších a ekologicky bezpečných typů takové alternativy je vodík.

Pokud uhlí, plyn a ropa přece jen dojde, pak je v oceánech prostě neomezený vodík, ačkoliv tam není uložen v čisté formě, ale ve formě chemické sloučeniny s kyslíkem – ve formě vody.

Vodík je nejekologičtějším zdrojem energie. Získávání, přeprava, skladování a používání vodíku vyžaduje rozšíření našich znalostí o jeho interakci s kovy.

Problémů je zde mnoho.Zde jsou jen některé z nich, které čekají na své řešení: výroba vysoce čistých izotopů vodíku pomocí membránových filtrů (například z palladia), vytvoření technologicky výhodných vodíkových baterií, problém boje s vodíkovými cenami materiálů atd.

O ekologické nezávadnosti vodíku v porovnání s jinými tradičními typy zdrojů energie nikdo nepochybuje: produktem spalování vodíku je opět voda ve formě páry, přičemž je zcela netoxická.

Vodík jako palivo lze bez zásadních změn bez problémů použít ve spalovacích motorech i v turbínách a získá se více energie než z benzínu. Pokud je měrné spalné teplo benzinu ve vzduchu asi 44 MJ / kg, pak pro vodík je toto číslo asi 141 MJ / kg, což je více než 3krát více. Ropné produkty jsou také toxické.

Skladování a přeprava vodíku nezpůsobí zvláštní problémy, logistika je podobná jako u propanu, ale vodík je výbušnější než metan, takže zde stále existují určité nuance.

Řešení pro skladování vodíku jsou následující. Prvním způsobem je tradiční komprese a zkapalňování, kdy bude nutné zajistit jeho ultranízkou teplotu pro udržení kapalného skupenství vodíku. To je drahé.

Druhý způsob je slibnější — je založen na schopnosti některých kompozitních kovových houbiček (vysoce porézní slitiny vanadu, titanu a železa) aktivně absorbovat vodík a při nízkém zahřátí jej uvolňovat.

Přední ropné a plynárenské společnosti jako Enel a BP dnes aktivně vyvíjejí vodíkovou energii.Italský Enel před pár lety spustil první vodíkovou elektrárnu na světě, která neznečišťuje atmosféru a nevypouští skleníkové plyny. Hlavní palčivý bod v tomto směru ale spočívá v následující otázce: jak zlevnit průmyslovou výrobu vodíku?

Problém je v tom elektrolýza vody vyžaduje hodně elektřiny, a pokud se výroba vodíku spustí právě elektrolýzou vody, pak bude pro ekonomiku v jedné zemi tento způsob průmyslové výroby vodíku velmi nákladný: třikrát, ne-li čtyřikrát , v přepočtu na ekvivalentní spalné teplo z ropných produktů Kromě toho lze z jednoho metru čtverečního elektrod v průmyslovém elektrolyzéru získat maximálně 5 metrů krychlových plynu za hodinu. To je pomalé a ekonomicky nepraktické.

Jedním z nejslibnějších způsobů výroby vodíku v průmyslových objemech je plazmochemická metoda. Zde se vodík získává levněji než elektrolýzou vody. V nerovnovážných plazmatronech prochází elektrický proud ionizovaným plynem v magnetickém poli a dochází k chemické reakci v procesu přenosu energie z „zahřátých“ elektronů na molekuly plynu.

Teplota plynu se pohybuje v rozmezí +300 až +1000 °C, přičemž reakční rychlost vedoucí k produkci vodíku je vyšší než u elektrolýzy. Tato metoda umožňuje získat vodík, který se ukazuje být dvakrát (nikoli třikrát) dražší než tradiční palivo získané z uhlovodíků.

Plazmově-chemický proces probíhá ve dvou fázích: nejprve se oxid uhličitý rozkládá na kyslík a oxid uhelnatý, poté oxid uhelnatý reaguje s vodní párou, čímž vzniká vodík a stejný oxid uhličitý, který byl na začátku (nespotřebovává se, pokud se podíváte na celou transformaci smyčky).

V experimentální fázi — plazmochemická výroba vodíku ze sirovodíku, který zůstává škodlivým produktem všude při rozvoji plynových a ropných polí. Rotující plazma jednoduše vyvrhne molekuly síry z reakční zóny odstředivými silami a zpětná reakce přeměny na sirovodík je vyloučena. Tato technologie vyrovnává cenu vyrobeného vodíku s tradičními druhy fosilních paliv, navíc se paralelně těží síra.

A Japonsko již dnes zahájilo praktický vývoj vodíkové energie. Kawasaki Heavy Industries a Obayashi plánují začít využívat vodíkovou energii k pohonu města Kóbe do roku 2018. Stanou se průkopníky mezi těmi, kteří skutečně začnou využívat vodík k výrobě elektřiny ve velkém, prakticky bez škodlivých emisí.

Vodíková elektrárna o výkonu 1 MW vyroste přímo v Kóbe, kde bude zásobovat elektřinou mezinárodní kongresové centrum a pracovní kanceláře pro 10 000 místních obyvatel. A teplo generované na stanici v procesu výroby elektřiny z vodíku se stane efektivním vytápěním pro místní domy a administrativní budovy.

Plynové turbíny z produkce Kawasaki Heavy Industries samozřejmě nebudou zásobovány čistým vodíkem, ale palivovou směsí obsahující pouze 20 % vodíku a 80 % zemního plynu.Závod spotřebuje ekvivalent 20 000 vozidel s vodíkovými palivovými články ročně, ale tato zkušenost bude začátkem velkého rozvoje vodíkové energie v Japonsku i mimo něj.

Zásoby vodíku budou skladovány přímo na území elektrárny a i v případě zemětřesení nebo jiné přírodní katastrofy bude ve stanici palivo, stanice nebude odříznuta od životně důležitých komunikací. Do roku 2020 bude mít přístav Kóbe infrastrukturu pro hlavní dovoz vodíku, protože Kawasaki Heavy Industries plánuje v Japonsku vybudovat rozsáhlou síť vodíkových elektráren.