Vodíkové hospodářství – nový základ energetické politiky EU

Vodíkové hospodářství – nový základ energetické politiky EU

Ing. Karel Kabeš

Stále častěji se v médiích, ale i v odborných kruzích hovoří v souvislosti s omezenými zásobami fosilních paliv o nutnosti vývoje jiných energetických zdrojů. Jednou z dnes perspektivních možností je palivový článek (angl. fuel cell).
Palivový článek se skládá z porézních elektrod, oddělených elektrolytem (obr. 1). V oblasti pórů elektrod vzniká tzv. třífázové rozhraní – elektroda, elektrolyt a regenty, vzniklé oxidací paliva a redukcí okysličovadla (obr. 2, obr. 3).
Princip přeměny chemické energie na elektrickou je znám již z první poloviny 19. století (1839, anglický fyzik W. Grove), ale pojem „palivový článek„ teprve v roce 1889 poprvé použili Ludwig Mond a Charles Langer, kteří se pokusili vytvořit funkční článek pracující se vzduchem a svítiplynem. Jiné zdroje uvedějí Williama Whita Jacquese, který jako první použil za elektrolyt kyselinu fosforečnou.
Palivové články jako zdroj elektrické energie však dlouho zůstávaly stranou pozornosti. Bylo tomu tak pro objev magnetické indukce a rovněž pro technickou úroveň parních strojů umožňujících výrobu elektrické energie v obrovském množství. Navíc pro mobilní aplikace byly vyvinuty snáze vyrobitelné elektrochemické zdroje proudu a akumulátory.
Pokročilé aplikace palivových článků využívané v praxi se proto objevily až v 60. letech minulého století. V té době v USA použila NASA palivové články vyrobené ve firmě Pratt & Whitney jako zdroj elektřiny pro vesmírné moduly Apollo. To byl vlastně popud k nastartování intenzivního pokroku ve vývoji palivových článků v nejrůznějších zemích na univerzitách, v laboratořích i v průmyslu. V uplynulých třiceti letech proto vývoj v oboru palivových článků pokročil. Objevily se nové materiály i koncepce, ale posunuly se i priority světa – na ochranu životního prostředí je kladen mnohem větší důraz než před několika desítkami let.
V současnosti lze zaznamenat stav jakési renesance palivových článků, které se stále více uplatňují v mnoha oblastech. Palivové články slouží např. jako záložní jednotky tam, kde by výpadek sítě mohl způsobit vážné problémy – v nemocnicích či armádních zařízení. Stále ve větší šíři pracují v automobilovém průmyslu. Využívají se na velmi odlehlých místech, kam je jednodušší dopravit palivo než položit distribuční kabel. V budoucnu by palivové články mohly konkurovat i elektrárnám.
Tradiční palivové články používají čistý vodík, získávaný elektrolýzou z vody. Jako dostupnější, ale i průmyslově perspektivnější se jeví články využívající vodík vznikající při reformaci uhlovodíků. Technologií získávajících vodík je však mnohem více – jsou to alkalické články na bázi draslíku, kyseliny fosforečné, s polymerovou membránou, s mikromletým uhlíkem nebo s pevnými oxidy atd.
Následující článek předkládá možnosti využití palivových článků zejména v dopravě a automobilovém průmyslu.

Úvod

Budou to již dva roky, co se koncepce vodíkového hospodářství stala základem, z kterého vychází nová energetická politika Evropské unie pro příští desetiletí. Proč se tato ústřední varianta, která se týká i celého výzkumu energie, vnucuje takovou silou? Před deseti lety to byla v nejlepším případě „ještě hodně vzdálená alternativa„, nebo spíše „perspektiva daleké budoucnosti„. Důraz nebyl kladen ani tak na samotný vodík jako spíše na jeho využití v palivových článcích. Technická možnost, o které široká veřejnost do té doby málo věděla, byla prezentována především jako řešení, díky kterému by např. automobilová doprava mohla v budoucnosti být „absolutně čistá“, tedy bez škodlivých výfukových plynů.

Obr. 1. Palivový článek se skládá z porézních elektrod oddělených elektrolytem

Epocha automobilů s elektrickým pohonem

V době první ropné krize na počátku 70. let minulého století si společnost velmi dobře uvědomovala, že epocha „ropa pro všechno„ se v dopravě i v ostatních odvětvích už blíží ke svému konci. Potvrdilo se, že zdroje ropy se dříve nebo později vyčerpají a vážně se začalo vnímat také ohrožení lidstva vyvolané změnami klimatu především v důsledku hrozivě narůstajících emisí oxidu uhličitého a tzv. skleníkových plynů. Jako jedna z prvních alternativ řešení této situace v silniční dopravě byl vyvinut automobil s elektrickým pohonem – ve své čisté i hybridní podobě – který byl vybaven akumulátory. V tomto směru bylo uskutečněno množství výzkumných a vývojových prací, přičemž bylo dosaženo pozoruhodných výsledků. Dokonce bylo vyrobeno mnoho automobilů s elektrickým pohonem, z nichž některé jsou dodnes v provozu. Generace automobilů s čistě elektrickým pohonem se mimořádně osvědčila v boji proti znečištění ovzduší v městských aglomeracích, avšak narážela na hranice použitelnosti z hlediska autonomie pohybu a rovněž obtíží při nabíjení. Proto byla dána přednost hybridním automobilům (s kombinovaným pohonem). Ty jsou jistě v mnoha ohledech zajímavé, ale závislost na fosilních palivech neodstraňují, pouze zmenšují.

Obr. 2. V oblasti pórů elektrod vzniká tzv. třífázové rozhraní – elektroda, elektrolyt a regenty, vzniklé oxidací paliva a redukcí okysličovadla

Přechod na palivové články

Princip palivového článku byl poprvé v praxi využit v 60. letech v rámci kosmických programů Gemini a Apollo. O mnoho let později se používání palivových článků začalo prosazovat jako mimořádně lákavá alternativa místo nabíjecích akumulátorů v automobilech s elektrickým pohonem. Odborníky nadchla představa, že s využitím kyslíku z ovzduší a vodíku může palivový článek vyrábět elektrický proud, např. pro napájení elektromotoru automobilu (obr. 4). Místo výfukových plynů tradičních spalovacích motorů přitom vzniká pouze voda a trochu tepla, zatímco emise CO₂ a ostatních látek škodících zdraví klesají teoreticky na nulu. Palivové články navíc mají dvě velké přednosti – vysokou energetickou účinnost a zcela tichý provoz.

Obr. 3. Palivový článek je elektrochemické zařízení, které přeměňuje chemickou energii v palivu přímo na elektrickou energii, podobně jako je tomu v baterii

V průběhu 90. let zaznamenal vývoj palivových článků obrovský rozmach především v automobilovém průmyslu, který se na těchto aktivitách velmi intenzivně podílel. V Evropě, ve Spojených státech, v Kanadě a v Japonsku v té době vznikaly veřejné programy, které podporovaly smlouvy mezi výzkumnými organizacemi a výrobními podniky. Tak vyústily koncem 90. let dva velké evropské programy: Fever (realizovaný automobilkami Renault a Volvo) a Hydro-Gen (realizovaný automobilkou PSA-Peugeot-Citroën, obr. 5) v prezentaci prvních prototypů automobilů s palivovými články, které přesvědčivě prokázaly dobrý výkon v silničním provozu. Paralelně s tím také automobilky DaimlerChrysler a Opel-GM (obr. 6) velmi intenzivně vyvíjely své demonstrační modely řady Necar (New Electric Car, obr. 7), popř. HydroGen, a úspěšně je vyzkoušely v různých částech světa.

V současné době pokračuje mimořádně ambiciózní evropský demonstrační projekt s názvem Cute (Clean Urban Transport for Europe) s rozpočtem 54 milionů eur, na který Evropská unie přispěla téměř 18 miliony eur. Cílem projektu, který sdružuje přibližně třicet účastníků z oblasti vývoje a výroby, městských dopravních podniků a komunálních úřadů, je vyrobit 27 prototypů čistých a tichých vodíkových autobusů Citaro (DaimlerChrysler) a po třech je zavést do provozu za skutečných podmínek ve veřejných dopravních sítích v devíti evropských velkoměstech. V roce 2003 byla vybudována nezbytná zásobovací infrastruktura včetně tankovacích stanic a do několika měst byly dodány první zmíněné autobusy. Zkoušky, které již začaly ve městech Porto, Madrid, Stockholm, Stuttgart a Londýn, potrvají dva roky. Podobný demonstrační projekt s názvem ECTOS (Ecological City Transport Systém) běží v islandském v Reykjavíku, kde již déle než rok cirkulují tři autobusy poháněné vodíkem získávaným z obnovitelných zdrojů energie.

Obr. 4. Využitím kyslíku z ovzduší a vodíku může palivový článek vyrábět elektrický proud – principiální schéma

Všechny dosud vyrobené prototypy prokázaly, že palivový článek má velmi reálné předpoklady pro efektivní využití v automobilovém průmyslu. Současně tyto úspěchy ale umožnily poznat, jak obrovská propast ještě tuto inovační myšlenku dělí od širokého využití. Při současné struktuře energetického zásobování ve společnosti, kde je ropa „králem„, zůstávají tyto automobily budoucnosti zatím v nejlepším případě jen nekomerčními „kuriozitami„. Je zřejmé, že teprve globální nedostatek ropy může dát této nové generaci automobilů šanci, aby se na trhu komerčně prosadila.

Velký nástup vodíku

Úspěšné aplikace palivových článků vedly ke zcela novému přístupu při stanovování udržitelné energetické bilance v dnešním světě. Vynořila se nová globální koncepce na bázi vodíkového hospodářství, z kterého od roku 2002 učinili zodpovědní představitelé Evropské unie základ budoucí evropské energetické politiky. Jak se tato strategie odůvodňuje a co v sobě skrývá? Jako elementární zdroj, který se na naší planetě vyskytuje v mimořádně velkém množství – nejenom v obrovských masách vody v oceánech a řekách, ale také v celém organickém světě, od biomasy až po uhlovodíky – se vodík jeví jako téměř nevyčerpatelný zdroj s obrovskou kapacitou pro uvolnění energie. Z hlediska akutního problému klimatu, který nyní lidstvo ohrožuje, by jeho masové využití dovolilo podstatně snížit emise CO₂.

Obr. 5. Demonstrační modely s palivovým článkem automobilek PSA-Peugeot-Citroën …

Vodík je však velmi paradoxní zdroj energie. Nikde na světě se totiž nevyskytuje v izolovaném stavu, a musí se proto vyrobit s využitím jiných primárních zdrojů energie. K dispozici jsou dnes nejméně dva ověřené a dobře uskutečnitelné postupy. Jimi lze vodík buď získat z fosilních zdrojů (tím, že se zachytí a izolují emise CO₂), nebo vyrobit elektrolýzou vody. Zvláště druhý způsob je velmi lákavý, přestože je k němu zapotřebí elektrická energie. Není to ale zase tak vážný hendikep, protože vodík, který byl jednou vyroben, je možné dobře uskladnit a přepravovat. K jeho výrobě lze proto využívat přebytečnou elektrickou energii v době mimo odběrové špičky. Navíc se zde otevírá nová cesta pro efektivní využití nestálých (kolísavých) zdrojů obnovitelné energie (vítr, slunce, mořské vlny), které při své závislosti na rozmarech přírody běžně mají velké potíže se začleněním do současných elektrických rozvodných soustav, kde musí nabídka vždy uspokojit bezprostřední poptávku. Ve vodíkovém hospodářství, které počítá s ukládáním vyrobeného vodíku, by mohly být zmíněné nedostatky jinak cenných zdrojů obnovitelných energií překonány a tak by mohly být vytvořeny podmínky pro jejich rentabilní využívání.

Obr. 6. … Jeep Commander (foto DaimlerChrysler)

Vodíkové hospodářství

Na výhodách logistického řetězce výroba – uskladnění – přeprava

Obr. 7. Poslední model automobilu Necar s palivovým článkem (foto DaimlerChrysler)

Ale právě tak i vodík vyrobený ve vzdálených výrobních provozech je možné distribuovat potrubím nebo převážet v cisternách. Navíc je možnost vodík před transportem nebo po transportu uskladnit; to je jeho významná přednost oproti elektřině. Tak je např. možné vodík pro vozidla v silniční dopravě uskladnit v servisních tankovacích stanicích a podobně jako benzin nebo naftu ho vydávat na čerpacích stojanech. Z nádrže vozidla může vodík jako nosič energie napájet palivový článek, dodávající potřebný elektrický proud pro hnací motor, kterým je vozidlo vybaveno. Vodík tak obrazně řečeno „bezdrátovým způsobem„ zajišťuje dostupnost elektrického proudu. Skutečné technické řešení je ovšem složitější, protože je třeba brát v úvahu všechna technologická hlediska i bezpečnostní rizika spojená se skladováním, přepravou a manipulací s vodíkem.

Obr. 8. Hospodářství palivových článků o výkonu 2 MW v Santa Barbaře v Kalifornii

I ze zjednodušeného popisu tohoto logistického řetězce je zřejmé, proč je třeba mnohoslibné vyhlídky palivových článků v automobilovém průmyslu začlenit do velmi ambiciózní koncepce, postavené na radikálně novém vodíkovém hospodářství. Konstruktéři automobilů, kteří jsou touto technologickou změnou objektivně nadšeni, budou moci pokračovat v nastoupené cestě, pouze když se bude celý globální systém výroby, distribuce a spotřeby vodíku postupně vyvíjet. A to je nutné s vynaložením obrovských, koncentrovaných investic teprve vědecky promyslet, navrhnout a poté vyzkoušet a uskutečnit.

Závěr

Infrastruktura vodíkového hospodářství ovšem daleko překračuje oblast dopravy. S hlediska celkové energetické potřeby společnosti by se měl vodík se svými schopnostmi stát trvalým spojencem elektřiny. Výzkumy, které v současnosti probíhají, jsou již zaměřeny na prototypy velkých stacionárních palivových článků pro aplikace v energetice. Ty by mohly jako plně decentralizované jednotky uspokojovat obrovskou poptávku průmyslu, zemědělství, sektoru služeb i domácností po elektřině, ale také po teple (kogenerací tepla a elektřiny) a mechanické energii. V těsné spolupráci se zainteresovanými průmyslovými podniky se využívaní vodíku jeví v několika příštích desetiletích jako schůdné a udržitelné východisko ze slepé uličky, do které světový energetický systém přivedlo trvalé „upřednostňování fosilních paliv„. Evropskou unii by navíc důsledná orientace na využití vodíku jako základního zdroje energie zbavila stále rostoucích starostí o zajištění své nezávislosti na dovážených nosičích energie. A i proto má vodíkové hospodářství v nejvyšších politických kruzích EU takovou podporu.
[Der Wasserstoff kommt … (Vodík přichází …). FTEinfo – Magazin über europäische Forschung, August 2004, č. 42, s. 3–5.]

Redakčně doplněno a upraveno