Výroba vodíku: Jak se vodík vyrábí a co to je?

Vodík je stále důležitější jako slibný nosič čisté energie – zejména s ohledem na budoucnost, která bude ohleduplnější ke klimatu. Ale přemýšleli jste někdy nad tím, co vlastně vodík je a jak se vyrábí? V tomto článku se podíváme na základní informace a technologie používané k výrobě vodíku a zjistíme, proč je vodík tak speciální prvek.

Jednoduše řečeno, vodík je bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu. Má pověst nejjednoduššího a nejhojnějšího chemického prvku ve vesmíru. Vodík se skládá z nepatrných částic, protonů a elektronů.

Je extrémně reaktivní a může se spojovat s dalšími prvky a vytvářet sloučeniny, jako je voda. Funguje jako výkonné palivo a lze jej využít k výrobě elektřiny, pohonu vozidel a výrobě tepla. Jako čistý nosič energie má vodík potenciál snížit dopad na životní prostředí a přispět k napájení udržitelnou energií

Existuje několik technologií pro výrobu vodíku, které lze použít v závislosti na specifických požadavcích a dostupných zdrojích. Zde jsou některé běžné metody:
 

• Parní reforming zemního plynu: V současné době se jedná o nejrozšířenější technologii výroby vodíku. V tomto procesu se zemní plyn, který se skládá převážně z metanu, ohřívá vodní párou za přítomnosti katalyzátoru. Obrazně by se dalo říci, že parní reforming je "rozbíjení" zemního plynu.
  
  V tomto procesu reaguje metan v zemním plynu s vodní párou, čímž vzniká vodík (H2) a oxid uhelnatý (CO). Získaný vodík se čistí a lze jej následně použít jako palivo ve vozidlech, k výrobě elektřiny v palivových článcích nebo v různých průmyslových aplikacích. Tento proces je levný, ale má i nevýhody. Jako vedlejší produkt se uvolňuje oxid uhličitý, který má negativní dopad na životní prostředí.

• Elektrolýza vody: Při elektrolýze se voda štěpí na vodík a kyslík pomocí elektrického proudu. Proces elektrolýzy provádí zařízení nebo vybavení nazývané elektrolyzér.

• Solární výroba vodíku: V této metodě se k provádění elektrolýzy používá solární energie namísto elektrické energie. Lze k tomu využít buď přímé sluneční světlo, nebo soustředit sluneční záření pomocí slunečních zrcadel nebo kolektorů. Tuto novou technologii by bylo možné použít v zemích, kde je dostatek slunečního svitu, a mohla by umožnit výrobu vodíku velmi úsporným způsobem.

• Termochemická výroba vodíku (biologická výroba vodíku): Některé mikroorganismy, například určité bakterie nebo řasy, dokážou produkovat vodík fermentací nebo fotosyntézou. Tato metoda se stále ještě vyvíjí, ale má potenciál jako udržitelný a ekologický zdroj vodíku. Nevýhodou tohoto typu výroby jsou však omezené zdroje.

Je třeba poznamenat, že ne všechny procesy výroby vodíku jsou stejně udržitelné nebo šetrné k životnímu prostředí. Udržitelnost výroby vodíku závisí na použitém zdroji energie a na emisích CO2, jež vznikají během výrobního procesu. Aby bylo možné co nejlépe využít výhod vodíku jako čistého zdroje energie, je velmi důležité využívat k jeho výrobě obnovitelné zdroje energie.

Využití obnovitelných zdrojů energie, jako je sluneční či větrná energie nebo energie z vodních elektráren, může výrazně snížit emise CO2 při výrobě vodíku a zajistit větší udržitelnost. Takto se vyrábí vodík šetrný k životnímu prostředí. Jedná se o důležitý krok k dosažení nízkouhlíkové budoucnosti a zvládnutí změny klimatu.

Proces elektrolýzy je nejslibnější. Elektrolýza umožňuje ekologicky šetrnou výrobu vodíku, zejména pokud použitá elektřina pochází z obnovitelných zdrojů energie. Tyto technologie hrají důležitou roli v nástupu čistého vodíku jako trvale udržitelného nosiče energie pro různé aplikace. Podrobně jsme rozebrali různé technologie a podívali jsme se na výhody a nevýhody každé z nich.

PEM elektrolýza, také známá jako elektrolýza protonově vodivou membránou (Proton Exchange Membrane), štěpí vodu na vodík a kyslík pomocí polymerové membrány a elektrického proudu.

Výhody:

• Rychlé spuštění a rychlé přizpůsobení proměnlivému zatížení
• Vysoká účinnost při částečném zatížení
• Nízká provozní teplota (50–80 °C), což snižuje použití drahých materiálů
• Kompaktní velikost a snadná integrace do stávajících systémů
• Vysoká úroveň technologické vyspělosti (TRL 7–8)

Nevýhody:

• Citlivá na nečistoty ve vodě, proto vyžaduje předběžné zpracování vody
• Omezená životnost palivového článku PEM (přibližně 10 000 provozních hodin)
• Vyšší náklady v porovnání s alkalickou elektrolýzou

Při alkalické elektrolýze se voda štěpí na jednotlivé složky – vodík a kyslík – za použití alkalického elektrolytu, obvykle vodného roztoku hydroxidu draselného.

Výhody:

• Nižší náklady v porovnání s PEM elektrolýzou
• Odolná vůči nečistotám ve vodě
• Dlouhá životnost elektrolytického článku (přibližně 40 000 až 80 000 provozních hodin)
• Vysoká úroveň technologické vyspělosti (TRL 8–9)

Nevýhody:

• Pomalejší reakce v porovnání s PEM elektrolýzou
• Vyšší provozní teploty (70–100 °C) vedou k vyšší spotřebě energie
• Obtížnější integrace do stávajících systémů vzhledem k různým provozním parametrům

SOEC je zkratka pro Solid Oxide Electrolysis Cell neboli elektrolytický článek s pevnými oxidy. Označuje vysokoteplotní elektrolytický článek, který přeměňuje vodu na vodík a kyslík při vysokých teplotách, kde pevné oxidy působí jako elektrolyt.

Výhody:

• Vysoká účinnost a rekuperace tepla díky vysokým provozním teplotám (800–1000 °C)
• Flexibilita při používání různých paliv (např. pára, CO2)

Nevýhody:

• Vysoké provozní teploty vyžadují drahé materiály a speciální tepelnou izolaci
• Pomalé spouštění a přizpůsobování proměnlivým zatížením
• Větší rozměry a komplexní systémová integrace
• Malé zkušenosti s provozem ve velkém měřítku

AEM je zkratka pro Anion Exchange Membrane neboli membránu pro výměnu aniontů. Označuje technologii elektrolyzéru využívající speciální membránu, která propouští záporně nabité ionty a štěpí vodu na vodík a kyslík pomocí elektrického proudu.

Výhody:

• Nižší náklady v porovnání s PEM elektrolýzou
• Odolná vůči nečistotám ve vodě
• Provoz při nižších teplotách (přibližně 60–80 °C)

Nevýhody:

• Omezený vývoj a komerční rozšíření v porovnání s PEM elektrolýzou a alkalickou elektrolýzou
• Možné problémy s dlouhodobou stabilitou membrány
• Nejsou k dispozici žádné rozsáhlé instalace. Nízká úroveň technologické vyspělosti.