Výroba vodíka: ako sa vyrába vodík a čo je to?

Vodík ako sľubný zdroj čistej energie je čoraz dôležitejší, najmä s ohľadom na budúcnosť, ktorá má byť šetrnejšia k životnému prostrediu. Zamýšľali ste sa však niekedy nad tým, čo to vlastne vodík je a ako sa vyrába? V tomto článku sa pozrieme na základný proces a technológie používané na výrobu vodíka a na to, prečo je vodík špeciálnym prvkom.

Jednoducho povedané, vodík je plyn bez farby, zápachu a chuti. Má povesť najjednoduchšieho a najrozšírenejšieho chemického prvku vo vesmíre. Skladá sa z malých častíc – protónov a elektrónov.

Je mimoriadne reaktívny a môže sa spájať s inými prvkami a vytvárať zlúčeniny, napríklad vodu. Pôsobí ako výkonné palivo a môže sa používať na výrobu elektriny a tepla, ako aj prevádzku vozidiel. Vodík ako čistý zdroj energie má potenciál znížiť vplyv na životné prostredie a prispieť k udržateľným dodávkam elektrickej energie

Existuje niekoľko technológií na výrobu vodíka, ktoré možno použiť v závislosti od konkrétnych požiadaviek a dostupných zdrojov. Tu sú niektoré bežné metódy:
 

• Parné reformovanie zemného plynu: V súčasnosti je to najpoužívanejšia technológia na výrobu vodíka. Pri tomto procese sa zemný plyn, ktorý pozostáva najmä z metánu, zahrieva vodnou parou v prítomnosti katalyzátora. Obrazne si parné reformovanie môžeme predstaviť ako "rozklad" zemného plynu.
  
  Pri tomto procese metán v zemnom plyne reaguje s vodnou parou, pričom vzniká vodík (H2) a oxid uhoľnatý (CO). Získaný vodík sa čistí a potom sa môže použiť ako palivo vo vozidlách, na výrobu elektrickej energie v palivových článkoch alebo v rôznych priemyselných aplikáciách. Tento proces je lacný, ale má aj nevýhody. Ako vedľajší produkt sa uvoľňuje oxid uhličitý, ktorý má negatívny vplyv na životné prostredie.

• Elektrolýza vody: Pri elektrolýze sa voda štiepi na vodík a kyslík pomocou elektrického prúdu. Proces elektrolýzy vykonávajú zariadenia alebo prístroje nazývané elektrolyzéry.

• Solárna výroba vodíka: Pri tejto metóde sa na elektrolýzu namiesto elektrickej energie využíva slnečná energia. Môže sa to uskutočniť buď priamym slnečným žiarením, alebo sústredením slnečného žiarenia pomocou solárnych zrkadiel alebo kolektorov. Táto nová technológia by sa mohla používať v krajinách, kde je dostatok slnečného žiarenia, a umožnila by vyrábať vodík zvlášť nákladovo efektívne.

• Termochemická výroba vodíka (biologická výroba vodíka): Niektoré mikroorganizmy, ako napríklad niektoré baktérie alebo riasy, dokážu vyrábať vodík fermentáciou alebo fotosyntézou. Táto metóda je stále vo vývoji, ale má potenciál ako udržateľný a ekologický zdroj vodíka. Nevýhodou tohto typu výroby sú však obmedzené zdroje.

Treba poznamenať, že nie všetky postupy výroby vodíka sú rovnako udržateľné alebo šetrné k životnému prostrediu. Udržateľnosť výroby vodíka závisí od použitého zdroja energie a emisií CO2 počas výrobného procesu. Aby sa čo najviac využili výhody vodíka ako čistého zdroja energie, je veľmi dôležité, aby sa na jeho výrobu využívali obnoviteľné zdroje energie.

Využívanie obnoviteľných zdrojov energie, ako je slnečná, veterná alebo vodná energia, môže výrazne znížiť emisie CO2 pri výrobe vodíka, čím sa stáva udržateľnejším. Vďaka tomu sa vodík môže vyrábať šetrne k životnému prostrediu. Je to dôležitý krok k dosiahnutiu nízkej uhlíkovej stopy v budúcnosti a zmierneniu klimatických zmien.

Najsľubnejším procesom je elektrolýza. Proces elektrolýzy umožňuje ekologickú výrobu vodíka, najmä ak elektrická energia, ktorá sa na ňu používa, pochádza z obnoviteľných zdrojov. Tieto technológie zohrávajú dôležitú úlohu pri výrobe čistého vodíka ako udržateľného zdroja energie pre rôzne aplikácie. Podrobne sme sa pozreli na jednotlivé technológie a preskúmali sme výhody a nevýhody každej z nich.

PEM elektrolýza, známa aj ako elektrolýza s protónovou výmennou membránou, štiepi vodu na vodík a kyslík pomocou polymérovej membrány a elektrického prúdu.

Výhody:

• Rýchle spustenie a rýchle prispôsobenie sa premenlivému zaťaženiu
• Vysoká účinnosť pri prevádzke s čiastočným zaťažením
• Nízka prevádzková teplota (50 – 80 °C), čo znižuje spotrebu drahých materiálov
• Kompaktné rozmery a jednoduchá integrácia do existujúcich systémov
• Vysoká úroveň technologickej vyspelosti (TRL 7 – 8)

Nevýhody:

• Citlivá na nečistoty vo vode, preto si vyžaduje predbežnú úpravu vody
• Obmedzená životnosť palivového článku PEM (približne 10 000 prevádzkových hodín)
• Vyššie náklady v porovnaní s alkalickou elektrolýzou

Pri alkalickej elektrolýze sa voda štiepi na vodík a kyslík pomocou alkalického elektrolytu, zvyčajne vodného roztoku hydroxidu draselného.

Výhody:

• Nižšie náklady v porovnaní s PEM elektrolýzou
• Odolnosť voči nečistotám vo vode
• Dlhá životnosť elektrolytického článku (približne 40 000 – 80 000 prevádzkových hodín)
• Najvyššia úroveň technologickej vyspelosti (TRL 8 – 9)

Nevýhody:

• Nižšia reakčná rýchlosť v porovnaní s PEM elektrolýzou
• Vyššie prevádzkové teploty (70 – 100 °C) vedú k vyššej spotrebe energie
• Náročnejšia integrácia do existujúcich systémov z dôvodu odlišných prevádzkových parametrov

SOEC je skratka pre Solid Oxide Electrolysis Cell a označuje vysokoteplotný elektrolytický článok, ktorý premieňa vodu na vodík a kyslík pri vysokých teplotách a s tuhými oxidmi ako elektrolytom.

Výhody:

• Vysoká účinnosť a rekuperácia tepla vďaka vysokým prevádzkovým teplotám (800 – 1 000 °C)
• Flexibilita pri využívaní rôznych palív (napr. para, CO2)

Nevýhody:

• Vysoké prevádzkové teploty si vyžadujú drahé materiály a špeciálnu tepelnú izoláciu
• Pomalé spustenie a prispôsobenie sa premenlivému zaťaženiu
• Väčšie rozmery a zložitá integrácia do systému
• Malé skúsenosti operátorov s prevádzkou vo veľkom rozsahu

Skratka AEM znamená Anion Exchange Membrane (aniónová výmenná membrána) a označuje technológiu elektrolyzéra, ktorá využíva špeciálnu membránu prepúšťajúcu záporne nabité ióny a pomocou elektrického prúdu štiepi vodu na vodík a kyslík.

Výhody:

• Nižšie náklady v porovnaní s PEM elektrolýzou
• Odolnosť voči nečistotám vo vode
• Prevádzka pri nižších teplotách (pribl. 60 – 80 °C)

Nevýhody:

• Obmedzený vývoj a komerčné využitie v porovnaní s PEM a alkalickou elektrolýzou
• Potenciálne problémy s dlhodobou stabilitou membrány
• Nie sú dostupné žiadne väčšie inštalácie. Nízka úroveň technologickej vyspelosti.