Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně Agronomická fakulta Ústav techniky a automobilové dopravy

Vodík jako alternativní zdroj energie Bakalářská práce

Vedoucí práce:

Vypracoval:

Ing. Martin Fajman, Ph.D.

Marián Orviský Brno 2007

PROHLÁŠENÍ

Prohlašuji, že jsem bakalářskou práci na téma………………………………….…….……... ……….…………………………………………………………………………………… … vypracoval(a) samostatně a použil(a) jen pramenů, které cituji a uvádím v přiloženém seznamu literatury. Bakalářská práce je školním dílem a může být použita ke komerčním účelům jen se souhlasem vedoucího bakalářské práce a děkana AF MZLU v Brně.

dne………………………………………. podpis bakaláře……………………….

3

Anotace: V mé bakalářské práci Vodík jako alternativní zdroj energie se zaměřuji na nový zajímavý zdroj energie, který je však zatím málo probádaný a málo vyzkoušený. Proto je pro mě zajímavým tématem, ve kterém bych chtěl uvést, jak důležité je využití nových zdrojů, především vodíku a palivových článků a jejich použití v budoucnu. Zaměřil jsem se na popis vodíku jako zdroje, který neznečišťuje prostředí a jeho nahrazením místo fosilních paliv a uvedení jeho výhod a nevýhod. Klíčová slova : vodík, zdroj, energie, palivové články, alternativní

Annotation: In my Bachelor work Hydrogen as alternative power supply where I am focusing on new interesting power supply, which is meanwhile a little explored and proved.. Therefor is for me interesting subject, in which I want to bring in, how important is usage of new sources , above all hydrogen and fuel elements and their utilization in the future. I concetrate on hydrogen description as the source that doesn’t bring any pollution, its substition of

fossil fuels and a presentation of its advantages and

disadvantages.

Key words : hydrogen, power, fuel, alternative

4

Poděkování: Děkuji panu Ing. Martinu Fajmanovi, Ph.D. za metodické vedení a cenné rady, které mi během řešení této práce vždy ochotně poskytoval.

5

Obsah Obsah.................................................................................................................................6 1. Úvod ………………………………………………………………………………….7 2.Vodík ……………………………………………………………………………...8-13 2.1. Historie vodíku…………………………………………………………………13 2.2. Přednosti vodíku ……………………………………………………………….14 2.3. Výroba, skladování a doprava ……………………………………………...14-21 2.4. Čistota vodíku a možnosti jeho čištění ……………………………………..22-23 2.5. Bezpečnostní opatření …………………………………………………………23 2.6. Uplatnění vodíku …………………………………………………………...23-24 2.7 Budoucnost vodíku ………………………………………………………….24-25 3. Palivové články …………………………………………………………………25-26 3.1. Historie palivových článků ……………………………………………………27 3.2. Druhy palivových článků …………………………………………………..27-29 3.3. Uplatnění palivových článků ……………………………………………….29-30 3.4. Palivo do palivových článků …………………………………………………..30 4. Zajímavosti ……………………………………………………………………..31-33 5. Závěr ………………………………………………………………………………..34 Použitá literatura………………………………………………………………………35 Seznam citací ………………………………………………………………………….36 Seznam obrázků………………………………………………………………………..37

6

1. Úvod V 70. letech minulého století si svět začal intenzivně uvědomovat důsledky zvyšující se spotřeby motorových paliv na životní prostředí. V 80. letech se začaly projevovat první pozitivní výsledky spolupráce výrobců pohonných hmot a automobilů zaměřené na negativní ekologické aspekty automobilové dopravy. 90. léta pak představovala období nástupu alternativních paliv. Současné desetiletí přinese praktickou aplikaci velmi sofistikovaných řešení tohoto typu. Studium problémů souvisejících s použitím alternativních paliv a jejich porovnání s klasickými motorovými palivy je velmi zajímavé a současně představuje výzvu pro technology zpracování ropy, automobilové konstruktéry i uživatele motorových vozidel. Tato problematika se nyní velice bouřlivě rozvíjí a hlavními hnacími silami jsou omezené zásoby fosilních paliv, aplikace principů setrvalého rozvoje (problém znečištění vzduchu, změn klimatu) a řešení některých strukturálních otázek hospodářského rozvoje. V současné době, kdy dochází k poklesu zásob fosilních paliv na celém světě se musíme ptát dopředu, jak nahradíme tyto zdroje energie. Tyhle názory se zásadě liší, ale z dostupných zdrojů se můžeme domnívat , že zásoby ropy , zemního plynu a uhlí nám vydrží na nějakých padesát až sto let. I když nové ukazatele říkají , že je dostatek zásob těchto fosilních paliv pod hladinou moří a oceánů a že bychom se neměli bát energetické krize. Avšak můžeme polemizovat , poněvadž tyto prognózy nejsou ještě zdaleka potvrzené. Jelikož celosvětová komika je závislá na těžbě, zpracování a prodeji fosilních paliv, nebude jednoduché tyto zdroje nahradit jinými alternativními zdroji energie, protože všechny ropné mocnosti nebudou tyto změny akceptovat. Už dnes , kdy konečně svět poznává důsledek používání fosilních paliv od dob průmyslové revoluce, jako znečištění ovzduší, ozónová vrstva a dnešní hlavní problém skleníkový efekt, které ovlivňují podnebí a počasí na celém světě. Proto bychom se měli začat ptát, jak těmto změnám a možná i katastrofě předejít. Tím by se měli stát alternativní obnovitelné zdroje energie, jako je sluneční, větrná, vodní energie , ale také energie biomasy a v neposlední řadě nový zdroj energie a tím by se měl stát vodík..Proto bych se chtěl v mé bakalářské práci zaměřit na tento zajímavý zdroj energie, který by mohl nahradit dnešní klasické neobnovitelné zdroje energie. Poněvadž už patříme do Evropské Unie, která počítá s tím, že do roku 2030 by měli všichni členové používat aspoň 1/5 energie z alternativních zdrojů, myslím si, že téma vodíku a jeho využití je správným řešením.

7

1. Vodík Vodík je nejrozšířenější prvek v celém vesmíru a třetí nejrozšířenější prvek na Zemi. Vyskytuje se volně i vázaný ve sloučeninách. Volný vodík se nalézá se např. v plynném obalu hvězd. Na Zemi se volný vodík za běžných podmínek nevyskytuje, a proto je zde vázán jenom ve sloučeninách. Největší množství vodíku je vázáno ve vodě, která pokrývá většinu zemského povrchu, ale je vázán i v různých organických sloučeninách. V přírodě se vyskytuje jako směs tří izotopů: protium (lehký vodík) - 11H deuterium (těžký vodík) - 21H nebo také 21D - obsahuje v jádře jeden neutron tritium - 31H označovaný také jako 31T - v jádře má dva neutrony Je to bezbarvý plyn bez chuti a zápachu, který je lehčí než vzduch. Molekulový vodík je poměrně stabilní a díky vysoké hodnotě vazebné energie také málo reaktivní. S většinou prvků se proto slučuje až za zvýšené teploty nebo za přítomnosti katalyzátorů: H2 + Cl2 -> 2HCl

N2 + 3H2 -> 2NH3

H2 + S -> H2S

2H2 + O2 -> 2H2O + uvolnění energie

Reakce vodíku bývají provázeny uvolňováním tepla (exotermní reakce) a někdy také světelným efektem - hořením. Významné jsou redukční vlastnosti vodíku, které se využívají k výrobě některých kovů z jejich oxidů: CuO + H2 -> Cu + H2O WO3 + 3H2 -> W + 3H2O

Naproti tomu atomový vodík (tzv. vodík ve stavu zrodu) je

velmi reaktivní a reaguje s celou řadou látek již za nízkých teplot. Je to také jako molekulový vodík silné redukční činidlo, ale existuje velmi krátkou dobu a slučuje se na vodík molekulový. Jinak je to typický nekov, který tvoří vodíkové můstky s dusíkem, kyslíkem a fluorem.

8

Ve většině atomů vodíku se jádra skládají pouze z jednoho protonu. Existují i další formy: Proton má kladný (pozitivní) elektrický náboj, elektron má záporný (negativní) elektrický náboj. Neutrony nenesou náboj. Dohromady se náboje protonů a elektronů každého atomu vodíku navzájem zruší tak, že jednotlivé atomy vodíku jsou elektricky neutrální. Atom s jedním elektronem obíhajícím jádro je velmi reaktivní. Z toho důvodu se atomy vodíku samovolně spojují do molekul obsahujících dva atomy vodíku. Aby uspořádání v molekule vodíku nebylo tak jednoduché, každý proton v molekule má pole, které může být vizualizováno a popsáno matematicky jako spin (rotace). Vodíková molekula je tedy složena ze dvou atomů, nicméně mohou existovat dvě modifikace molekul vodíku, paravodík a ortovodík. Tyto dva druhy molekul se liší relativní orientací spinu jednotlivých atomů. Molekuly, ve kterých se nacházejí atomy s opačnými spiny se nazývají paravodík a nacházejí se na nižší energetické hladině, zatímco molekuly, ve kterých jsou atomy se stejně orientovanými spiny se nazývají ortovodík a nacházejí se na vyšší energetické hladině. Vzájemný poměr mezi paraa orto- modifikací závisí na teplotě (viz graf). Rovnovážný stav se vyskytuje při teplotě 88 K, při teplotě 300 K je poměr orto- a para- modifikace 3:1 a vodík v tomto stavu se nazývá normální vodík.

9

Kritická teplota normálního vodíku je -239,96°C. Nad touto teplotou nemůže vodík existovat v kapalném stavu. Použití vodíku v kapalném stavu je proto energeticky a finančně náročné, i přesto se však vodík v kapalném stavu používá, protože má mnohonásobně větší hustotu – při teplotě varu a atmosférickém tlaku 5300000 Pa.. Další možností jak zvýšit hustotu vodíku (důležité pro skladování a přepravu) je použití tzv. Slush (z angl. břečka), což je homogenní směs kapalné a pevné fáze. Pokud je ve směsi 60% pevné fáze, zvýší se hustota oproti kapalnému vodíku o 12%. Vytvořit Slush lze několika způsoby, např. postupným snižováním teploty a zvyšováním tlaku. Vodík v pevném stavu není pro energetickou a technologickou náročnost v průmyslu používán. Experimentálně bylo zjištěno, že pevný vodík při vysokých tlacích vytváří kovovou formu a je supravodivý. Vodík pochází z nejranějšího období vesmíru. Z vodíku byly později ve hvězdách vybudovány všechny ostatní prvky (uhlík, kyslík, ...železo, ...atd.). Atomy uhlíku v naší molekule DNA, vápníkové atomy z nichž je náš kosterní systém, nebo železo v hemoglobinu červených krvinek přenášejících kyslík atd. ... atomy těchto prvků (a všech ostatních biogenních prvků) byly sestaveny z atomů vodíku ve žhavém nitru dávných hvězd. Můžeme proto říci, že jsme vzdálenými potomky hvězd. Základním a původním materiálem, z něhož byl Vesmír postupně budován až po živé organizmy (včetně člověka) byl vodík. Vyskytuje se především ve vodě (jedna devítina hmotnosti vody je vodík, osm devítin kyslík). Představuje 0,15 % hmotnosti kůry zemské. Je třetím nejrozšířenějším biogenním prvkem v biosféře a v biomase. Tvoří přibližně desetinu hmotnosti našeho organizmu. Volný vodík se vyskytuje i v atmosféře, ale v množství (objemově) menším než jedna miliontina (< 1 ppm). Fotony slunečního záření jsou vyzařovány z atomů vodíku. Povrch Slunce se nám zdá bílý - ve skutečnosti však sluneční světlo obsahuje mnoho barev. Barevné fotony jsou vysílány ze slunečního povrchu (= fotosféry) takovým způsobem, že neutrální atomy vodíku zachytávají volné elektrony a tak vznikají záporné ionty vodíku H-. Při zachycení elektron odevzdá svou pohybovou energii vyzářenému fotonu. Rychlosti (a tedy i pohybové energie elektronů jsou různé - podle Maxwellova zákona).

10

Proto mají i vyzářené fotony různou energii. Jinými slovy: povrch Slunce vyzařuje spojité spektrum (jehož barevné fotony jsou rozloženy podle Planckova zákona). Takže můžeme říci: za sluneční záření vděčíme záporným iontům vodíku na povrchu Slunce. Vodíkové sloučeniny najdeme v chladných hvězdách, v mezihvězdné hmotě i na planetách a jejich měsících. Pozoruhodný je zejména měsíc Titan, největší ze Saturnových měsíců. Jestliže se v laboratořích ozáří vzorek Titanovy atmosféry (tj. směsi uhlovodíků a dusíku), vznikne červenohnědý prášek, který byl nazván tholin. Je to neobyčejně složitá organická látka. Ve vodě se rozpouští a uvolňuje aminokyseliny - základní složky bílkovin. Tholin je zřejmě původcem červenohnědého smogu v Titanově atmosféře. Jeho částice zvolna padají

k povrchu. Radarem bylo zjištěno, že

povrch Titanu je zčásti pevný a zčásti pokryt oceánem. Při teplotě - 180 °C je to pravděpodobně oceán tekutých uhlovodíků. Částice tholinu se usazují buď na pevnině, nebo na dně uhlovodíkového moře. Za 4,5 mld. let se musela usadit vrstva tholinu několik set metrů silná vrstva složitých organických molekul; takových molekul, z nichž na Zemi před 4 mld. let pravděpodobně vznikal život. To jsou velmi důležité poznatky a pro jejich ověření vypustily NASA a ESA kosmickou loď Cassini se sondou Huygens na průzkum atmosféry a povrchu Titana. Kovový vodík je hlavní složkou v obřích planetách (Jupiter, Saturn, Uran a Neptun). V jejich nitru, za vysokého tlaku několika mil. atmosfér, se mění v kov. V r. 1973 se to podařilo ruským technikům v laboratoři, za tlaku 2,8 Mbar, přičemž se hustota skokem změnila z 1,08 g.cm-3 na 1,3 g.cm-3. Za pokojové teploty by měl být kovový vodík supravodičem. V nitru Jupitera se za rok přemění vrstva molekulového vodíku silná několik málo centimetrů v kovový vodík. Přitom se Jupiter poněkud smrští a uvolní se energie. Proto Jupiter vyzařuje více energie, než přijímá od Slunce. Základní informace o vodíku ve vesmíru byly získány studiem Balmerovy série, rádiové čáry 21 cm a Lymanovy ultrafialové čáry. Vodík představuje 90 % počtu všech atomů ve vesmíru a dvě třetiny jejich hmotnosti. V atmosférách chladnějších hvězd a v mezihvězdném prostoru je převážná část plynů

11

jako molekulární vodík, H2. Na velmi horkých hvězdách je vodík zcela ionizován, takže nemůže vytvářet žádné spektrální čáry. V mezihvězdném prostoru je velké množství vodíku neutrálního i ionizovaného. (tzv. oblasti H I a oblast H II). V neutrálním základním stavu vysílá zakázanou vodíkovou čáru 21 cm. Její měření přinesla základní poznatky o rozložení a pohybech neutrálního vodíku v naší Galaxii i v řadě cizích galaxií. Vodík je soustředěn především do spirálních ramen galaxií. V ultrafialové oblasti spektra tvoří vodík Lymanovu sérii. Tu lze pozorovat jen pomocí spektrografů na družicích. Ve spektru vzdálených kvazarů se vodík projevuje jako Lymanův les, který přináší informace o vzdálenosti, pohybu a velikosti oblaků mezigalaktického vodíku. Tento vodík v nesmírných prostorách mezi galaxiemi se ještě nezúčastnil stavby hvězd v galaxiích. Je to původní ("panenský") materiál vesmíru, zachovaný po dobu desetimiliard roků. Deuterium Atom s jádrem 2H, který obsahuje v jádře jeden proton a jeden neutron a od běžného vodíku se liší především atomovou hmotností, která činí 2,01363 amu, se označuje jako deuterium. Někdy mu bývá přiřazována i chemická značka D, přestože se nejedná o jiný prvek. Deuterium je stabilní izotop, který nepodléhá radioaktivní přeměně. V přírodě se běžně vyskytuje namísto lehkého vodíku. V průměru připadá na jeden atom deuteria 7 000 atomů normálního vodíku. Ve spojení s kyslíkem tvoří deuterium tzv. těžkou vodu, D2O. Tato sloučenina má významné využití v jaderném průmyslu. Je velmi účinným moderátorem, tedy látkou zpomalující rychlost neutronů. Této vlastnosti se již od druhé světové války využívá v určitém typu jaderných reaktorů k přípravě plutonia z uranu. Německá armáda se za druhé světové války intenzivně snažila vyvinout jadernou bombu na bázi plutonia. V norském Rjukanu existoval průmyslový komplex společnosti Norsk Hydro, vyrábějící těžkou vodu. Spojenci tento komplex zničili operací zvláštních jednotek (bombardování po jeho opravě způsobilo těžké ztráty na životech místních obyvatel, ale továrnu poškodilo jen mírně), přesto se však nacistům podařilo

vyrobit

dostatečné

množství

těžké

vody

pro

další

experimenty.

Dnes je deuterium využíváno také jako účinný stopovač biochemických reakcí. Pokud je na počátku výzkumu distribuce určité sloučeniny v organizmu použita látka, která má

12

atomy vodíku nahrazeny deuteriem, lze vysledovat její cestu biochemickou přeměnou analýzou všech možných vzniklých produktů. Tritium

Jako tritium se označuje vodík 3H, který má jádro složeno z jednoho protonu a 2 neutronů a bývá někdy označován chemickou značkou T. Jeho atomová váha má hodnotu 3,01605 amu.Na rozdíl od deuteria je jádro tritia nestabilní a rozpadá se s poločasem rozpadu dvanáct a půl roku, což je podle deuteria značný rozdíl.

V přírodních podmínkách vzniká tritium především v horních vrstvách atmosféry při kolizi kosmického záření s jádrem atomu deuteria. Uměle je tritium získáváno v těžkovodních jaderných reaktorech při výrobě plutonia z přírodního uranu. Tritium slouží přitom jako jedna ze složek náplně termonukleární bomby, doposud nejničivějšího destrukčního prostředku, jaký člověk vyrobil.

2.1 Historie vodíku Inženýr Cyrus Smith ve Verneově Tajuplném ostrově (1874) rozvíjí vizi, že jednou kapalný vodík a kapalný kyslík získané elektrolýzou vody nahradí pod kotli parníků či lokomotiv uhlí a stanou se nevyčerpatelnými prameny tepla a světla. Spalného tepla vodíku si přírodovědci i technici všimli dávno, ale průmyslově se vodík začal využívat až počátkem 20. století (při svařování či jako hydrogenační a redukční činidlo). První pokusy s využitím vodíku jako paliva pro raketové motory začaly počátkem 50. let a do realizační fáze se dostaly až v polovině 60. let (druhý stupeň nosných raket Atlas Centaur a Saturn 1 a druhý a třetí stupeň rakety Saturn 5). Již r. 1839 zjistil W. R. Grove, že vodík a kyslík mohou v plynovém galvanickém článku poskytovat stejnosměrný elektrický proud. Toto zařízení (palivový článek) dlouhý čas nepřekročilo status laboratorní kuriozity (jednak nebyly odstraněny některé materiálové potíže, jednak se vývoj elektrotechniky zaměřil na střídavý proud). Teprve v 60. a 70. letech 20. století přinesl rozvoj vojenské techniky takovou podobu článku, která se dala využít jako mobilní zdroj elektřiny pro kosmickou a telekomunikační techniku.

13

2.2 Přednosti vodíku Zásoby vodíku ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Vodík má vysokou hustotu energie (vztaženo na jednotku hmotnosti). Z hlediska ochrany životního prostředí je spalování vodíku čistší než spalování fosilních paliv, vznik vody není provázen toxickými sloučeninami ani skleníkovými plyny. Problémem zůstávají oxidy dusíku vznikající ve spalovacím prostoru vodíkového motoru. Jejich množství závisí na přebytku kyslíku, teplotě, tlaku a době zdržení spalin při vysokých teplotách ve spalovacím prostoru. Co se týče exhalací oxidu uhličitého a uhlíkatých sloučenin z vodíkového motoru, ukázaly analýzy, že jsou minimálně o tři řády nižší než u stejně silného motoru spalujícího benzin, naftu či zemní plyn. Všechny exhalace ve vodíkovém motoru přitom pocházejí z tepelného rozkladu motorových olejů ulpívajících na stěnách válců, popřípadě mazacích a těsnicích turbinových olejů. Nelze však opomenout, že z charakteru hoření, které je u vodíku výrazně rychlejší, vyplývá poměrně vysoká, dle provozních podmínek motoru až o řád vyšší koncentrace nenasycených uhlovodíků (zejména benzenu) ve spalinách. "První automobily, které budou dnes narozené děti řídit, budou poháněny vodíkem a nebudou produkovat žádné škodlivé emise."

Prezident Bush

2.3 Výroba, skladování a doprava V průmyslovém měřítku se vodík vyrábí jednak petrochemickými procesy včetně zplyňování uhlí (90 % produkce), jednak elektrolýzou vody. Krom toho je významným vedlejším produktem nebo součástí plynů odcházejících z rafinerií, koksáren a elektrochemických výrob na bázi vodných roztoků anorganických kyselin nebo solí. Se zplyňováním uhlí se samozřejmě nepočítá (zásoby budou vyčerpány). Za perspektivní postupy se považují: elektrolýza vody, termické štěpení vody a zplyňování biomasy, jmenovitě biomasy odpadní.

14

"Vodík se vyrábí elektrolýzou vody, a k tomu je potřebná levná elektřina." "Nebo se vodík vyrábí štěpením zemního plynu a v současné době zemní plyn také není zrovna levnou výchozí surovinou. Při tomto způsobu výroby rovněž pokulhává tvrzení, že vodík nás zbaví závislosti na ropných produktech, ceny zemního plynu jsou totiž s cenami ropy přímo svázány,"

Jiří Gabor

Elektrolýza vody - je ekologicky úplně čistá. Nevznikají při ní skleníkové plyny a kyslík, který se vyrobí zároveň s vodíkem, bude mít dobré průmyslové využití. Tento způsob výroby vodíku lze však chápat jako akumulátor energie. Protože se elektrická energie nedá skladovat, skladuje se zatím obvykle ve formě potenciální energie vody (přečerpávací elektrárny). Výrobou vodíku a jeho dalším spalováním či přeměnou na elektrickou energii palivovými články kdykoli a kdekoli by se dalo velmi úspěšně vyřešit skladování elektrické energie. Potíž je v tom, kde vzít tak obrovské množství levné elektrické energie, aby se vodík stal běžným palivem automobilů apod. Jestliže je např. v Čechách cca 3 000 000 automobilů a v provozu je, dejme tomu, třetina z nich, pak zhruba při 50 kW průměrného výkonu automobilu bude instalovaný výkon: 1 000 000 × 50 = 50 000 000 kW = 50 000 MW. Takový výkon by elektrárny musely mít, to znamená, že bychom potřebovali 26 temelínských elektráren! Velkovýrobny vodíku budou vázány na zdroje energie tepelné (jaderné), elektrické (vodní) nebo solární. Ty nebudou rozmístěny rovnoměrně, proto se bude uvažovat o dálkovém transportu možná i transoceánském a transkontinentálním, přičemž druhý by mohl navazovat na první – zkapalněný vodík lze přepravovat buď v kontejnerech, nebo v říčních tankových lodích. Kontejnerová přeprava bude zřejmě efektivnější, neboť nebude vázána jen na splavné řeky, bude se kombinovat s železniční a silniční dopravou. Přepravní kontejnery umožní i skladování, resp. vyrovnání bilančních výkyvů mezi výrobou, dopravou a spotřebou. Jejich nevýhodou zůstane výbušnost směsi vodíku se vzduchem, tedy riziko výbuchu při netěsnostech systému a při dopravních nehodách. Vedle dálkového transportu zkapalněného vodíku se jistě uplatní potrubní rozvod plynného vodíku, tak jak je to běžné u zemního plynu. Lze očekávat zachování principu rozvodu vodíku vysoko-, středo- a nízkotlakými plynovody. Tím bude zajištěna dosažitelnost vodíku jako nosiče energie jak pro velké, tak pro menší odběratele.

15

Největší zkušenosti se skladováním a použitím vodíku jako paliva mají firmy angažující se v kosmické technice, např. americká firma Lockheed Martin vyrábějící raketoplány. Pro užití mimo kosmickou techniku vyvinula a vyrobila r. 1996 německá firma Linde A. G. kovovou dvouplášťovou nádobu s vakuovaným prostorem mezi stěnami s vnější tepelnou izolací. Předpokládá se, že se k naplnění nádrží kapalným vodíkem buď využijí čerpadla, nebo přepouštění při tlakovém spádu mezi skladovací nádrží a nádrží dopravního prostředku. Prakticky již byl uvedený systém distribuce zvládnut v rámci projektu Solar-Wasserstoff v SRN, kdy trvalo plnění 120litrové nádrže na kapalný vodík u zkušebního vozu BMW-735 pouhých 5 minut. Dnes se v osobních automobilech poháněných zemním plynem místo ocelových tlakových láhví využívají tlakové nádoby z kompozitních materiálů na bázi aramidových nebo uhlíkových vláken a syntetických pryskyřic. Mají při shodném provozním tlaku třetinovou hmotnost, jednodušší konstrukci a nižší cenu. Jejich použití pro stlačený plynný vodík je v principu také možné, ale akční rádius vozidel se oproti použití zkapalněného vodíku sníží. "V blízké budoucnosti nás vodík závislosti na ropných produktech nezbaví, avšak pracovat na vývoji v tomto směru je nutné." "Vodík není energetický zdroj, ale jen nosič energie, na jehož získávání elektrolýzou vody je zapotřebí elektřina. Velmi záleží na tom, z čeho je vyrobena. Opravdu čisté vodíkové hospodářství budoucnosti je založené na výrobě elektřiny z obnovitelných zdrojů, které zároveň snižují závislost na dovážených palivech. Pro jejich široké nasazení ale musíme ještě mnohé udělat,"

Calla Edvard Sequens

Skladování vodíku v plynném skupenství

V případě skladování plynného vodíku se obvykle používají tlaky mezi 40-200 MPa. Zásobníky se vyrábějí z nízkouhlíkové oceli bez použití svaru. Nádoby jsou obvykle v bateriovém uspořádání. Pro vyšší objemy se používají vysokotlaké nádoby (tlaky kolem 100 MPa). Energetická náročnost skladování stlačeného plynného vodíku je nižší než v případě skladování vodíku v kapalné formě. Poměrně vysoké jsou náklady na výrobu vysokotlakých nádrží, stejně jako náklady na kompresi. Přes tuto skutečnost se však jedná o variantu nejčastěji používanou.

16

Další možností skladování vodíku v plynné formě je skladování v podzemních úložištích. Obvykle se jedná o vytěžené solné doly, nebo jeskyně zemního plynu. Tlak skladovaného vodíku se obvykle pohybuje kolem 11 MPa, vyšší tlak se nepoužívá z důvodu možného překročení kapilárních sil udržujících vodu v mikropórech a následného úniku vodíku. Ve světě se tato metoda využívá na několika místech, např. v Amarillo v Texasu (850 mil. m3), ve francouzském Beynes (330 mil. m3), anglickém Billingtonu (2,2 mil m3). Další úložiště se nacházejí např. v Německu a Holandsku.

Obr.1 Vysokotlaké nádoby

Skladování vodíku v kapalném skupenství

Varianta skladování kapalného vodíku je schůdná, je však složitá a energeticky i finančně náročná. Vodík totiž musí být ochlazen pod teplotu varu při požadovaném tlaku (při normálním tlaku je teplota varu -253 °C). Proces ochlazení a komprese při tom znamená ztrátu až 30% energie, uchovávané v kapalném vodíku. Další energie se spotřebovává při přechodu ortoformy vodíku na paraformu (paravodík je stabilnější při nižší teplotě a má nižší entalpický obsah). V neposlední řadě je zapotřebí uvážit náklady na čištění vodíku – všechny plyny kromě helia mají vyšší teplotu varu a proto by při ochlazování zkapalnily a nebo ztuhly. Zvláštní pozornost je zapotřebí věnovat stopovému množství zbytkového kyslíku, jehož koncentrace v kapalném vodíku nesmí kvůli nebezpečí výbuchu překročit hranici 1 ppm. Sečteme-li náklady na proces převedení plynného vodíku do kapalné fáze a náklady na výstavbu tepelně izolovaných

17

nádrží, pak skladování vodíku v kapalné formě se stává finančně velmi náročným procesem.

Obr.2 Dewarovy nádoby

Vzhledem k fyzikálně-chemickým vlastnostem vodíku a s tím souvisejícím nárokům na skladovací zařízení je obvykle kapalný vodík skladován ve vysokotlakých nádržích vybavených tepelnou izolací, nebo v Dewarových nádobách, které jsou vybaveny dvojitou stěnou a vakuovým meziprostorem. Skladování vodíku v hydridech kovů a alkalických zemin

Systémy skladování v metalhydridech jsou založeny na principu snadné absorpce plynu určitými materiály, za podmínek vysokého tlaku a mírných teplot. Tato látky pak uvolňují vodík jako plyn v případě, kdy jsou zahřívány při nízkých tlacích a relativně vysokých teplotách. V podstatě tyto materiály, kovy, nasávají a uvolňují vodík jako „houba“.

Výhoda metal-hydridových skladovacích systémů se soustřeďuje na fakt, že vodík se stává součásti chemické struktury těchto kovů, a proto dále není požadován vysoký tlak nebo kryogenní teplota pro vlastní provoz. Jelikož vodík je uvolňován z hydridů pro použití při nízkém tlaku, jsou hydridy ze své podstaty nejbezpečnější ze všech systémů skladování.

Právě pevný lithium hydrid je nejvážnějším kandidátem na náhradu tlakové nádrže na vodík v automobilech. Problém však je, že místo šedesátilitrové nádrže, která i s palivem váží přibližně 70 kilogramů, je zapotřebí trojnásobně větší a čtyřnásobně těžší 18

zásobník, nemluvě o vysoké ceně lithia a nutnosti jeho regenerace (opětovné nasycení vodíkem). Dosavadní praktické zkušenosti s tímto způsobem skladování vodíku pocházejí většinou z kosmických programů. Další metody skladování vodíku

Mezi další alternativní metody skladování patří např. skladování ve formě amoniaku (NH3), skladování vodíku ve skleněných mikrokapslích, apod. Dosud se tyto metody nevyužívají. Skladování energie v podobě vodíku zkoušejí v pilotním provozu na norském ostrově Utsira. Větrná elektrárna vyrábí 2 x 600 kW elektrické energie, z níž část se využívá k elektrolytické výrobě vodíku. Za bezvětří pak generují proud palivové články. Pozoruhodným příkladem využití vodíku je výroba amoniaku na Islandu. Tato země se nejspíš stane první vodíkovou ekonomikou světa. Má k tomu oba základní předpoklady: fosilní paliva jsou tam drahá (musí je dovážet) a elektrická energie (z geotermálních a vodních elektráren) je naopak velmi levná. Dosud se export přebytku elektrické energie řeší výrobou a exportem amoniaku. Přeprava vodíku Jediným způsobem, kde cena představuje jen zanedbatelnou položku v celkových nákladech na provoz systému dopravy jednotlivých paliv, je převoz kontejnerů s jaderným palivem. Druhým nejlevnějším způsobem je doprava ropy, ať už ropovodem nebo v tankerech. Převoz uhlí je už dražší - a ještě dražší je doprava zemního plynu, ať plynovody nebo v zkapalněném stavu pomocí tankerů. To vysvětluje, proč se při těžbě ropy na Aljašce ve Spojených státech amerických zemní plyn vhání zpět pod zem. Elektrická vedení vycházejí - možná překvapivě - jako ještě dražší. Elektrárny se proto stavějí tak, aby se většina vyrobené elektřiny spotřebovala v okruhu asi 150 kilometrů a dálková vedení slouží pouze k vykrývání dočasné nerovnováhy mezi výrobou a spotřebou.

Doprava vodíku je ještě dražší. Důvodem je hlavně to, že vodík má asi jen třetinovou výhřevnost na jednotku objemu oproti zemnímu plynu. Jinými slovy, k přesunu stejného množství energie je třeba dopravit trojnásobně víc vodíku než zemního plynu.

19

Vodík je možno přepravovat buď pomocí dálkových plynovodů a nebo uskladněný v tlakových nádobách.

Přeprava plynovody

Přeprava plynovody se realizuje v případě kumulace mnoha výrobců a spotřebitelů v jedné lokalitě. Ve světě existuje několik i poměrně rozlehlých sítí, nejvýznamnější je asi v Německu, celková délka této sítě je přes 200 km. Provozní tlak této sítě je 2,5 MPa, přepravní kapacita sítě je 50 mil. m3 za hodinu, potrubí má průměr 20 cm a je umístěno metr nad zemí, provozní ztráty se pohybují kolem 1%. V USA (Texas) funguje síť dlouhá 96 km s podobnými parametry. Další menší sítě existují např. i ve Francii, Velké Británii i v jiných státech. Celkem na světě pracuje přes 1000 km vodíkových plynovodů.

Obr.3 Vodíkové plynovody

Největší problémy v tomto případě způsobuje vodíkové křehnutí a vodíková koroze materiálu a požadavky na těsnost zařízení (kvůli velké difuzivitě vodíku). Přeprava v tlakových nádobách

Přeprava v tlakových nádobách může probíhat v plynném nebo v kapalném stavu. Tento způsob přepravy je finančně nákladný a je používán nejčastěji pro občasné odběratele. 20

Pro přepravu vodíku v plynném stavu se používá bateriových vozů s tlakem nejčastěji 20-60 MPa.

Obr.4 Bateriový vůz

Pro přepravu v kapalném stavu se tradičně používají dvouplášťové vakuové zásobníky. Kvalita izolace musí být taková, aby vodík v kapalném stavu vydržel po dobu několika dní. Zásobníky obvykle mají objem 60 m3 a jsou vyprazdňovány tlakováním (řízeným odpařováním). Přeprava kapalného vodíku je vhodná pro středně velké odběratele (tisíce m3 denně). V Evropě se tento způsob přepravy používá např. ve Francii - 10t/den, Německu - 3t/den a Holandsku - 5t/den.

Obr.5 Dvouplášťový přepravník

21

2.4 Čistota vodíku a možnosti jeho čištění Jedním z nejdůležitějším parametrem kvality technického plynu je jeho čistota, případně množství nečistot, které jsou v něm obsaženy. Distribuované technické plyny se obvykle dodávají ve dvou kvalitách. Běžně dodávaný plynný vodík má čistotu 3.0 nebo 4.0. Vodík zvláštní čistoty bývá je obvykle označován obchodními názvy a je dodáván v čistotě 4.5 – 7.0. Číslo před tečkou označuje počet devítek v procentuální hodnotě a číslo uváděné za tečkou odpovídá hodnotě na posledním desetinném místě. zbytkové nečistoty v ppm zbytkové nečistoty v % označení čistota plynů 2.0 99,0 % 10000 ppm 1% 3.0 99,9 % 1000 ppm 0,1 % 3.5 99,95 % 500 ppm 0,05 % 4.8 99,998 % 20 ppm 0,002 % 5.0 99,999 % 10 ppm 0,001 % 5.5 99,9995 % 5 ppm 0,0005 % 7.0 99,99999 % 0,1 ppm (100 ppb) 0,00001 % Nejběžnějšími nečistotami, které se ve vodíku vyskytují jsou: vodní pára, kyslík, dusík, CO, CO2 a uhlovodíky. V praxi se nejčastěji využívá čištění pomocí molekulových sít nebo vymražování. Pro čištění vodíku však byla vypracována řada dalších metod, nejčastěji se používají tzv. suché způsoby čištění. Při vyšších teplotách lze k tomu využít některé kovy (1000°C – Ti, Zr, Mo, 800°C – Cu). Další možností je využít katalytické aktivity některých kovů nebo sorpce při nízkých teplotách. Nejčistší vodík lze připravit filtrací trubicí z kovového paladia, které je při teplotě 350°C prostupné pouze pro vodík. Chlazené sorbety Metoda je založena na hluboké chlazení pevných sorbentů, jimž čištěný plyn prochází. Výhodou této metody je, že umožňuje odstranit různé nečistoty najednou. Měděné čističe Tyto katalyzátory obsahují CuO na vhodném nosiči. Protože se katalyzátor při provozu vyčerpá , je nutné ho znovu redukovat. Provozní teplota a účinnost je závislá na získání jemnozrnného CuO a na způsobu redukce.

22

Chromniklové čističe Katalyzátor bývá nejčastěji nanesen na SiO2, Al2O3 a Cr2O3. Nejčastěji se používá pro zachycování kyslíkových nečistot, k zachycování stop sirných sloučenin a odstraňování acetylenu. Paladiové čističe Největší katalytickou aktivitu vykazuje Pd, které se používá především pro snížení obsahu kyslíku ve výstupním proudu. Reakce probíhá při pokojové teplotě a tlaku, čištění může probíhat nepřetržitě a katalyzátor není pyroforický. Katalyzátor není potřeba regenerovat, protože obvykle ve výstupním proudu nejsou obsaženy katalytické jedy (síra, fosfor, arsen, organická rozpouštědla, páry kyselin a louhů, oleje apod.)

2.5 Bezpečnostní opatření Výbušnost směsi vodíku se vzduchem vyžaduje přísná bezpečnostní opatření ve všech prostorách, kde se s vodíkem manipuluje, zejména pak v těch uzavřených. Bezpečnostní pravidla (přísnější než pravidla pro manipulaci s benzinem a naftou) se budou vztahovat i na prostory pro řidiče a pasažéry dopravních prostředků poháněných vodíkovými motory. Nízká hustota vodíku oproti vzduchu vyvolává intenzivní promíchávání směsi plynů, a tím rychlý vznik velkého objemu výbušné směsi v širokém rozmezí koncentrací. Lidskými smysly nelze únik vodíku do atmosféry poznat (ani při použití odorizačních prostředků). Bude nevyhnutelné používat detektory hořlavých plynů, které jsou schopny registrovat již 10 % dolní meze výbušnosti směsi vodíku se vzduchem. Mohou být připojeny na optickou a akustickou signalizaci, popřípadě mohou blokovat chod zařízení pracujících s vodíkem (motory, kompresory, čerpadla a zkapalňovací stanice, odpařovače) nebo startovat havarijní ventilaci ohrožených prostor. Významný nástup vodíku jako nosiče energie – paliva – lze proto očekávat až v „postupném věku“.

2.6 Uplatnění vodíku Po přechodnou dobu může vodíku jako nosiči energie konkurovat metanol, biopaliva z obnovitelných zdrojů a plynná paliva, především zemní plyn a bioplyny S rostoucím nedostatkem uhlíkatých surovin a důrazem na produkci potravin bude jejich význam klesat. 23

Využití vodíku jako paliva bude zajímavé pro proudové letecké motory. Ty mají měrnou spotřebu paliva na tunokilometr nebo osobokilometr nejvyšší (přibližně třikrát až pětkrát vyšší proti např. silničním motorovým vozidlům) a jejich relativní podíl na ceně přepravy je vysoký. Odhaduje se, že do r. 2030 vzroste cena jejich současného paliva (kerosinu) zhruba pětkrát. Proto se v posledních deseti letech známé letecké konstruktérské firmy (Tupolev, Daimler-Benz Aerospace, Dornier, Airbus Aerospace aj.) a firmy se zkušenostmi v kryogenní technice (např. Linde A. G.) zabývají vývojem motorů, palivových nádrží a letounů poháněných vodíkem. Již r. 1988 se zkoušel vodíkový tryskový motor na dopravním letounu TU-154 (vzlétl pod typovým označením TU-155).

2.7 Budoucnost vodíku Hlavní výhodou vodíku jako paliva je čistota spalování. Pokud se vodík použije v motorech s vnitřním spalováním nebo v palivových článcích, vznikne tepelná, mechanická či elektrická energie a neškodný produkt – voda. Nevznikne odpadní CO2 ani další složky, které jsou průvodním jevem při spalování jakékoliv tuhého, kapalného nebo plynného uhlovodíkového paliva. CO2 je hlavní složkou skleníkových plynů a vodíkové hospodářství by především mělo omezit jejich tvorbu. Petrochemické procesy - představují 90 % výroby vodíku. Vstupem je uhlovodíkové palivo a tepelná energie, výstupem čistý vodík , CO2 a další, méně podstatné složky. Jestliže tímto způsobem budeme vodík využívat pro pohon automobilů, letadel nebo lokomotiv, v globálním měřítku to nebude mít na omezení skleníkových plynů velký vliv. Navíc to bude dražší, než když původní uhlovodíkové palivo spálíme v automobilech rovnou. Rozdíl je v distribuci skleníkových plynů: Buďto bude jeden velký komín v jedné lokalitě produkovat ve velkém CO2 a všechny automobily budou jezdit bez emisí skleníkových plynů, nebo budou miliony malých výfuků optimalizovaných automobilů produkovat skleníkové plyny plošně na celém území (současný stav). Několik firem již úspěšně testuje automobily s palivovými články a elektromotory. Nejúspěšnější z nich používají běžné uhlovodíkové palivo (benzin apod.), které se přímo na palubě mění na vodík pro palivové články – a odpadem je opět CO2. Nabízí se otázka, není-li jednodušší použít benzin rovnou pro konvenční

24

optimalizovaný spalovací motor – účinnost přeměny energie je v obou případech dosti podobná. "Je to klíčová akvizice. Argentina je spolu s Brazílií světovou špičkou v zavádění pohonu na zemní plyn a vodík, už dnes tam v součtu jezdí dva miliony aut na zemní plyn," "Otevře se nám cesta zejména pro další zakázky v energetice, stavbě lodí a službách inženýringu. V roce 2010 bude podnik připraven vyrábět nádoby pro vodíkový program světových automobilek,"

Jan Světlík. Vítkovice Holding

"EU se v příštích pěti letech chystá věnovat na výzkum vodíku 250 až 300 milionů eur. Je nutné část peněz získat do Česka a utratit je zde za vědu, výzkum a propagaci," Vojtěch Razim ze společnosti Societas Rudolphina.

3. Palivové články Palivový článek je elektrochemické zařízení, uskutečňující přímou přeměnu chemické energie vodíku a kyslíku na energii elektrickou, vodu a teplo. Tato přeměna se děje katalytickými reakcemi na elektrodách a je v podstatě založena na obráceném principu elektrolýzy vody. Palivový článek se skládá z elektrolytu (žlutá barva), elektrod (modrá barva) a elektrického okruhu. Elektrolyt musí být iontově vodivý, v našem případě se jedná o proton vodič. Pro elektrický proud musí být dielektrikem, elektrony tedy propouštět nesmí. Vodík je přiváděn k anodě, na které se katalyticky štěpí na protony a elektrony. Protony přechází elektrolytem ke katodě, zatímco uvolněné elektrony přechází vnějším vedením a produkují elektrický proud. Ke katodě je přiváděn kyslík, který zde katalyticky reaguje s prostoupenými protony a elektrony za vzniku vody. Na obou elektrodách vzniká potenciální rozdíl kolem jednoho voltu, který při zatížení článku poklesne obyčejně na hodnoty 0,5 – 0,8 V. Aby bylo dosaženo potřebného vyššího napětí, jsou desítky cel sériově uspořádány do jednotlivých svazků stavebnicovým způsobem. Jednotlivé svazky mohou být opět libovolně propojovány sériově nebo paralelně podle požadavků na výstupní napětí a proud.

25

Obr.6 Palivový článek

Obr.7 Funkce palivového článku 1

26

3.1 Historie palivových článků Princip palivového článku byl objeven už v roce 1838 Christianem Friedrichem Schönbeinem. Poprvé byl zkoušen anglickým badatelem Williamem R. Grovem v roce 1839. Rozvoj v této oblasti nastal až kolem poloviny 20. století v důsledku snah najít alternativní zdroje pro vesmírné lety Gemini a Apollo. Nicméně, i tyto snahy byly zpočátku neúspěšné. Až roku 1959 předvedl Francis T. Bacon první plně fungující palivový článek. Palivové články s polymerním elektrolytem (PEMFC – Proton Exchange Membrane Fuel Cells) byly poprvé použity společností NASA v roce 1960 jako součást vesmírného programu Gemini. Tyto palivové články používaly jako reakční plyny čistý kyslík a čistý vodík.

3.2 Druhy palivových článků Palivové články rozdělujeme na tyto druhy: 1) Alkalické palivové články (AFC)

2) Palivové články s polymerním elektrolytem (PEMFC)

3) Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC)

4) Palivové články s roztavenými karbonáty (MCFC)

5) Palivové články s tuhými oxidy (SOFC)

6) Přímomethanolové palivové články (DMFC) 1) Alkalické palivové články pracují při teplotě 100°C a používají elektrolyt ve formě roztoku KOH. Jsou velice citlivé na čistotu vodíku i kyslíku, což jejich provoz zdražuje natolik, že se používají jen tam, kde je k dispozici elektrolyticky získaný vodík a kde nerozhodují náklady na jeho získávání. (vojsko, vesmírná a podmořská zařízení) V alkalických palivových článcích slouží hydroxid draselný v koncentraci mezi 3 a 50

27

hmotnostními procenty jako elektrolyt. Jako palivo je použít čistý vodík jako redukční palivo může být použit jen čistý kyslík. Elektrody jsou zpravidla vyrobeny ze spékaného práškového niklu s přísadou uhlíku. Alkalické palivové články jsou nejlépe prozkoumané a nejvíce používané typy. Alkalické články se během osvědčily zejména v zařízeních pro kosmický výzkum, mají energetickou vydatnost a značné množství vody. Nevýhodu jsou pořizovací náklady, v nichž hlavní roli hraje cena elektrod.

2) PEMFC-články obsahují místo tekutého elektrolytu polymerní membránu dovolující průchod jen protonům vodíku. Pracují při teplotě nižší než články AFC a sice 60 až 80°C.

V současné době jsou středem pozornosti výrobců automobilů, neboť

vzhledem k hustotě výkonu větší jak 0,3 Watu na cm2 nalézají uplatnění především při konstrukci E.V.(Electro-Vehicles), tedy elektromobilů. Jsou citlivé na čistotu dodávaného vodíku, velké množství nečistot nepříjemně snižuje účinnost článku. Do kategorie této skupiny palivových článků patří zatím nejúspěšnější varianty pro pohon E.V., např. NECAR-4 fy DAIMLER CHRYSLER používající kapalný vodík v kryoskopické nádrži od kanadské společnosti Ballard. 3) Palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) pracují při vysoké teplotě 160 až 220°C a využívají jako paliva methan a vzdušný kyslík, přičemž methan se musí před použitím zpracovávat na procesní plyn s obsahem cca 80% vodíku. Elektrická účinnost je nižší, dosahuje asi 42% Tento typ článků je možné využít pro budování blokových kogeneračních elektráren, kde se účelně využívá i odpadního provozního tepla. V Japonsku je v provozu bloková kogenerační elektrárna s výkonem 11 MW. Palivové články s kyselinou fosforečnou obsahují vysoce koncentrovanou kyselinu fosforečnou, v podobě gelu. Elektrodový katalyzátor se skládá z platiny, na elektrodách probíhá stejná reakce jako u polymer-elektrolytového článku. Pracovní teplota palivového článku kyseliny fosforečné je asi 200 °C. palivových článků mají četné výhody:

28

Tepelná ohřívací zařízení na základě

■ dosahují elektrické účinnosti asi 40% při současné termické účinnosti přibližně 49% ■ velmi rychle v několika minutách lze reagovat na změnu výkonu ■ průběh souhlasu pro blokovou elektrárnu s palivovými články je jednoduchý, neboť toto

zařízení je menší a výfukové emise jsou značně nižší

4) Palivové články s roztavenými karbonáty (MCFC) pracují při velmi vysoké provozní teplotě 650°C, přičemž odpadá před úprava zemního plynu. Solné taveniny ve funkci elektrolytu jsou však značně agresivní a vyžadují konstrukční materiály s vysokou antikorozní schopností. Tento typ článku pracuje s vysokou účinností (až 60%). Opět se využívají jako kogenerační jednotky s vysokým výkonem od 250kW až 2 MW.

5) Palivové články s tuhým elektrolytem keramické povahy označované jako SOFC mají nejvyšší provozní teplotu (ta dosahuje až 1000°C). Elektrická účinnost dosahuje 75%. Tento typ článku je zatím nejmladším typem palivových článků a je určený nejen pro kogenerační jednotky elektráren, ale i pro krytí spotřeby tepla a elektřiny malých objektů.

6) Přímomethanolové palivové články (DMFC) využívají paliva ve formě methanolu přímo. Na anodě dochází k oxidaci přes několik reakčních mezistupňů, které výrazně zpomalují reakční rychlost s porovnáním s vodíkem. K anodě se přivádí vodný roztok methanolu, od molekuly methanolu se odtrhávají volné elektrony, vznikají vodíkové kladné ionty a uvolňuje se volný CO2.

3.3 Uplatnění palivových článků Palivové články se mohou uplatnit ve všech oblastech lidské činnosti. Nejvýhodnější použití palivových článků je při přímé výrobě elektrické a tepelné energie, tedy namísto současných elektráren a tepláren. Jsou šetrné k životnímu prostředí díky snadnému využívání odpadního tepla při výrobě elektrického proudu, využitelného pro ohřev budov a výrobu horké vody. Jejich tepelný výkon, je přibližně stejný nebo o něco vyšší

29

než výkon elektrický, takže celková účinnost využití paliva při výrobě energií dosahuje až 80 %.

Obr.8 Zapojení palivového článku

3.4 Palivo do palivových článků Palivem do palivových článků může být vodík v plynném nebo kapalném stavu, dále nepřímá, vodík obsahující paliva. Z nich je vodík uvolňován tzv. reformovacím procesem. Mezi nejvýznamnější nepřímé zdroje vodíku patří zemní plyn, metan, propan a metanol, případně etanol.

30

4. Zajímavosti Vodíkové ponorky Právě palivové články zvítězily ve výběrovém řízení německého námořnictva. Společnost Howaldtswerke-Deutsche Werft AG (HDW) nejprve zabudovala celý systém do ponorky U1 (třída 205). Její úspěšné testy vedly v roce 1995 k podpisu smlouvy, podle níž budou do roku 2006 dodány čtyři ponorky třídy 212A. První z nich (U31) byla spuštěna na vodu v roce 2002 . Další dvě ponorky typu 212A staví loděnice Fincantieri pro italské námořnictvo. HDW už navíc vyrábí první plavidlo zcela nové třídy 214 pro námořnictvo Řecka, další tři budou zhotovena v řeckých loděnicích a tři kusy postaví Hyundai Heavy Industries pro jižní Koreu (ATM 10/2003). Řecko má navíc zájem o instalaci palivových článků do tří svých starších ponorek třídy 209. S palivovými články počítá také Kanada. Čtyři ponorky třídy Victoria (původně britská třída Upholder) by měly obdržet vodíkové moduly od koncernu Ballard Power Systems. Ruská společnost Rubin vyvinula obdobný systém Kristall-27E, který je určen pro nové ponorky Projektu 636 (kód NATO Improved Kilo), případně jím lze doplnit starší plavidla Projektu 877 (kód NATO Kilo). Otázkou ovšem je, zda si ruské námořnictvo může tak nákladný systém dovolit.

Obr.9 Ponorka třídy Victoria

Vodíková auta Dva největší světoví výrobci vozů a ostří soupeři na automobilovém trhu, americká General Motors (GM) a Toyota, jednají o urychlení společného výzkumu převratné technologie pohonu aut na bázi vodíku napsala včera agentura Bloomberg.

31

Palivové články umožní výrobu vozů, které jsou poháněny elektrickým motorem a nepoužívají benzín či naftu. Jsou ekologicky naprosto čisté, neboť emitují pouze vodu, která

vzniká

slučováním

vodíku

s

kyslíkem

z

ovzduší.

Dohoda

obou

obřích automobilek, nazvaná Projekt Apollo, má soustředit výzkum a vývoj tohoto revolučního pohonného systému do Spojených států. A zřejmě vyústí i v založení společných závodů na výrobu vodíkových motorů. GM plánuje komerční využití palivových článků kolem roku 2010.

Obr.10 Toyota s vodíkovým pohonem

Požární automobil na palivové články Městký záchraný sbor v Sacramentu získal požární vůz Mercedes-Benz F-Cell, který je poháněn palivovými články. Tento automobil obsahuje i řadu vylepšení běžného modelu.

Hasičský Mercedes-Benz F-Cell je poháněn pohonným systémem společnosti Ballard Power Systems. Palivové články jsou zabudovány v podvozku automobilu. Dojezd voziudla je 160 km, maximální rychlost 137 km/h. Zrychlení z 0 na 100 km/h však zabere dlouhých 16 sekund.

32

Obr.11 Požární vůz

Zajímavý je systém skladování vodíku ve vozidle. Ten je uložen v plynné formě v odlehčených hliníkových nádobách obalených uhlíkovými vlákny. Tyto nádoby zvládnou tlak vyšší než 80 MPa.

Obr.12 Tlaková nádoba

33

6.Závěr Vodík jako alternativní zdroj energie a jeho využití je v dnešní době velkou neznámou, poněvadž tahle technologie je zatím jen ve stádiu testování, a proto bude ještě trvat, než se začne využívat ve větší míře. Už dnes se začali pokoušet nejlepší vědci o to, jak nejlépe využít energie vodíku, ale zatím je pořád těžké a hlavně finančně náročné získat vodík. Také jeho přeprava není jednoduchá a motory , které jsou navrženy na použití vodíku jsou stále ještě neekonomické, proto soudím, že benzínové a naftové motory ještě dlouho na našich silnicích vydrží. Ale pokud se technologie zlevní a bude pro spotřebitele ekonomická , potom můžeme počítat s tím, že klasické motory budou nahrazeny a konečně nebudou znečišťovat ovzduší, jelikož vodík jako palivo je k přírodě velmi šetrný. V některých zemích Evropské unie už začínají do této problematiky velice dobře pronikat a už jsou na trhu některé prototypy automobilů, ale i některých jiných dopravních prostředků, avšak než budou postaveny čerpací stanice, které budou na bázi vodíku, může to trvat i pár desetiletí. Avšak většina zemí, jejichž ekonomika je závislá na fosilních palivech, se nebude chtít přizpůsobit, přesto si myslím, že využití vodíku, ale i jiných alternativních zdrojů energie je jednou z nejdůležitějších věcí s kterými se dnes musí člověk vypořádat. Jak je nám známo klasické spalovací motory neúnosně znečišťují ovzduší, a to nejen oxidem uhelnatým, ale i jinými zplodinami, navíc dochází k vyčerpávání zásob na celém světě. Proto je důležité se zaměřit na jiný druh energie, který nebude ovlivňovat naše už tak narušené životní prostředí. Jelikož spotřeba energie celosvětově roste je pro mě využití vodíku nejlepší alternativou pro pohon motorů do budoucna, jako čistý zdroj energie.

34

Použitá literatura: (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) (8)

H2web [online] http://vodik.czweb.org/index.php Chemie [online] http://chemie.qsh.cz/vodik.php Referáty [online] http://ereferaty.blog.cz/0604/vodik Vodík a jeho sloučeniny [online] http://protiproud.wz.cz/_chemie/vodik.htm Citace ohledně vodíku a jeho budoucnosti [online] http://stilous.blog.cz/0701/zbavi-vodik-svet-zavislosti-na-rope Bush a jeho prognóza [online] http://douglas.blog.cz/0701/je-vodikekologicky Zajímavá témata [online] http://www.revprirody.cz/data/1005/vodik_benzin.htm Palivové články [online] http://www.cng.cz/www.cng.cz/zemni_plyn/alternativni_pohonne_hmoty/vo dik_palivove_clanky.html

35

Seznam citací Prezident Bush …………………………………………………. Přednosti vodíku str. 14 Jiří Gabor…………………………………………………………...Výroba vodíku str.15 Calla Edvard Sequens………………………………………………………..Paliva str.16 Jan Světlík ( Vítkovice Holding ) ……………………………..Budoucnost vodíku str.25 Vojtěch Razim ( Societas Rudolphina ) ………………………Budoucnost vodíku str.25 (http://stilous.blog.cz/0701/zbavi-vodik-svet-zavislosti-na-rope)

36

Seznam obrázků: Obr.č.:

Název:

1............................................Vysokotlaké nádoby 2............................................Dewarovy nádoby 3............................................Vodíkové plynovody 4............................................Bateriový vůz 5............................................Dvouplášťový přepravník 6............................................Palivový článek 7............................................Funkce palivového článku 8............................................Zapojení palivového článku 9............................................Ponorka třídy Victoria 10..........................................Toyota s vodíkovým pohonem 11..........................................Požární vůz 12..........................................Tlaková nádoba

37