Dopravní fakulta Jana Pernera, Univerzita Pardubice III. ročník (obor DMML) Kohoutková Zdeňka 21. 8. 2004 Název práce: Vliv typů motorů na životní prostředí - motory na vodíkový pohon
Prohlášení: Prohlašuji, že předložená práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracovala samostatně. Literaturu další zdroje, z nichž jsem při zpracování čerpala, v práci řádně cituji. Anotace: Tato semestrální práce se zabývá v širší souvislosti vlivem vodíku na životní prostředí, jeho výrobou a využitím jako pohonu v automobilovém průmyslu. Klíčová slova: vodík, vodíkový pohon, hybridní pohon, methanol, hydridy, hydráty, voda, elektrolýza vody, palivové články.
1
Obsah Úvod ........................................................................................................................................... 3 1. Vývoj v automobilovém průmyslu..................................................................................... 4 1.1 Hybridní pohon .......................................................................................................... 4 1.2 Auta na vzduch........................................................................................................... 4 1.3 Vodíkový pohon......................................................................................................... 4 1.3.1 Vývoj vozidel ..................................................................................................... 5 2. Vodíkový pohon................................................................................................................. 6 2.1 Přehled využití vodíku v datech ................................................................................. 6 2.2 Vodík.......................................................................................................................... 6 2.2.1 Vlastnosti vodíku................................................................................................ 7 2.2.2 Příprava vodíku .................................................................................................. 8 2.2.3 Výroba vodíku.................................................................................................... 8 2.2.4 Použití vodíku .................................................................................................... 8 2.2.5 Sloučeniny vodíku.............................................................................................. 9 2.2.6 Hydridy............................................................................................................... 9 2.3 Voda ........................................................................................................................... 9 2.3.1 Fyzikální vlastnosti vody ................................................................................... 9 2.3.2 Chemické vlastnosti vody .................................................................................. 9 2.3.3 Hydráty............................................................................................................. 10 2.3.4 Čistota vody a její význam ............................................................................... 10 2.3.5 Reakce vodíku .................................................................................................. 10 2.3.6 Kdo a jak bude vodík vyrábět. ......................................................................... 11 2.3.7 Petrochemické procesy..................................................................................... 11 2.3.8 Elektrolýza vody .............................................................................................. 11 2.3.9 Výroba, doprava a skladování.......................................................................... 12 3. Vodík jako předpokládané palivo budoucnosti................................................................ 13 3.1 Palivové články ........................................................................................................ 13 3.1.1 Co je palivový článek? ..................................................................................... 14 3.1.2 Výhody a problémy.......................................................................................... 15 3.2 Využití ve spalovacích motorech ............................................................................. 15 3.2.1 Některé další problémy vodíku: ....................................................................... 16 3.3 Evropa sází na vodík ................................................................................................ 17 3.3.1 Počítačové modely varují ................................................................................. 17 3.3.2 Přehnané obavy? .............................................................................................. 17 4. Praktické uplatnění........................................................................................................... 19 4.1 Islanďané začínají jezdit na vodík............................................................................ 19 4.2 Vozidla s vodíkovým pohonem................................................................................ 19 4.3 Příliš drahý projekt ................................................................................................... 20 4.4 Čerpací stanice ......................................................................................................... 20 Závěr......................................................................................................................................... 21 Použité informační zdroje: ....................................................................................................... 22
2
Úvod Obavy ze stále většího znečišťování Země rostou, postupně dochází k vyčerpávání zásob fosilních paliv. Je nutné hledat nová paliva, nové zdroje energie. Jednou z možností, jak danou situaci řešit, je využití vodíkového pohonu. Vodík je prvek s vlastnostmi velmi příznivými pro životní prostředí. Jeho spalováním vzniká voda, jde o bezemisní zdroj energie. Nástup tohoto druhu pohonu výrazně ovlivní další vývoj dopravy a energetiky vůbec.
3
1. Vývoj v automobilovém průmyslu Je tomu již 119 let co Gottlieb Daimler a Carl Benz vybavili první benzínový "kočár bez koní" motory své vlastní konstrukce. Tento vynález se ukázal jako naprosto nadčasový i v době pádivého pokroku ve většině oblastí naší lidské společnosti. Auto se začlenilo víc než jiné věci, které každodenně používáme. Stalo se i jistým společenským doplňkem jako symbol bohatství. Zřejmě právě z těchto důvodů a nadšení každé generace mladých kluků je jeho vývoj veden převážně v jakémsi konzervativním duchu. Obrovská poptávka ve společnosti upřednostňující převážně individuální dopravu zajišťuje automobilkám odbyt i při minimálních inovacích. Kříží se zde politika maximálního zisku při minimálních výdajích s potřebou vývoje nových řešení v oblasti osobních dopravních prostředků.
1.1
Hybridní pohon
Hybridní pohon: kombinace elektrického a spalovacího motoru. Nejdále je v tuto chvíli automobilka Honda se sériově vyráběnými modely s hybridním (elektro-spalovacím) pohonem. Průkopníkem se stal typ Honda Insight roku 1999. Výhoda elektromotoru v městském provozu spočívá v okamžitém startu a lepším zrychlení vozu bez vysoké zátěže motoru. S tím souvisí i jedna z funkcí řídící jednotky, tj. vypnutí motoru okamžitě po zastavení vozu a vyřazení rychlosti. Motor se opět nastartuje při zařazení rychlosti, ale to už je auto rozjeté pomocí elektromotoru. Také odpadla problematika malé výdrže akumulátorů, které jsou zde dobíjeny za jízdy např. při brždění nebo při volném chodu motoru. Zároveň elektromotor vypomáhá při akceleraci, což je znát zvláště při nižších rychlostech. Všechny funkce motoru jsou řízené kontrolní jednotkou a není potřeba jakýkoliv zásah uživatele. Na palubní desce jsou umístěny ukazatele aktuálních otáček motoru, dobíjení baterií, činnosti elektromotoru i aktuální spotřeby benzínu. Při řazení také napovídá počítač podle zátěže a otáček motoru, signalizuje ideální chvíli řazení. Karoserie je provedena z uhlíkových kompozitů, čímž se povedlo snížit hmotnost, ta činí i s akumulátory 960 kg. Její celkovou úpravou, při níž se bral ohled hlavně na odpor vzduchu, byly dosaženy další úspory. Spotřeba vozu se pohybuje kolem 3,5 litru benzínu v kombinovaném provozu při výkonu obvyklém pro automobily se spotřebou o 100 až 150 % vyšší. Zkušený řidič může dosáhnout spotřeby až 2,6l/100 km. V těchto letech však se již hybridní pohon uplatňuje v nových modelech Toyota Prius a Honda Civic.
1.2
Auta na vzduch
Další velmi zajímavou formou pohonu je nový motor, který ve Francii vyvinul inženýr Guy Negr. Využívá jakékoliv rozpínání v objemu válce, tedy jak spalování tak rozpínání stlačeného plynu. Podobný pohon známe z železničních souprav v dolech. Zde se však povedlo motor přizpůsobit silničním podmínkám a připravit výrobu vozidla na stlačený vzduch s výkonem srovnatelným se současnými automobily stejné kategorie. Model firmy MDI na nádrž s 50litry zkapalněného vzduchu dojede zhruba 300 km a to rychlostí až 130 km/h. V současné době se opět jedná o postavení první série jako údržbářská vozidla pro španělská města. Cena u těchto automobilů by měla být velmi zajímavá odhaduje se 8 000 až 10 000 $. Tankování je řešeno buď u stanice se stlačeným vzduchem (naplnění nádrží během 3 minut) nebo zabudovaným kompresorem (při zapojení na 220V doba nabíjení 4 hod.).
1.3
Vodíkový pohon
Auta fungují na principu reakce vodíkových elektronů a kyslíku z ovzduší za vzniku vody, tepla a elektrického proudu. Hlavní výhodou je naprostá čistota tím, že nedochází ke spalování a nevznikají žádné exhalace. V tomto směru je opět velmi daleko Honda. Oproti 4
automobilkám Mercedes, BMW, Lancia, Ford, Toyota, Opel, Renault už tato auta vyrábí a dodává pro americký trh. Celkově však přechod na nové palivo bude dosti bolestný. Zřejmě se budou postupně připravovat jednotlivé oblasti a bude docházet k nenásilnému přechodu. Nebo dojde k extrémnímu růstu cen současných rozšířených paliv, a potom se bude přecházet na novou technologii v silné vlně vedené každodenní potřebou dopravních prostředků. Každopádně je vodík opravdu zajímavým zdrojem energie, jelikož se začíná dařit akumulace energie získáváním vodíku z vody. Díky autům na tento pohon se rozroste možnost jeho využití Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.. 1.3.1 Vývoj vozidel Když v roce 1994 sestavili technici firmy Mercedes první zkušební vozidlo na tomto principu, měla pohonná jednotka včetně nádrže na vodík velikost malého autobusu. V celém třiapůltunovém vozidle zůstalo místo právě pro dva cestující. Od té doby firma investovala do rozvoje nové technologie více než miliardu marek a brzy budou její inženýři schopni schovat celé zařízení do vozu tak, aby pohodlí cestujících ani v nejmenším neutrpělo. Za necelé čtyři roky by chtěli stuttgartští výrobci uvést na trh elektromobil s palivovým článkem, který by se jízdními parametry ani cenou příliš nelišil od vozů se spalovacím motorem. Z mnoha konstrukčních typů současných palivových článků se pro pohon elektromobilů jeví jako nejvhodnější články PEMFC, které místo tekutého elektrolytu obsahují polymerovou membránu. Při provozní teplotě 60 až 80 °C se atomy vodíku dělí na volné elektrony (zůstávají na jedné straně membrány) a kladně nabité protony (procházejí membránou a slučují se s kyslíkem). Místo čistého vodíku se většinou používá metanol, jejž před vstupem na palivový článek upravuje zvláštní zařízení na plyn s vysokým obsahem vodíku. Původně bylo toto zařízení malou chemickou továrnou, dnes zaujímá prostor dvou kartonových krabic od bot. K moderní technologii se obracejí i další výrobci. Do roku 2004 by chtěla vyrukovat s provozuschopným modelem i automobilka Opel, dceřiná společnost americké firmy General Motors. V nejlidnatějším státě USA, Kalifornii, platí zákon, který nařizuje, aby od roku 2004 každé desáté auto neprodukovalo žádné emise. Nový program zřejmě získá podporu i v Japonsku, které se snaží vymanit ze závislosti na dovozech ropy [5].
5
2. Vodíkový pohon 2.1
Přehled využití vodíku v datech ¾ 1766 - britský chemik Henry Cavendish objevuje vodík jako svébytný chemický prvek. ¾ 1783 - startuje první balon plněný vodíkem. ¾ 1937 - po výbuchu vzducholodi Hindenburg končí éra vodíku u vzdušných plavidel, ale peroxid vodíku je použit za války k pohonu německých raket V-2. ¾ 1952 - odpálena první vodíková bomba; následné mnohaleté úsilí o využití vodíkové jaderné reakce k výrobě elektřiny zatím nepřineslo výsledek. ¾ Po roce 1990: vznikají první vodíková auta. ¾ 2002 až 2003: Japonsko, Spojené státy a EU se rozhodují dát prioritu vývoji vodíkových technologií. ¾ 2005 až 2006: na trhu se mají objevit přenosné vodíkové "baterie" pro pohon mobilu a počítačů. ¾ Okolo 2008: nové technologie na výrobu vodíku ze zemního plynu zlevní tuto surovinu. ¾ Po roce 2010: masová výroba vodíkových aut, jejich první boom může nastat okolo roku 2015 ¾ Okolo 2020: trh s vodíkovými technologiemi má mít obrat 1,7 bilionu dolarů ¾ Okolo 2050: vodík představuje klíčovou energetickou surovinu [4]
2.2
Vodík
Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru a třetím nejrozšířenějším prvkem na Zemi. Volný vodík se nalézá se např. v plynném obalu hvězd nebo v sopečném plynu. Na Zemi je vodík vázán spíše ve sloučeninách. Největší množství vodíku je vázáno ve vodě a je vázán i v různých organických i anorganických sloučeninách. Je to také významný biogenní prvek [8]. Atomy vodíku jsou složeny z jednoho protonu a jednoho elektronu. Atomy se sdružují do dvojic, vytvářejí dvouatomové molekuly H2. Molekuly vodíku jsou tak nepatrné, že procházejí pórovitými látkami, např. neglazovanými střepy, blánami a stěnami gumových hadic [9]. V přírodě se vyskytují tři izotopy [8] lišící se počtem neutronů v jádře [7]: ¾ protium (lehký vodík) – skládá se z jednoho protonu a jednoho elektronu 11 H ¾ deuterium (těžký vodík) – jádro obsahuje jeden proton a jeden neutron 21 H nebo také 2 1
D
6
¾ tritium – jádro obsahuje jeden proton a dva neutrony 31 H označovaný také jako 31T . Tritium vzniká účinkem kosmického záření nebo při výbuchu vodíkové bomby atd. Je radioaktivní [8]. Molekuly přírodní vody obsahují protium a deuterium. Asi na 5000 atomů lehkého vodíku připadá 1 atom deuteria. Deuterium je součástí molekul tzv. těžké vody D2O [9]. Některé další vlastnosti protia jsou uvedeny v Tab. 1. Tab. 1 Vodík [8] Latinský název
Hydrogenium
Chemická značka
H
Protonové číslo
1
Skupina
I.A
Relativní atomová hmotnost (Ar)
1,00794
Perioda
1
Elektronová konfigurace
1s 1
Elektronegativita
2,2
Teplota tání
-259,14 °C
Teplota varu
-252,87 °C
Oxidační čísla ve sloučeninách
+I, -I
Skupenství při 20 °C
plynné (g)
2.2.1 Vlastnosti vodíku ¾ Typický nekov s velkou ionizační energii, atomy vodíku jsou za běžných podmínek nestálé. ¾ Za normálních podmínek bezbarvý plyn (asi 14krát lehčí než vzduch) bez chuti a zápachu, skládá se z dvouatomových molekul H2, kde atomy vodíku jsou vázány nepolární kovalentní vazbou. ¾ Slučuje se téměř se všemi prvky kromě vzácných plynů a některých přechodných kovů. ¾ Působí ve většině případů redukčně, oxidačně působí pouze na alkalické kovy. ¾ Molekulový vodík není příliš reaktivní, s většinou prvků tedy reaguje za zvýšené teploty nebo po iniciaci jiskrou, plamenem, ozářením nebo v přítomnosti katalyzátorů [7]. ¾ Rozpustnost: ve vodě se vodík nepatrně rozpustí (v 1 litru vody při 0 °C a tlaku 0,1 MPa jen 22 ml plynného vodíku). Lépe se rozpouští v niklu, palladiu a v platině.
7
Při rozpouštění v těchto kovech se molekuly vodíku štěpí na atomy. Atomární vodík (rozštěpený na atomy) je reaktivnější než molekulový, proto reakce vodíku za přítomnosti těchto kovů probíhají rychleji. Nikl, palladium a platina jsou proto výbornými katalyzátory [9]. ¾ Ve směsi se vzduchem nebo kyslíkem se prudce slučuje na vodní páru a tvoří výbušnou směs. ¾ Zapálená směs je výbušná tím více, čím se její složení blíží k poměru 2:1. Čistý vodík hoří nesvítivým plamenem, pokud se do plamene vhání kyslík, dosahuje teplota plamene až 3000 °C. Atomový vodík je také silné redukční činidlo, ale existuje velmi krátkou dobu a slučuje se na vodík molekulový. ¾ Tvoří vodíkové můstky s dusíkem, kyslíkem a fluorem [8]. 2.2.2 Příprava vodíku ¾ Elektrolýzou okyselené vody (nebo vodivého roztoku kyseliny nebo hydroxidu [8]) se na katodě vylučuje vodík: 2 H3O+ + 2 e- → 2 H2O + H2 ¾ Reakcí s-prvků s vodou: 2 Na + 2 H2O → 2 NaOH + H2 ¾ Reakcí neušlechtilých kovů s vodní párou (za vysokých teplot): 3 Fe + 4 H2O → Fe3O4 + 4 H2 ¾ Reakcí neušlechtilých kovů s vodnými roztoky silných kyselin: Zn + 2 HCl → ZnCl2 + H2 2.2.3 Výroba vodíku ¾ Rozkladem nasycených uhlovodíků, např. termickým štěpením metanu: CH4 1200 °C→ C + 2 H2 nebo jeho reakcí s vodní párou: CH4 + H2O → CO + 3 H2 ¾ Reakce vodní páry s rozžhaveným koksem - konverze vodního plynu - vodní pára se vhání na rozžhavený koks - vzniká vodní plyn (CO + H2), konverzí vzniká CO2 + H2, CO2 je těžší než vzduch - dojde k oddělení CO2 a H2: C + H2O → CO + H2, CO + H2O → CO2 + H2 [7] 2.2.4 Použití vodíku ¾ Vodík je významné redukční činidlo. Používá se v syntézách amoniaku, organických syntézách, v metalurgii k získání těžko redukovatelných kovů a jejich oxidů. Spolu s 8
kyslíkem slouží ke svařování kovů (dodává se v ocelových tlakových lahvích označených červeným pruhem). Vodík je také vysoce výhřevným palivem, používá se jako palivo pro rakety. Dále se používá v potravinářství mj. pro ztužování tuků [8]. 2.2.5 Sloučeniny vodíku ¾ Vodík tvoří nejvíce sloučenin ze všech prvků - anorganické sloučeniny (hydridy, kyseliny, hydroxidy, soli) a především organické sloučeniny (uhlovodíky a jejich deriváty, přírodní látky) - je to biogenní prvek, ox. č. vodíku je I, jen v iontových hydridech je -I. 2.2.6 Hydridy ¾ Binární sloučeniny vodíku. ¾ Iontové (solné) hydridy - sloučeniny vodíku s alkalickými kovy a kovy alkalických zemin (např. NaH, CaH2) - pevné látky s vysokou teplotou tání, používají se jako mimořádně silná redukční činidla, při reakci s vodou vzniká vodík: H- + H2O → H2 + OH¾ Kovalentní hydridy - sloučeniny vodíku s p1 až p5-prvky (např. diboran B2H6, fosfan PH3, sulfan H2S) - jsou za normálních podmínek plynné, těkavé látky. ¾ Kovové hydridy - tvoří je vodík s mnoha přechodnými prvky (d a f-prvky), včetně lanthanoidů a aktinoidů (např. TiH1,7, LaH2,87, UH3). ¾ Hydridové komplexy - obsahují ionty H- vázané koordinační vazbou na ionty kovů, např. (tetra)hydridoboritan sodný Na(BH4), jsou poměrně stálé, slouží jako redukční činidla.
2.3
Voda
2.3.1 Fyzikální vlastnosti vody ¾ Pokrývá téměř povrchu Země -97,2 % slaná mořská voda, 2,7 % sladká voda. ¾ Bezbarvá kapalina bez chuti a zápachu, teplota tání 0 °C, teplota varu 100 °C, při přechodu do pevného stavu vzrůstá objem o 10 %, čímž klesá hustota ledu, a proto led plave na vodě. ¾ Molekuly vody jsou lomené, kovalentní vazba O-H je silně polární. Polarita vazeb způsobuje, že molekuly vody jsou polární (mají dipólový moment). ¾ Izolované molekuly H2O jsou jen ve vodní páře, v kapalné vodě se jednotlivé molekuly sdružují prostřednictvím vodíkových vazeb - příčina anomálních změn hustoty vody s teplotou (největší hustota při 4 °C) a poměrně vysoké teploty tání a varu. ¾ V ledu se každá molekula H2O pravidelně váže vodíkovými vazbami s dalšími čtyřmi molekulami a vytvářejí se tak mohutné struktury podobné včelí plástvi - proto má led menší hustotu a větší objem než kapalná voda. 2.3.2 Chemické vlastnosti vody ¾ Chemicky patří voda mezi nejstálejší sloučeniny. ¾ Bouřlivě reaguje za běžné teploty s vysoce reaktivními alkalickými kovy a kovy alkalických zemin: 2 Na(s) + 2 H2O(l) → 2 Na+(aq) + 2 OH-(aq) + H2(g) ¾ Za vysokých teplot vzniká reakcí vodní páry s některými kovy vodík a odpovídající oxid: 3 Fe(s) + 4 H2O(g) → Fe3O4(s) + 4 H2(g)
9
¾ Přijme-li mol. vody proton, vzniká hydroxoniový kation H3O+: H2O + H+ → H3O+ ¾ Uvolní-li se proton, vzniká hydroxidový anion OH-: H2O → OH- + H+ ¾ Disociaci kapalné vody (protolýzu) vyjadřuje rovnice: 2 H2O → H3O+ + OH¾ S kyselinotvornými oxidy reaguje za vzniku kyselin: SO3(g) + H2O(l) → H2SO4(l) ¾ Se zásadotvornými oxidy vznikají hydroxidy: CaO + 2 H2O → Ca(OH)2 ¾ Je produktem reakce při neutralizaci solí hydroxidem: HCl + NaOH → NaCl + H2O 2.3.3 Hydráty ¾ Mnohé krystalické látky, zejména anorganické soli a minerály (např. sádrovec CaSO4.2 H2O obsahují ve svých strukturách vázané molekuly vody - takové sloučeniny se nazývají hydráty ¾ obvykle vznikají krystalizací příslušných solí z vodných roztoků (CuSO4.5 H2O) nebo pohlcováním vzdušné vlhkosti bezvodou solí, např.: CaCl2(s) + 6 H2O(g) → CaCl2.6 H2O(s) 2.3.4 Čistota vody a její význam ¾ V přírodě není voda nikdy čistá - vždy obsahuje určité množství rozpuštěných látek, plynů a nerozpuštěných pevných látek, v mořské vodě jsou rozpuštěné hlavně sodné a hořečnaté soli. ¾ Čistá voda se získává destilací nebo pomocí ionexů. ¾ Ionexy - přírodní křemičitany nebo syntetické pryskyřice, které mají schopnost zachycovat z roztoků kationty nebo anionty a uvolňovat do rozt. ionty H3O+ nebo OH¾ Mikrobiologicky nezávadná voda se získává působením chlóru nebo ozónu, popř. UV záření na předem vyčištěnou vodu. ¾ Tvrdost vody může být přechodná nebo trvalá - způsobují ji především některé rozpustné vápenaté a hořečnaté soli. ¾ Přechodnou tvrdost způsobují hydrogenuhličitany, např. Ca(HCO3), které lze odstranit převařením. ¾ Trvalou tvrdost způsobují zejména sírany, které lze odstranit přidáním uhličitanu sodného - vzniknou nerozpustné uhličitany - vápenatý, hořečnatý, popř. železnatý. Uhličitany se odfiltrují a získá se změkčená voda. ¾ Ke změkčování vody se používají také ionexy a detergenty. 2.3.5
Reakce vodíku
2.3.5.1 Laboratorní příprava vodíku (typové příklady) a) Vodík lze připravit reakcí sodíku s vodou. 2Na + 2H2O → H2 + 2NaOH b) Vodík vzniká při rozpouští zinku v kyselině sírové. Zn + H2SO4 → ZnSO4 + H2 c) Vodík se uvolňuje při reakci hliníku s alkalickým hydroxidem. 2Al + 2OH-1 + 6H2O → 2[Al(OH)4]-1+ 3H2 d) Vodík lze připravit rozkladem hydridu vápenatého vodou. CaH2 + 2H2O → Ca(OH)2 + 2H2 10
e) Vodík lze připravit elektrolytickým rozkladem vody. 2H2O --H2SO4 → 2H2 + O2 2.3.5.2 Průmyslová výroba vodíku a) Termické štěpení methanu. CH4 → 2H2 + C b) Krakování methanu. 2CH4 → 3H2 + C2H2 c) Katalyzovaná oxidace methanu vodní parou. CH4 + H2O --Ni(Al2O3) → 3H2 + CO d) Konverze vodního plynu. CO + H2O --Fe2O3(Cr2O3) → H2 + CO2 e) Hydroformylační proces - př. dehydrogenace z cyklohexanu na benzen. C6H12 –Pt → 3H2 + C6H6 [7] 2.3.6 Kdo a jak bude vodík vyrábět. Nevhodně vyráběný nebo přepravovaný plyn by mohl vyvolat katastrofální reakce v atmosféře [1]. 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 do budoucna nepočítá (zásoby budou vyčerpány). Za perspektivní postupy se považují: elektrolýza vody, termické štěpení vody a zplyňování biomasy, jmenovitě biomasy odpadní. 2.3.7 Petrochemické procesy 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 optimalizovaný spalovací motor - účinnost přeměny energie je v obou případech dosti podobná. 2.3.8 Elektrolýza vody Elektrolýza vody je ekologicky úplně čistá [18]. Elektrolýzou vody může být vodík získáván v téměř neomezeném množství [12]. Nevznikají při ní skleníkové plyny a kyslík, který se vyrobí zároveň s vodíkem, bude mít dobré průmyslové využití. Tento způsob výroby vodíku 11
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: 10 000 000 × 50 = 50 000 000 kW = 50 000 MW. Takový výkon by elektrárny musely mít, to znamená, že bychom potřebovali 26 temelínských elektráren! A jsme u jádra problému vodíkové budoucnosti. Pokud bychom vodík získali elektrolýzou (bez vzniku skleníkových plynů), musíme vyloučit veškeré tepelné elektrárny. Zbývají vodní, větrné, sluneční, všechny netradiční a atomové. Mimo poslední možnost je dosažení požadovaného výkonu např. v našich podmínkách naprosto nereálné, a tak je jedinou možností přechod na atomovou energetiku [18]. Zdrojem elektřiny pro elektrolýzu jsou například v Kanadě a Norsku vodní elektrárny. Obě země jsou také exportéry vodíku. Zkouší se i propojení dalších obnovitelných zdrojů energie s vodíkovou energetikou. Elektřina vyráběná ve větrných nebo slunečních elektrárnách by rozkládala vodu a vzniklý vodík by se stal jakýmsi akumulátorem energie, schopným distribuce a použitelným i v době, kdy například nefouká vítr nebo nesvítí slunce, a větrná či sluneční elektrárna proto nevyrábí proud. Podobným způsobem může být vodíková energetika navázána na atomové elektrárny, které vyrábějí proud rovnoměrně i v době, kdy je pokles potřeby. Musí se proto stavět drahé přečerpávací elektrárny, které svým způsobem také akumulují energii produkovanou jadernou elektrárnou a v době odběrových špiček ji zase odevzdávají do sítě. Projekt na využití vodíku k akumulaci elektřiny vyráběné jadernými elektrárnami ověřovala před několika lety elektrárenská společnost ČEZ. Projekt narážel tehdy na problém drahých a málo účinných elektrolyzérů. V poslední době se rovněž ověřuje výroba vodíku ze zemního plynu, který má k vodíku ze všech látek nejblíže [12]. Ochránci životního prostředí varují, že abychom mohli hovořit o skutečně čistém provozu, musí pocházet vodík ze zdrojů, které nevytváří žádné emise. Podle nich je jediným možným řešením využití obnovitelných zdrojů, jako jsou větrné a solární elektrárny. Většina evropských představitelů s tímto argumentem souhlasí. Státy EU se zavázaly, že do roku 2010 bude 22 % její elektřiny a 12 % energie pocházet z obnovitelných zdrojů [19]. 2.3.9 Výroba, doprava a skladování. 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.
12
3. Vodík jako předpokládané palivo budoucnosti 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". Přednosti vodíku jako paliva: ¾ Zásoby vodíku ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. ¾ Vodík má vysokou hustotu energie (vztaženo na jednotku hmotnosti) a dá se transportovat i skladovat. ¾ Z hlediska ochrany životního prostředí je spalování vodíku čistší než spalování fosilních paliv, vznik vody není provázen toxickými sloučeninami ani skleníkovými plyny [18]. ¾ Vodíkové motory využívají vodík a kyslík k výrobě energie a jejich jediným vedlejším produktem je čistá voda [19].
3.1
Palivové články
Jednou z nejslibnějších a současně nejčistších technologií současnosti je palivový článek. Vynález starý jeden a půl století by mohl během několika generací uskutečnit převrat v energetice. První funkční palivový článek sestrojil v roce 1839 Angličan William Robert Growe. Po celá desetiletí zůstával tento objev v polozapomenutí. V praxi byl využit teprve při kosmických letech. V pozemské technice podnítily zájem o palivový článek až stále větší obavy z rostoucího znečištění životního prostředí [5]. Palivové články samy o sobě nepředstavují žádný pohon. Palivový článek je měnič, v němž se uvolňuje chemická energie během oxido-redukční reakce a transformuje se v energii elektrickou. A teprve potom může přijít na řadu pohon, získanou elektrickou energii můžeme použít k napájení elektromotoru, který může pohánět např. vozidlo. Praktická aplikace palivových článků není nijak nová, už v šedesátých letech byly užívány v kosmickém výzkumu například v projektu Apollo, kde byl potřeba lehký a ekologicky čistý zdroj tepla i napájení přístrojů. Na přelomu osmdesátých a devadesátých let byly prakticky tytéž palivové články použity například v pokusném nízkoenergetickém domě Fraunhofferova ústavu. Spotřebovávaly zde vodík, vyrobený přes léto elektrolýzou vody elektrickým proudem, získaným ze sluneční energie pomocí fotovoltaických článků. Byla ověřena dobrá funkce systému, přičemž palivové články byly umístěny dokonce přímo ve vzduchovodu klimatizace domu. Je patrné, že v obou případech se jedná o velmi výjimečné projekty, kdy příliš nezáleželo na penězích, resp. kdy byly daleko důležitější výhodné vlastnosti palivových článků a peníze byly přitom nejdříve tak na třetím nebo dalším místě. Takový přístup ale není myslitelný při plošném nasazení v praxi. Řada špičkových výzkumných laboratoří se již nejméně dvě desítky let snaží tuto dříve kosmickou techniku přiblížit praxi, tedy především významně zlevnit. Je to proces trochu podobný jako u polovodičů, ale bohužel zdaleka ne tak rychlý. Hlavním cílem je jistě zkonstruovat ekologicky čistou náhradu pístových spalovacích motorů, ovšem za přijatelnou cenu. Elektromotory jsou již dávno k dispozici, nyní navíc mohou být výhodně doplněny inteligentním elektronickým řízením. Zbývá "jen" přidat účinný, spolehlivý, lehký a levný mobilní zdroj elektrické energie. Úsilím vědců byly postupně vyvinuty palivové články zhruba šesti druhů, které se liší palivem (vodík, metan, jiné uhlovodíky) a provozními parametry, zejména pracovní teplotou. Podle toho lze hodnotit i jejich vhodnost nasazení ve vozidlech [20]. Hlavní typy palivových článků: ¾ Membránové (PEMFC)
13
¾ S tavenými karbonáty (MCFC) ¾ S pevným oxidem (SOFC) ¾ S kyselinou fosforečnou (PAFC) ¾ Alkalické (AFC) V automobilovém průmyslu pravděpodobně najdou uplatnění především membránové články [17]. 3.1.1 Co je palivový článek? Palivový článek je zdrojem proudu, který v něm vzniká elektrochemickou reakcí. Na rozdíl od nám všem známé baterie se do něj reakční látky přivádějí a odpady odvádějí neustále, takže je vlastně nevyčerpatelný. Přestože existuje mnoho různých typů, následující schéma tzv. vodíkového palivového článku na Obr. 1 nám pomůže pochopit, jak funguje:
Obr. 1 Schéma fungování palivového článku Chyba! Nenalezen zdroj odkazů. Palivo (vodík H2) se přivádí na kladnou elektrodu (anodu), kde se oxiduje (ztrácí elektron). Kyslík O2 (okysličovadlo) přichází na elektrodu zápornou (katodu) a podléhá tam redukci (přijímá elektron). V elektrolytu mezi oběma elektrodami se reakční produkty mísí a vzniká voda H2O. Místo vodíku, který je nebezpečný svou třaskavostí, můžeme použít i jiné palivo, např. methanol, oxid uhelnatý CO, uhlovodíky (propan, různé druhy nafty a benzínu, zemní plyn), svítiplyn, bioplyn, plyn uvolňující se ze skládek. Dokonce se podařilo vyvinout i palivový článek spalující přímo uhlí. Práce vědců z americké Laboratoře Lawrence Livermora, kterým se podařilo zatím v laboratorních podmínkách otestovat palivový článek přeměňující přímo uhlí na elektřinu, může představovat velmi důležitý mezník ve vývoji energetiky. Uhlí rozemleté na zrnka o velikosti do 1 mikrometru se smísí za teploty 750 až 850 oC s roztaveným uhličitanem lithným, sodným nebo draselným. Pak již vše probíhá standardním způsobem podle výše uvedeného schématu: vzdušný kyslík reaguje s uhlíkem na oxid uhličitý a energie se uvolňuje ve formě elektřiny. Přestože známe řadu různých typů palivových článků, fungují všechny podle popsaného principu. Jde vlastně o jakési regulované hoření. Smísíme-li vodík s kyslíkem, získáme třaskavou směs, která exploduje za vzniku vody. Energie se uvolní ve formě tepla. Ve vodíkovém palivovém článku dochází k téže reakci, produktem je rovněž voda, ale energie se uvolní jako elektřina.
14
3.1.2 Výhody a problémy Velkou výhodou palivového článku je, že vyrábí elektřinu z paliva jaksi přímo, bez mezistupně tepelné elektrárny, takže emise jsou nižší a účinnost vyšší. Dosahuje účinnosti až 70 %, zatímco standardně dosahujeme při přeměně uhlí na elektřinu 40 %. Proč potom místo elektráren nebudujeme gigantické palivové články? Prostě to neumíme. Palivový článek je dosti komplikované zařízení pracující za vysoké teploty (podle typu od 150 do 1200 oC), takže nároky na elektrodové materiály i vlastní elektrolyt jsou vysoké. Jako elektrolyty se používají např. iontoměničové membrány či vodivé keramické materiály, tedy dosti drahé materiály anebo kyselina fosforečná, hydroxid sodný či roztavené uhličitany alkalických kovů, což jsou pro změnu látky velmi agresivní. Právě tato náročnost způsobila, že po počátečním nadšení v šedesátých letech dvacátého století se palivové články kromě kosmického programu významněji neuplatnily [6]. Nejelegantnější využití vodíku představují nepochybně výše zmíněné palivové články, které samy sice nejsou motorem, protože neprodukují přímo mechanickou práci, ale ve spojení s elektromotorem mohou vytvořit kvalitní pohon vozidla.
3.2
Využití ve spalovacích motorech
Vodík však může být také palivem prakticky v kterémkoliv ze současných druhů spalovacích motorů, jako je pístový, proudový nebo raketový. Může zde nahradit dosud běžná uhlovodíková paliva [20]. Vlastnosti vybraných klasických a alternativních pohonných hmot jsou uvedeny v Tab. 2. Tab. 2 Vlastnosti vybraných klasických a alternativních pohonných hmot [21] Pohonná hmota Motorová nafta Motorový benzin Stlačený zemní plyn (CNG), (tlak 20 MPa) Zkapalnělý zemní plyn (LNG), (teplota162 °C) Zkapalnělý propan – butan (LPG) Zkapalnělý vodík (LH2) Etanol Metanol Metylester řepkového oleje
0,825 0,75 0,15
Výhřevnost [KJ/l] 34 900 33 000 7 150
0,42
21 000
75
0,54 0,018 0,789 0,793 0,882
24 300 2 157 21 150 15 630 32 600
82,5 0 52,2 37,5 77,2
hustota [kg/l]
Váhový podíl uhlíku [%] 85 až 88 až 88 75
Motory k tomu musí být ovšem upraveny. Za to se odvděčí podstatně nižšími koncentracemi škodlivých emisí ve výfuku, přitom pochopitelně zcela odpadají emise CO a CO2. Nezbytné úpravy se týkají nejen spalovacího prostoru motoru, ale také palivové soustavy, počínaje nádrží ve vozidle, až po vhodné dávkování paliva do spalovacího prostoru. A nestačí ani to, vně vozidla musí být vybudován samostatný systém distribuce a plnění vodíkového paliva výdejní stojany, nádrže, cisterny, systém rozvozu. Náročnost budování infrastruktury vodíkového paliva je jako obdoba budování plnicích stanic LPG (zkapalněný propan-butan pro vozidla), které se u nás během posledního desetiletí dobře zavedly. Podobné je to také u plnicích stanic na CNG (stlačený zemní plyn), které jsou v některých zemích běžné a i u nás se v dohledné době zřejmě více rozšíří. U vodíku to však bude technicky náročnější než u LPG a CNG dohromady. Vodík může být uchováván dokonce obojím způsobem, jak ve 15
stlačené tak ve zkapalněné formě, obojí přináší značné technické problémy. Jedná se totiž o vysoké tlaky a při zkapalnění i mimořádně nízké teploty (jen 20 K, tj. – 253 °C). Z toho důvodu například výdejní stojan pro vodíkové palivo musí být konstruován jinak než jsme zvyklí, koncovku plnicího potrubí připojuje k ventilu na automobilu robotizovaná ruka. Připojování i plnění je dosti nebezpečné a proto je nejlépe, když probíhá bez přímé přítomnosti člověka. Takové zařízení je ve zkušebním provozu na letišti v Mnichově, na vodík zde pokusně jezdí upravené osobní automobily a autobusy. Vysoká výhřevnost kilogramu vodíku je lákavá, ale v praxi je také důležité, kolik kilogramů bude přitom vážit a kolik místa ve vozidle zabere silnostěnná a tepelně izolovaná palivová nádrž [20].Na Obr. 2 jsou znázorněny meze zápalnosti a rychlosti hoření různých směsí.
Obr. 2 Meze zápalnosti a rychlost hoření různých směsí [2] 3.2.1 Některé další problémy vodíku: ¾ tvoří třaskavou směs se vzduchem, ¾ problém větrání garáží, autoservisů apod., ¾ díky malé molekule proniká téměř každým těsněním, šroubením i ventily, ¾ stlačování a zkapalňování vyžaduje značné výdaje energie navíc. Speciální tlakové nádoby, stlačování i řada nutných bezpečnostních opatření činí vodíkové palivo v konečném hodnocení dosti drahým v porovnání s tekutými uhlovodíkovými palivy, která vystačí s lehkými nádržemi bez tlaku. Proto zřejmě jen velmi urgentní okolnosti mohou přispět k jeho skutečně plošnému užívání. Počítá se, že by k tomu mohlo dojít při blížícím se vyčerpání fosilních uhlovodíkových paliv, tj. řádově během 20 - 50 let. Pro bližší budoucnost výrobci vozidel stále hledají provozně levnější a relativně méně nebezpečná tekutá paliva. Horkým favoritem se přitom může stát methanol, který lze poměrně jednoduše vyrábět synteticky. Jeho hlavní a skoro jedinou nevýhodou je jedovatost, naproti tomu podobně jako vodík může být methanol použit jak do pístových spalovacích motorů tak i do určitého typu palivového článku. Ve spalovacích motorech má i určité přednosti, a to i z hlediska emisí. V tomto ohledu může vodíku vyrůst poměrně nečekaná a přitom zdatná konkurence [20]. 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
16
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 [18].
3.3
Evropa sází na vodík
Doprava a energetika postavená na vodíku má výhledově řešit snad všechny ekologické problémy. Evropa chce do vývoje vodíkových palivových článků investovat stamilióny eur. Opomíjí ale rizika: unikající vodík zvětšuje ozónovou díru a urychluje oteplování planety. Výhledy Evropské komise, která právě založila Evropskou platformu technologií využívajících vodík jako palivo, neskrývají vizionářský nádech: v letech 2002 až 2006 hodlá starý kontinent vložit do rozvoje vodíkové energetiky 300 miliónů eur. Počítá s tím, že do roku 2020 bude pět procent všech pohonných hmot spotřebovaných v silniční dopravě pocházet z vodíkových palivových článků. Alespoň částečně se zbavit závislosti na fosilních palivech chce Evropa přechodem od ropy k vodíku [1]. 3.3.1 Počítačové modely varují Vodíková energetika s sebou zdánlivě přináší jen výhody ztělesněné v principu palivového článku. V jednoduchém zařízení, do něhož se plní jen vodík, vzniká reakcí se vzdušným kyslíkem elektrická energie. Odpadním produktem zůstává obyčejná voda. Tuto elegantní a čistou energetickou idylu však narušuje dosud opomíjené a nepříliš prozkoumané nebezpečí plynoucí z úniků velkého množství vodíku do atmosféry. Počítačové modely z Kalifornského technologického institutu ukazují, že unikající vodík stoupá do stratosféry, kde z něho reakcí s hydroxylovými radikály (skupina OH) vzniká voda. Plyn tak napomáhá vzniku chladné a dlouhodobě přetrvávající oblačnosti v oblasti pólů. Riziko jinak čistého a zdánlivě neškodného slučování spočívá v tom, že vytváří příznivé podmínky pro následné reakce halogenů, jako je chlór. Ty ničí atmosférický ozón a zpomalují obnovu ozónové vrstvy. Není to ovšem jediné riziko. Uniklý vodík také zvyšuje koncentrace skleníkových plynů v atmosféře. Opět to souvisí se zánikem radikálů OH, ale tentokrát v troposféře, jak dokládá zpráva expertní komise amerického Národního úřadu pro oceány a ovzduší (NOAA) zmíněná v týdeníku New Scientist. Skupina OH k sobě váže veškeré znečišťující látky včetně metanu, jednoho z nejzávažnějších skleníkových plynů. Snížené hladiny OH tak umožňují metanu přetrvávat v ovzduší delší dobu. Většina odborníků se shoduje, že tyto nepříliš prozkoumané procesy mohou opravdu nastat. Otázkou nicméně zůstává, jaký je jejich skutečný vliv a jak souvisí s množstvím vodíku uniklého do ovzduší. V současné době se do něho uvolňuje kolem 80 miliónů tun vodíku ročně. Část pochází z přírodních, část z člověkem vytvořených zdrojů. Zhruba 15 miliónů tun vzniká v průmyslu a spalováním fosilních paliv. 3.3.2 Přehnané obavy? Tým z NOAA vyvolal rozruch svým odhadem, že do atmosféry uniká deset až dvacet procent veškerého vodíku používaného v palivových článcích. Pokud by se za tohoto předpokladu všechny automobily, které v roce 1994 jezdily po světě, převedly na vodík, průmyslové emise plynu by vzrostly na 60 až 120 miliónů tun ročně. Vědci při svém odhadu vycházeli z předchozí studie, podle níž v Německu uniká do ovzduší desetina veškerého přepravovaného kapalného vodíku. Za přehnaný o dva řády považuje takový výsledek spoluzakladatelka coloradské společnosti Rocky Mountain Institute Amory Lovinsová, která řekla: "Pokud změníme dosavadní 17
energetický systém na převážně vodíkový, tedy závislý na množství získaného vodíku, klesne a možná zcela ustane nynější uvolňování molekulárního vodíku." Oba odhady však představují krajní extrémy. Skutečnosti blíže bude zřejmě únik plynu mezi jedním a třemi procenty přepravovaného množství. Stále je to však na pováženou: podle studie amerického ministerstva energetiky bude třeba na celoroční dodávky jednoho terawattu výkonu kolem 1060 miliónů tun vodíku. Vzhledem k tomu, že v roce 2020 by měly zdroje na fosilní paliva dodávat celosvětově 12 až 15 terawattů, náhrada třetiny jejich výkonu by si vyžádala kolem pěti miliard tun vodíku. Únik jednoho až tří procent by pak měl představovat vodíkové emise mezi 50 a 150 milióny tun ročně. Z výpočtů týmu NOAA vychází, že při přechodu všech světových automobilů na vodík by se doba přetrvávání metanu v troposféře zvýšila o 3,5 procenta, což by přispělo ke globálnímu oteplování. Byl by to jeden z nejvýznamnějších dopadů přechodu na vodíkovou energetiku. Bez jednoznačné odpovědi zůstává ještě jedna sporná otázka. Jak na růst koncentrací vodíku zareagují mikroby v půdě, které se živí atmosférickým vodíkem? Analýza izotopů vodíku v prostředí přitom dokládá, že přes tři čtvrtiny vodíku z troposféry končí v zemi. Model globálního oteplování NOAA nasvědčuje příznivému výhledu - absorpce vodíku půdou by mohla být úměrná koncentraci plynu v ovzduší. Jisté to však není. Jedinou rozumnou cestou, jak se dobrat skutečně věrohodných zjištění, zřejmě bude začít co možná nejdříve globálně sledovat výrobu vodíku a jeho ztráty v atmosféře. Z toho pak lze vycházet při stanovení nynějšího cyklu oběhu vodíku a v budoucnu sledovat změny problematických emisí. Spolupráce výzkumníků s odborníky na energii pak umožní najít nejvhodnější cestu, jak vodík zapojit do jednotlivých odvětví ekonomiky. Vědecký tým z Kalifornského technologického institutu zdůrazňuje, že by bylo nesmyslné stavět se proti přechodu na vodíkové hospodářství - bude-li ovšem promyšlený [1]. Emise vodíku jsou uvedeny v Tab. 3. Tab. 3 Emise vodíku (v miliónech tun ročně) [1] Člověkem vytvořené zdroje Průmyslové využití a spalování fosilních paliv Spalování dříví Přírodní zdroje Spalování biomasy Emise z půdy Emise z oceánů Vznik v ovzduší CELKEM
14,9 3,4 16,0 3,0 3,0 40,8 81,1
18
4. Praktické uplatnění 4.1
Islanďané začínají jezdit na vodík
Prvním státem, který se s jeho pomocí chce zcela osvobodit od nadvlády ropy a zemního plynu, je Island, který zaujímá díky nesmírným zásobám geotermální a vodní energie už dnes první místo na světě ve využívání obnovitelných energetických zdrojů. Jejich podíl na celkové bilanci tam dosahuje úctyhodných dvou třetin. Nyní se Islanďané rozhodli s ropou definitivně skoncovat. Pohon automobilů i celé námořní flotily rybářských lodí má v budoucnu zajišťovat vodík [5]. V hlavním městě Islandu byla otevřena první stanice na světě, v níž mohou řidiči jako pohonnou hmotu načerpat vodík [3]. Projekt směřující k náhradě tradičních benzinových a naftových motorů ekologicky méně závadným palivem na Islandu částečně financovala Evropská unie. Islanďané chtějí postupně jezdit na vodík i v osobních automobilech a motorových člunech [10]. Jde o první krok projektu, v jehož rámci by v příštích měsících měly podobné stanice vyrůst v prakticky všech zemích Evropské unie. Na vývoji technologie pracují odborníci v zemích EU a Spojených státech. Jde však o velmi nákladnou záležitost, dosud není dořešena řada problémů, například skladování a převoz vodíku. Island plánuje dvouleté testovací období vodíkových motorů. V současné době jsou k dispozici tři upravené autobusy Daimler Chrysler, které jezdí po hlavním městě Reykjavíku. Postupně se na Islandu má začít jezdit na vodík i v osobních automobilech a motorových člunech. Island má v plánu do roku 2030 plně přejít na obnovitelné zdroje energie, především geotermální a vodní. Tím, že by v masovém měřítku nasadil technologii motorů spalujících vodík, by se jednak oprostil od vysokých nákladů na dovoz ropných produktů a jednak by ozdravil životní prostředí. Spalováním vodíku totiž nevnikají žádné nebezpečné zplodiny, ani oxid uhličitý. Pouze voda ve formě vodní páry. Proti vodíkové technologii hovoří relativně drahý způsob získávání vodíku. Děje se tak elektrolýzou vody. To však Islanďany příliš nepálí, neboť vodních zdrojů mají obrovský přebytek. Bohužel ji nemohou vyvážet, protože Island je ostrov příliš odlehlý od krajin, kde je elektřiny nedostatek. Přesto se v poslední době staví několik nových vodních elektráren. Elektřina z nich by měla sloužit i výrobě vodíku. Zkušební projekt tří testovacích autobusů na vodíkový pohon stál včetně tří upravených vozů Daimler Chrysler sedm milionů eur, tj. asi 222 milionů korun. Vodíková technologie je zatím dost nákladná a nejsou plně dořešeny problémy se skladováním a převozem vodíku [10].
4.2
Vozidla s vodíkovým pohonem
Velké automobilové podniky na myšlence nahrazení nafty a benzínu vodíkem už dlouhodobě pracují. Projekt by jim totiž umožnil částečně uhradit náklady z federálních peněz. Automobilka Toyota nyní testuje dvě vozidla s vodíkovým pohonem na kalifornských silnicích, do roka by tu měly přibýt další čtyři. Do rozsáhlých experimentů s "revolučním" palivem se ale dávno pustila také konkurence, například Daimler Chrysler nebo General Motors, Ford, Nissan a Honda. Nadšení výrobců však nesdílejí odborníci. Předpokládají, že k masivnímu využívání vodíkových motorů dojde někdy mezi lety 2007 až 2040 [22].
19
4.3
Příliš drahý projekt
Ve Spojených státech tak jezdí už také "vodíkové" autobusy či motocykly. Výrobci už nyní ale přiznávají, že pro úspěch je nutné stávající prototypy značně zlevnit. Například Toyota při vývoji podobného osobního vozidla zaplatila 2 miliardy dolarů (asi 60 mld Kč). Další stovky milionů by spolklo také vybudování sítě vodíkových čerpacích stanic [11]. Pro zákazníka je nejdůležitější cena. Osobní vůz stojí v současné době kolem 20 000 dolarů, cena jeho motoru nepřesahuje 3 000. Cena vodíkového palivového článku se pohybuje okolo 30 000 dolarů [22].
4.4
Čerpací stanice
Čerpací stanice jsou prvním krokem k vytvoření automobilové dopravy bez škodlivých zplodin [13]. Největší dynamiku vykazuje v současné době vývoj v Japonsku. Aglomerace Tokio je už téměř na celém území pokryta vodíkovými čerpacími stanicemi. Ministerstvo hospodářství očekává na japonských ulicích nejméně 50 000 „vodíkových“ vozů do roku 2010, do roku 2020 už má mít 5 miliónů vozů možnost čerpat vodík zhruba na 4 000 čerpacích stanicích [14]. Společnost Linde je dnes v oboru výstavby vodíkových zařízení vedoucím dodavatelem na světě. Celosvětově jich už instalovala 200. Ze současných 20 veřejně provozovaných čerpacích stanic na kapalný vodík na celém světě jich 19 dodala Linde [16].
20
Závěr Nemůže být pochyb o tom, že vodík je palivem budoucnosti. Automobily na vodíkový pohon fungují na principu reakce vodíkových elektronů a kyslíku z ovzduší za vzniku vody, tepla a elektrického proudu. Nevznikají zde žádné exhalace. Tento pohon se zdá být šetrný k životnímu prostředí, přináší však stále spoustu nevyřešených otázek. Prozatím je jeho použití příliš nákladnou záležitostí. Výrobou vodíku a jeho dalším spalováním či přeměnou na elektrickou energii palivovými články by se dalo úspěšně vyřešit skladování elektrické energie. Výroba elektrické energie palivovými články přináší nižší emise a vyšší účinnost, a tak se palivový článek ve spojení s elektromotorem stává kvalitním pohonem vozidla. Doprava a energetika postavená na vodíku má výhledově řešit snad všechny ekologické problémy. Proto je vodík středem zájmu jak v zemích EU, tak v USA, Japonsku či na Islandu.
21
Použité informační zdroje: [1] OTAVA, Bořek. Evropa sází na vodík, ale zvažuje také rizika [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW:
[2] Spalování uhlovodíkových paliv [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [3] SEVERSKÉ LISTY. Islanďané začínají jezdit na vodík [online]. [cit. 2004 – 26-4]. Dostupné z WWW: [4] MOCEK, Michal. EU podpoří vývoj vozu budoucnosti poháněného vodíkem [online]. [cit. 2004 – 26-4]. Dostupné z WWW: [5] STERN, Hamburk. Oživený vynález [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [6] DVOŘÁK, Ondřej. Vodíkový Island [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [7] Vodík a jeho sloučeniny, voda [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [8] Vodík [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [9] Vodík [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [10] AUTOREVUE. CZ. Islanďané už tankují vodík [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [11] HLUŠKOVÁ, Lenka. Vodíkový projekt má odstranit závislost USA na cizí ropě Islanďané už tankují vodík [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [12] ENERGETICK PORTÁL. Nejčistší palivo má budoucnost [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [13] JANOVSKÝ, Filip. První čerpací stanice pro vodíkem poháněná auta [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [14] TISCALI. AUTOMOTO. Vodík je palivem budoucnosti [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [15] DRAXL, Vojtěch. Vývoj v automobilovém průmyslu [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [16] MOCEK, Michal. Unie chce auta na vodík [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [17] JOLIE, David. Palivové články – historie a budoucnost. Alternativní energie, 2003, č. 4, s. 16. [18] RICHTER, Miroslav, FARSKÝ, Miroslav. Vodík palivem budoucnosti [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [19] CHARVÁT, Hugo. Čistý vodík ano, ale jak ho vyrobit? [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [20] BOUČEK, Jan. Palivové články a vodíkový pohon [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: [21] Využití zemního plynu k pohonu vozidel [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW:
22
[22] CHARVÁT, Hugo. Stane se vodík palivem budoucnosti? [online]. [cit. 2004 – 1-4]. Dostupné z WWW: Seznam obrázků: Obr. 1 Schéma fungování palivového článku [6]..................................................................... 14 Obr. 2 Meze zápalnosti a rychlost hoření různých směsí [2]. .................................................. 16 Seznam tabulek: Tab. 1 Vodík [8] ......................................................................................................................... 7 Tab. 2 Vlastnosti vybraných klasických a alternativních pohonných hmot [21] ..................... 15 Tab. 3 Emise vodíku (v miliónech tun ročně) [1] .................................................................... 18
23
III. ročník (obor DMML) Kohoutková Zdeňka Hodnocení: • Chybí souhlas se zveřejněním. • Velmi četné chyby v interpunkci. • Úvod psán příliš populárním stylem (požadován byl styl odborný), totéž i dále ("přechod na nové palivo bude dosti bolestný", "Horkým favoritem se přitom může stát methanol", "Evropa sází na vodík" aj.) • Neopravené chyby a překlepy ("50litry" aj.). • Podivné formulace ("výhodou je naprostá čistota tím, že nedochází ke spalování") • Chybí odkazy na zdroje ("Díky autům na tento pohon se rozroste možnost jeho využití Chyba! Nenalezen zdroj odkazů.", "Obr. 1 Schéma fungování palivového článku Chyba! Nenalezen zdroj odkazů." • Není důsledně používán neosobní styl.
Klasifikace: velmi dobře 25. 8. 2004 JM
24
