Jedným z problémov vodíkového hospodárstva je dostatočný prísun vodíka vyrábaného tak, aby to dávalo ekonomický aj ekologický zmysel. Vedci z univerzity Stanford však vynašli metódu ako vyrábať vodík z morskej vody.
Vodík by mohol byť riešením problémov s elektromobilitou. Aspoň niektoré automobilky, napríklad Toyota alebo Hyundai, tomu veria a svoje prototypy vozidiel na palivové články vyvíjajú aj ďalšie značky. Jednou z možností výroby potrebného vodíka je elektrolýza. Doteraz využívané elektrolyzéry vyžadujú použitie sladkej vody, pretože v styku s morskou rýchlo korodujú. Vďaka novému objavu však bude možné vyrábať vodík s využitím vody z oceánov, teda aj na miestach, kde sú zásoby sladkej vody obmedzené. Pritom práve tam sú naopak v mnohých prípadoch najvhodnejšie podmienky pre využívanie slnečnej energie.
Vo výrobe a vo vývoji
Elektromobily poháňané elektrinou, ktorú dodávajú palivové články, sú pomerne novou technológiou, ale počet automobiliek, ktoré sa ju rozhodli využiť, rastie. Najväčšími výrobcami vozidiel na palivové články sú Toyota a Hyundai, sériový model má k dispozícii aj Honda. Toyota Mirai je dostupná aj zákazníkom v Európe, Lexus zatiaľ predstavil koncept LF-FC vybavený touto technológiou na tokijskom veľtrhu v roku 2015 a v súčasnosti pracuje na sériovo vyrábanom vozidle. Hyundai už má skúsenosti vďaka výrobe vodíkovej verzie svojho modelu ix35, ktoré zúročil v celkom novom a väčšom SUV Nexo, čo je model, ktorý je plne prispôsobený práve technológii palivových článkov. Aj Nexo už je v ponuke na vybraných európskych trhoch, u nás zatiaľ nie. Podobne ako pri Toyote Mirai alebo pri Honde Clarity FCV je dôvod prostý: absencia siete vodíkových plniacich staníc.
Vo fáze výskumu, prototypov alebo skúšok je celý rad modelov ďalších značiek. Napríklad Mercedes-Benz realizuje pilotný program k modelu GLC F-CELL v Nemecku a Japonsku. Volkswagen predstavil vlani koncept Crafter HyMotion, pomerne dlhú históriu majú rôzne skúšky a prototypy vozidiel na vodík v skupine PSA. Automobily na vodík predstavujú atraktívnu alternatívu tak k vozidlám poháňaným spaľovacími motormi, keďže neemitujú škodliviny, ako aj k elektromobilom na batérie, vzhľadom na to, že tankovanie vodíka je rýchle a dojazd na jednu nádrž je dlhší.
Elektrolýza: Čistá aj účinná, ale....
Vodík je možné vyrábať niekoľkými spôsobmi, okrem iného parným reformingom metánu, ktorého zdrojom môže byť poľnohospodársky či komunálny odpad, ale aj elektrolýzou vody. Elektrolýza, pri ktorej vzniká výhradne vodík a kyslík, je dávno známou a dlhodobo využívanou technológiou. Ide o najekologickejší spôsob výroby vodíka, samozrejme iba za predpokladu, že sa vyžíva energia z bezemisných zdrojov. Efektivita elektrolýzy je pomerne vysoká (okolo 85 percent), celkovú efektivitu však zníži opätovná premena na elektrinu v palivovom článku (iba okolo 40 percent) a tiež energetická strata pri stláčaní, teda pri plnení do nádrže (až 30 percent!). Výsledkom je, že z dvojitej spätnej energetickej premeny dostaneme iba okolo 25 percent z pôvodne vyrobenej elektrickej energie. To je výrazne menej, než pokiaľ by sme touto energiou priamo nabili batérie (až 70-90 %, podľa toho, ako ďaleko by sme energiu dopravovali). Aj tak má však vodík vyrobený elektrolýzou svoje výhody – poslúži aj ako úložisko energie. Aj spomenutá štvrtina je lepšia než nula v situácii, kedy by sme nemali napríklad pre elektrinu zo solárnych panelov alebo veterných turbín vhodný odber.
Prímorské oblasti v rovníkovom alebo subtropickom pásme sú pre budovanie solárnych elektrární veľmi vhodné. Zatiaľ čo v našich podmienkach dopadne na meter štvorcový ročne zhruba 1100 kWh slnečnej energie, v tropickom pásme to môže byť aj viac než dvojnásobok. Každý meter štvorcový tak môže pri účinnosti solárnych panelov 18 percent vyrobiť ročne okolo 450 kWh elektriny, čiže po dvojitej premene a zaokrúhlení nejakých 112 kWh využiteľných pre pohon vozidla. To postačí jednému autu na dojazd približne 550 km. Inými slovami, pre auto s ročným nájazdom 20 000 km by bolo potrebných 36 m2 plochy solárnych panelov, umiestnených v tých najvýhodnejších lokalitách. V našich podmienkach by sme potrebovali skoro trojnásobok. Nielen pre menšie množstvo energie zo slnka, ale aj pre s tým spojené o niečo nižšie účinnosti pre naše končiny vhodných solárnych panelov. Inými slovami, nemá to zmysel, iba pre autá by sme ich potrebovali približne 620 štvorcových kilometrov. Pre zaujímavosť: Ak by sme touto energiou priamo nabíjali batérie, stačilo by nám približne 207 štvorcových kilometrov. Žiaľ, zatiaľ nevieme zmysluplne zladiť výrobu so spotrebou inak než cez vodík.
Prielomové riešenie
Výhodou elektrolýzy je, že sa dá prispôsobiť potrebnému rozsahu produkcie. Elektrolyzéry vyrábajúce vodík môžu predstavovať tak malé domáce zariadenia, ako aj veľké priemyselné mechanizmy. V mnohých častiach sveta však môže situáciu komplikovať obmedzený prístup k čistej vode, preto sa tím vedcov z univerzity Stanford zameral na možnosť výroby vodíka z morskej vody. Kalifornskí vedci skonštruovali zariadenia, v ktorých sa používajú elektródy odolné vodič korózii, ktorú spôsobujú ionty chlóru. Objav zverejnil profesor Hongjie Dai a jeho tím vo vedeckom časopise Proceedings of the National Academy of Sciences.
Elektrolýza vody je veľmi jednoduchá. Stačí vložiť do vody dve elektródy pripojené k elektrickému prúdu. Pri zápornej elektróde sa uvoľňujú bublinky vodíka, pri kladnej vzniká kyslík. Všetko prebieha hladko ak je voda čistá, katióny chlóru v slanej vode však spôsobujú rýchlu koróziu anódy. Tím spomínaného vedca zistil, že keď pokryje anódu vrstvami záporných nábojov, budú ionty chlóru odpudzovať a spomalia koróziu. Použili na to hydroxid nikelnatý a železitý na vrstve síranu nikelnatého pokrývajúceho penu z niklu. Funguje to rovnako ako vzájomne sa odpudzujúce póly magnetov. Bez tohto zabezpečenia by mohla kladná elektróda v morskej vode fungovať iba 12 hodín, potom by sa rozpadla. Vrstva síranu nikelnatého predĺži jej životnosť na viac než tisíc hodín.
Prvé testy prebehli v laboratóriu, kde bol prietok prúdu prísne regulovaný. Neskôr však vedci pripojili zariadnie k fotovoltaickému panelu a úspešne vyrobili vodík v sanfranciskej zátoke, v podmienkach veľmi vzdialených tým laboratórnym. Ukázali tak, že zariadenie môže spolupracovať s obvykle využívanými systémami výroby vodíka z čistej vody.
Nová metóda je taká jednoduchá, že sa dá veľmi ľahko aplikovať, čím sa otvárajú nové možnosti rozšírenia výroby vodíka za použitia slnečnej či veternej energie v prímorských oblastiach s vysokým a stabilným slnečným svitom. Stačí použiť nový druh elektród v už existujúcich systémoch. Bude to potrebný impulz pre väčšie rozšírenie vodíkových áut? Uvidíme....
Foto: 123RF
