Vodík

Výroba vodíku a jeho uskladnění patří v současnosti mezi největší priority při vývoji nových technických řešení, které by umožnily větší efektivitu v obou procesech. Výroba vodíku bohužel v současné době stále v největší formě probíhá za pomoci fosilních paliv, vzniká tak takzvaný šedý vodík, který je ale pro budoucí ekologické využití nevýhodný.

V současné době jsou tak většinou vyráběny tři druhy vodíku. Výsledný vodík je sice vždy stejný produkt, jeho druh je ale závislý na způsobu jeho výroby. Zatímco při výrobě z fosilních zdrojů jako je zemní plyn nebo metan hovoříme o modrém a šedém vodíku, v případě výroby z obnovitelných zdrojů energie jde o zelený vodík. A právě zelený vodík je ten se kterým do budoucna počítají plány na snižování emisí.

Modrý a šedý vodík, jak již bylo řečeno jsou vyráběny z fosilních paliv chemickým procesem, kdy při vysokých teplotách reaguje směs metanu a vodní páry. Tím vzniká náš výsledný produkt – vodík. Při tomto způsobu produkce je účinnost okolo 80 %, avšak na každý kilogram vyrobeného vodíku vznikne i 5,5 kilogramu oxidu uhličitého.

V případě modrého vodíku je přitom technologií CCS (carbon capture and storage) zajištěno zachycení vzniklého oxidu uhličitého a jeho uložení. U šedého vodíku tomu tak není a oxid uhličitý je tak vypouštěn přímo do atmosféry.

Téměř ideálním způsobem výroby vodíku je tak výroba z obnovitelných zdrojů, při které vzniká takzvaný zelený vodík. Ten je vyráběn parní elektrolýzou, standardní elektrolýzou či z biomasy. V případě elektrolýzy vody je proces vcelku jednoduchý. Průchodem elektrického proudu se štěpí vazby mezi vodíkem a kyslíkem a voda se tak rozkládá na tyto dva plyny. 

Celková účinnost výroby vodíku pomocí elektrolýzy je ovšem mnohem menší než je tomu u výroby za pomoci fosilních paliv. Účinnost výroby zeleného vodíku se totiž pohybuje okolo 60 %. Na výrobu jednoho kilogramu vodíku je pak potřeba 9 litrů vody a 60 kWh elektrické energie.

Výroba vodíku tak bude efektivní hlavně v případech, kdy je v rozvodných sítích dostatek elektrické energie a obnovitelné zdroje i nadále vyrábějí energii dalších. Právě její přebytky je tak možné, sice méně efektivně, ale uložit do vodíkových zásob. Ty je posléze možné použít pro vytápění, pohon vozidel nebo i výrobu elektrické energie v době, kdy jí je naopak při výrobě z obnovitelných zdrojů nedostatek.

Vodík je vědci i politiky velmi často považován za způsob, jak ukládat energii získanou z obnovitelných zdrojů energie (voda, slunce, vítr) pro použití v době, kdy tyto zdroje nejsou hlavně z klimatických důvodů dostupné (vítr nefouká, slunce nesvítí a podobně). Vodík lze totiž díky zařízení nazývanému palivový článek přeměňovat na elektrickou energii jednoduchou reakcí vodíku a kyslíku na speciální membráně.

Ačkoliv byly palivové články umožňující výrobu elektrické energie z vodíku umístěny už na palubě kosmických lodí Apollo, jejich účinnost je stále nízká. Navíc kvůli využití vzácných kovů není samotné pořízení palivového článku nijak levné, což ostatně ukazují i ceníky automobilů, které palivové články využívají. Například vodíkový automobil Hyundai NEXO kvůli vysoké ceně technologie automobilka prodává od 1 899 990,00 Kč (cena k 25. 3. 2024).

Účinnost palivových článků je navíc zhruba 50 %. Jeden kilogram vodíku je tak po dodání kyslíku na palivový článek schopný vyrobit asi 16 kWh elektrické energie a 16 kWh tepla. Na podobné množství vodíku je například osobní automobil schopný ujet přibližně 100 kilometrů.

Právě kvůli ztrátám při výrobě zeleného vodíku elektrolýzou a dalším ztrátám přímo v palivovém článku při zpětné přeměně na elektrickou energii se dosud vodíková vozidla příliš nerozšířila. Problematické je ale samozřejmě i samotné skladování vodíku, který je nutné skladovat stlačený v tlakových lahvích se speciálními parametry odolnými vůči přetlaku a destrukci.

Vodík má široké spektrum použití v mnoha průmyslových odvětvích. Jedním z nich může být automobilový průmysl. Některé světové automobilky už v současné době nabízejí vozidla poháněná elektřinou získávanou z vodíkových článků. U osobních vozidel ale boj o ekologické palivo vyhrává energie uložená v bateriích oproti vodíku a to hlavně kvůli jeho problémům se skladováním.

Vodík, který je skladován v nádržích je totiž mnohem objemnější i při stlačení na 350 až 700 bar. Výsledné nádrže, které jej ve vozidle ukládají tak mají několikanásobně větší objem oproti nádržím na benzín, což v osobních automobilech může zabrat velký prostor na úkor zavazadlového prostoru. Osobní automobil pak získává mnohem větší hmotnost, což má další nevýhody v provozu.

Jiný je ovšem tento problém u vozidel nákladních, tam totiž vyšší hmotnost ale i velký prostor pro nádrže na skladování vodíku není takovým problémem. Podle Evropské unie tak vodík bude hrát v následujících letech prim v oblasti bezemisních nákladních vozidel. 7 % všech nových nákladních vozidel by měl už v roce 2030 pohánět právě vodík.

Využití ale najde vodík i v dalších oblastech dopravy a to na železnici. Podle studií, které financoval Ústecký kraj by tak například v tomto regionu mohlo už do roku 2030 jezdit více jak osmdesát vlakových souprav poháněných čistou energií z vodíku. Vodíkové vlaky ale už v současnosti jezdí v běžném provozu v Německu, Velké Británii a brzy i ve Francii.

Mimo dopravy ovšem najde vodík velké využití i pro vytápění domácností, což zkouší již velké množství zemí za využití současných rozvodů pro zemní plyn. Odstranění emisí může přinést přechod na vodíkové technologie i v těžkém průmyslu jako je například výroba oceli. Právě tam totiž v současné době vzniká velké množství oxidu uhličitého kvůli využívání fosilních paliv na udržování stálých teplot nutných pro výrobu oceli.

Osobní automobily poháněné vodíkem nejsou ve světě automobilismu nic převratného. První vozidla začaly automobilky testovat už před několika desítkami let. Například japonská automobilka Mazda svůj vodíkový motor vyvíjí už od 90. let. Novinky v oblasti vodíkových vozidel ale začaly přicházet až s větším tlakem na snižování emisí skleníkových plynů v osobní dopravě. Velký průlom pak přišel za posledních patnáct let.

V současné době patří vodík v osobních automobilech spíše za raritu. Mezi nejznámější osobní vozy poháněné vodíkem je možné zařadit Hyundai Nexo nebo Toyota Mirai. V tuzemském registru silničních vozidel tak bylo k poslednímu dni roku 2021 registrováno pouze devět kusů osobních automobilů (včetně dodávek) na vodík.

V případě vodíkových nákladních automobilů u kterých se v budoucnu očekává rychlý růst je zatím situace v rámci České republiky stálá. K poslednímu dni roku 2021 bylo v registru vozidel České republiky registrováno přesně nula provozovaných nákladních automobilů na vodík. V případě autobusů, které v blízké době přibudou například v ostravské MHD je zatím stav stejný jako u nákladních vozidel, tedy nulový.