Vodík: Nejlehčí prvek je největší výzva
Dnešní společnost vykazuje stále větší nároky na energii. Budoucnost patří udržitelným způsobům získávání energie pro lidské potřeby. Často se zmiňují obnovitelné zdroje energie doplněné o bateriovou akumulaci energie jako potenciální řešení poptávky po elektrické energii, to však neřeší rozdíl mezi létem a zimou. Právě v zimních měsících je spotřeba energie s ohledem na vytápění nejvyšší. Nutností je zajistit sezónní úložiště energie, právě v této oblasti bude hrát vodík významnou roli. Ať už ve formě čistého plynu, nebo jako součást syntetických paliva, vyráběných procesy známých jako Power to Gas a Power to Fuel.
Vodík jako palivo
Vodík je palivo a energetický nosič s velkým potenciálem. Jeden kilogram vodíku obsahuje 39,3 kWh, což je ve srovnání s ropou či palivy na její bázi, které mají energetický obsah zhruba 12,5 kWh/kg, velice vysoká hodnota.
Hlavní nevýhodou vodíku je však jeho nízká objemová hustota. Vodík je tak lehký, že v plynné formě je schopen opustit atmosféru a uniknout do vesmíru. Tlak a odpovídající hustota vodíku a energetická hustota za teploty 25 °C:
- 1 bar (Atmosférický tlak) => 0,081 kg/m3 = 3,2 Wh/litr
- 10 bar → 0,808 kg/m3 = 31,8 Wh/litr
- 100 bar → 7,671 kg/m3 = 301,5 Wh/litr
- 350 bar → 23,351 kg/m3 = 917,7 Wh/litr
- 700 bar → 38,256 kg/m3 = 1503,5 Wh/litr
- Kapalný vodík (teplota -253 °C, 33 K) → 70,85 g/litr = 2784,4 Wh/litr
Výroba vodíku
Vodík lze snadno vyrábět elektrolýzou vody, nebo parní reformací zemního plynu. Pokud je pro elektrolýzu použita elektrická energie z obnovitelných zdrojů energie, tak lze mluvit o zeleném vodíku. Účinnost elektrolýzy vody se v průměru pohybuje mezi 70 a 80 %. Metoda parní reformaci má významnou ekologickou stopu, stejně tak jako vodík z elektrolýzy napájené elektřinou z klasického energetického mixu.
Vodík lze transportovat buď v kapalné formě, nebo stlačené plynné formě. Stlačení vodíku spotřebuje zhruba 3 % energie (na tlak 350 bar), které je v daném množství vodíku uloženo.
Zkapalňování vodíku
Zkapalnění se pak děje při teplotách -253 °C. Zkapalněný vodík navíc musí být v určité atomární konfiguraci. Po zkapalnění musí být složky, ze kterých je složen, složitě separovány. Účelem je maximalizovat obsah formy, která se odpařuje nejpomaleji. Tyto procesy dále snižují efektivitu zkapalňování vodíku. Za zmínku stojí také fakt, že díky tlaku trojného bodu vodíku se ve zkapalněném stavu může skladovat jen za nízkých tlaků. S vyšším tlakem by rostly nároky na skladovací nádoby (Dewarovy nádoby) bez jakékoli výhody.
Proces zkapalnění vodíku spotřebuje zhruba 36 % energie, kterou dané množství vodíku obsahuje (12 kWh elektrické energie na kg vodíku). Stlačení na tlak plnicích stanic vodíku při 700 barech spotřebuje zhruba 9 % energie uložené v kilogramu vodíku. Kvůli zachování rozumných plnících časů nadrží vozidel se musí vodík stlačit až na tlak 880 barů a zchladit na teplotu -40 °C, aby nebyla překročena maximální teplota nádrže při plnění (85 °C).
Účinnost přeměny
Vodík je pak v místě spotřeby využíván palivovými články, nebo je spalován v zařízeních pro to určených. Energetické využití v palivových článcích dosahuje vyšších účinnosti. Provozní teploty PEMFC jsou do 80 °C, zatímco spalovací motory dosahují mnohem vyšších teplot. Bohužel účinnost palivových článků se v reálném provozu pohybuje mezi 40 a 60 % pro typ palivového článku PEMFC. Reálná hustota energie je po započítání účinnosti palivových článků podobná parametrům lithium iontových baterií.
Výjimečnost ropy
Ropa má výhodu v tom, že její výhřevnost je nesrovnatelně vyšší než u jiných nosičů energie, proto zatím neexistuje žádná komerčně dostupná a dostatečně významná alternativa. Výhřevnost ropných paliv se pohybuje okolo 12,5 kWh/kg, což je ve srovnání s nejlepšími elektrochemickými sekundárními zdroji na bázi li-ion asi 38x větší hodnota hustoty energie.
Mohlo by vás zajímat:
Takže kdyby se objevily pohádkové berušky, které by zcela zdarma v neomezeném množství vyráběly vodík a plnily by ho do připravených nádrží, tak čistě jen elektřina potřebná na zkapalnění se rovná množství elektřiny na ujetí stejné vzdálenosti úsporného BEV (např. Ioniq).
Na to si nechť si vzpomenou ti, co říkají, že ve vodíku je budoucnost, protože nemáme na elektromobily dost elektřiny.
I u toho plynného vodíku jsou ztráty šílené.
A teď si k tomu všemu připočtěme 55 kWh/kg pro výrobu bez kouzelných berušek...
Někde jsem četl, že celý cyklus PGP se všìm všudy, tj. výroba elekktrolýzou, stlačení, skladování, výroba elektrické energie vyjde ve vodíku asi na 30%. Pokud je to pravda. je to velmi slušný výsledek. Spalovací motory pracují s podobnou účinností, fosilní elektrárny jsou, s výjimkou paroplynových na tom ještě hůř. Nic nebrání tomu, vodík začít tímto způsobem využívat.
Odstavec o ropě na konci článku mi v této souvislosti nedává smysl.
Jenže u spalování ropy/plynu nemusíte palivo vyrobit, to je ten rozdíl.
Pro zajímavost v roce 2022 se elekrolýzou vyrobilo 0,03 % vodíku, tj. pokud výrobu zvýšíme 3000x, pokryjeme současnou poptávku, pro využívání pro dopravu, průmysl a jako úložiště energie bude potřeba zvýšení výroby tak 20000x. Docela dost, na to, že s tím počítáme jako s hotovou věcí v příštím desetiletí.
Pro ekonomické porovnání uskladnění H2 by bylo dobré uvést jeho uskladnění také v pevném stabilním stavu v podobě např. hydridu Mg, na který bylo již v minulosti zde upozorněno. Takový způsob v případě uzavřeného cyklu by dokázal posunout tento problém o znatelný pokrok dopředu.
Všechna umělá paliva jsou ohromně neefektivní, proto se také příliš neužívají Když vezmete celý cyklus tj. máme palivo , uděláme z něho elektřinu z ní vodík ten uskladníme na zimu a zase z něho vyrobíme elektřinu pak to vypadá takto pro nejúčinnější komerční technologie - FV panel 22% , elektrolyzér 80% ( to beru z článku reálně 70% , ale OK) zkapalnění 64% , palivový článek 50% = 0,22 x 0,8 x 0,64 x 0,5 = 5,6% účinnosti.... jinými slovy 3/4 energie přijde vniveč cena takové el. energie bude 20kč /kWh nejméně. Pokud výroba vodíku pak u tepla z jaderné elektrárny tím se ušetří konverze na el. energii pak z toho vodíku udělat syntetický zemní plyn ztráty v konverzi vodík - zemní plyn jsou jen 10% plyn pak jen vtlačit do plynovodu. Ve výsledku bude výroba el. energie z takového plynu mít celkovou účinnost cca 25%. Pokud bude na vstupu jaderné palivo a ještě v zimě lze využít odpadní teplo reaktoru pro vytápění měst. Stejně tak lze využít odpadní teplo plynové elektrárny. vyrábět vodík elektrolýzou je zelená energetická utopie. Protože ničíme ušlechtilou energii kdežto v JE využíváme teplo , které konverzí na el. energii ztratí 66% energie vyrobit z něho vodík tak je v reálu mnohem méně bolestivé než ho vyrábět už z hotové el. energie.
Bohužel nepřinesl, procesy typu Hydrogen storage v nejlepším případě jsou zcela neefektivní a při technologických pokusech obvykle nechodí, jak by se od nich vyžadovalo. Největší problém je v počtu cyklů adsorpce/reakce vodíku a jeho uvolnění. Za současného stavu technologií je to typická Cimrmanovská slepá ulička.
Američani zkouši i AlH3 (armáda), ale stejně ze 30 kg AlH3 dostanete (uložíte) max 3 kg vodíku. Pokud jej chcete používat opakovaně (tepelný rozklad). Pokud byste do toha nalil vodu, dostanete sice víc vodíku, ale zničíte si tu „baterii" (dostanete hydroxid hlinitý).
Ale asi by to šlo jako kazeta, která se při 10 GPa a 600 °C se „nabije" vodíkem (resp. vytvoří AlH3), a v domečku zahřátím se vodík uvolní pro spotřebu.
Nejsem si jist ekonomikou tohodle projektu.
A co pak v autě budeš dělat s tím manganem?
řešení je využít existující infrastrukturu a přimíchávat zelený vodík do zemního plynu .. což samozřejně nikdo dělat nebude protože to není cool, trendy, hip a zelení soudruzi se tak nebudou moci vzájemně plácat po zádech jak jsou zelení
To co naznačujete řešením je. Ovšem řešením čeho? Inu toho aby se ukázalo, že to nefunguje. Že H2 difunduje přes infrastrukturu dříve, než se dostane k zákazníkovi. Tak toto řešení by Vám opravdu šlo.
podle této logiky vlastně zemní plyn a jeho distribuce také nefunguje .. měl byste to všem těm firmám vysvětlit že se jim všechen ten zemní plyn ztratí po cestě
Chápete rozdíl mezi H2 a CH4. Plynný H2 v plynovodu bez velkých ztrát neudržíte.
Tady se ukazuje pouze Vaše neznalost. Vodík je malý a projde i 2cm ocelí, narozdíl od zemního plynu, který ocelí neprojde.
Máte do jisté míry pravdu. Trubky to v tlaku udrží viz rozvody 32MPa např v Chemopetrolu, nicméně je důležitý připomenout, že vodík má jednak nejmenší molekulu , chová se jinak než ostatní plyny-při expanzi (netěsnost v potrubí) se ohřívá a pak se samovznítí. Dále nepodceňujte vodíkovou křehkost ocelí. To jen v kontextu, že ho pustíte do stávajících plynovodů, navíc s armaturama, který na něj nejsou postavený
Problém není v zemním plynu protože pro ten je železná trubka těsná dost. Problém je v tom molekulárním vodíku,který skrz stěnu trubky bez problému difunduje pryč dřív,než ho někam dopumpuješ.
A jen doplním, k čemu tak složitá výroba, skladování , distribuce a spotřeba je? Co to vlastně řeší? Buduje se další paralelní energetická síť?
Zeleny vodik ma urcitou sanci v zemich, ktere maji velkou neobydlenou plochu ktera se muze zastavet FVE a nic to nenarusi. V USA, Cine, v Jizni Americe, v Africe, Indii, Australii, vsude tam se muzou etablovat vodikove fabriky a muzou zasobovat cely svet. Evropa bude mit zase trochu smulu. Neco mensiho by slo postavit treba ve Spanelsku. Casem to nekdo postavi.
Jen to bude všechno 3x dražší....
Ekonomice vzdy pomuze vynalez neceho co lidi potrebuji a chteji a zacne se to vyrabet a prodavat. Vemte si auta. Kolik bysme usetrili, kdyby sme je nepotrebovali. Ale presto bysme hrozne zchudli, protoze by se mene vyrabelo/prodavalo. Takze fabriky na H2 budou drahe, ale zaroven to ozivy ekonomiku.
Ekonomika i cestina na urovni sotva 3 tridy zakladky.
Promin, ale mel jsi se lepe ucit.
...měl ses... :-)
Tak jasně, zrovna v Indii mají určitě "velké neobydlené plochy", když je tam hustota osídlení skorem 3x vyšší než u nás. Vzpamatujte se, a nemelte blbosti.
V Indii maji i poust. Mozna i vice nehostinnych regionu. Nesmite se ridit jen selskym rozumem. I kdyz i ten u vas asi neexistuje.
Takže celková účinnost je 34%.
elektrolýza: 0,75
slačení: 0,91
palivový článek: 0,5
0,75*0,91*0,5= 0,34
Účinnost pomalu dobíjeného elektromobilu je přes 90%. Navíc ten vodíkový článek v autě beztak dobíjí baterii a pak je tam elektromotor.
Nevidím smysl vodíku. Na uchování energie se určitě vymyslí něco účinnějšího než je vodík, třeba nějaké průtokové baterie. Vodík je slepá vývojová větev.
Jaderná mafie při vyslovení slova vodík skřípe zubama. Tuší, že vodík coby médium na akumulování energie z OZE bude pro jádro příliš velké sousto, což bude mít za následek definitivní konec jaderné energetiky. Smnad se uplatníte třeba jako popeláři.
Proč by nemohla JE ukládat přebytky energie do vodku či jiného média stejně jako si to představujeme (přejeme) u OZE? Jen to teda chce vyřešit pár drobných problému jakou ekonomocký, ekologický, distribuční a spotřebitelský. Ale pokrok nezastavíš. Bude to trvat ještě hodně let a moře peněz.
Jste příliš zaslepený pouze OZE.
Ten překlep je vlastně správný, ukládání přebytků energie do vodíku nebo do vodky povede ke stejnému konečnému stavu společnosti :-)
@Karasek, vy mate ale omezeny slovnik. Kazdy kdo si mysli neco jineho nez vy, je mafian. Jo, tak je to vzdycky, kdyz dojdou argumenty.
Ty cisla na stlaceni vodiku na 350 bar jsou podezrele nizka. Ja vsude ctu, ze je to cca 15-20%, na 700 bar dokonce 30-35% energie ve vodiku ulozeneho.
Mohl by autor uvest zdroj tech 3% potrebne energie potrebne na stlaceni na 350 baru?
No on celkový problém je trochu složitější, než se nám snaží evropská komise se svým Green dealem namluvit. Problém Li-baterie je, že je na hranicích současných technologických možností a její další vývoj za účelem např. rychlosti nabíjení a počtu nabíjecích cyklů, hodně nejistý. Ostatní typy baterií např. na bázi sodíku nebo pevných elektrolytů obvykle nepřekročily práh laboratorních zkoušek a trpí zase jinými neduhy. Co se týká vodíku je velký problém s jeho fyzikálními vlastnostmi, viz. komentáře, ale také např. s vodíkovou korozí, explozivitou atd. Takže EU nám vnucuje něco, na co nejen že není připravená ekonomicky, ale hlavně technologicky. V současné době prostě neexistují technologie, které by adekvátně nahradili současné spalovací motory. Navíc si není schopna přiznat, že nemá technologicky vhodnou metodu pro uchovávání energie a to nejen elektrické.
1. Technická poynámka k textu: -253 °C fakt není 33 K: Je to 20 K.
2. Stlačování (kompresee) vodíku. Uvádí se, že na stlačení vodíku na 350 barů je potřeba cca 15 – 20 % energie v palivu (Viz např https://www.hytep.cz/cs/faq).
3. Z důvodu velmi nízké inverzní teploty vodíku je nebezpečný únik ztlačeného vodíku, kdy se expandující vodík silně zahřívá a může dojít k samovolnému vznícení.
Psal jsem to už jednou, ale asi to neprošlo ....
takže znova:
1. Technická poznámka k textu: -253 °C není 33 K, ale 20 K.
2. Pro ztráty stlačením vodíku na 350 barse uvádějí hodnoty 15 - 20 % energie v palivu. Zkapalnění vodíku sebere potom 30 – 40 % celkově obsažené energie v palivu. Další ztráty jsou při uchovávání v kapalném stavu. Uvádí se asi 1-2 % denně.
3. Další problém/ nebezpečí vidim ve vlastnostech vodíku. Malá molekula, vodíková koroze a vysoká inverzní teplota (-80 °C). Z toho vyplývá nebezpečí při úniku vodíku, kdy při polesu tlaku dochází k silnému zahřívání a unikající vodík se může samovolně vznítit/explodovat.
Proč se vodík neukládá do prášku z LaNi5? Existují ale i další vhodné slitiny.
Protože to je o palivu do vozidel. Co budeš v autě dělat s metrákem prášku?
málo lantanu?
Je to bohužel stále stejné, všichni progresivističtí mágové a nadšenci pro novou a zcela neškodnou energetickou soustavu, včetně vodíkové mobility dokazují jediné - nedostatky ve vzdělání. Vraťte se do školy !!! Ignorováním přírodních zákonů perpetuum mobile nestvoříte!
Komentáře v diskuzi mohou pouze přihlášení uživatelé. Pokud ještě účet nemáte, je možné si jej vytvořit na stránce registrace. Pokud již účet máte, přihlaste se do něj níže.
V uživatelské sekci pak můžete najít poslední vaše komentáře.
Přihlásit se