Výroba vodíku z obnovitelných zdrojů: Metody a technologie

Jak průmysl přidává udržitelné zdroje energie do globálního boje proti změně klimatu, vodík se objevuje jako čistá a všestranná alternativa k fosilním palivům. Vodík je stále důležitější jako slibný nosič čisté energie - zejména s ohledem na budoucnost, která bude ohleduplnější ke klimatu. Ale přemýšleli jste někdy nad tím, co vlastně vodík je a jak se vyrábí? Jednoduše řečeno, vodík je bezbarvý plyn bez chuti a bez zápachu. Má pověst nejjednoduššího a nejhojnějšího chemického prvku ve vesmíru.

Vodík se skládá z nepatrných částic, protonů a elektronů. Je extrémně reaktivní a může se spojovat s dalšími prvky a vytvářet sloučeniny, jako je voda. Funguje jako výkonné palivo a lze jej využít k výrobě elektřiny, pohonu vozidel a výrobě tepla.

Metody výroby vodíku

Pro vodík je k dispozici široká škála výrobních metod, z nichž každá se liší technickou, finanční a environmentální životaschopností. Průmyslově připravená výroba vodíku může probíhat řadou metod, včetně termochemických, elektrolytických, fotokatalytických a biofotolytických. Tyto termíny označují různé způsoby výroby vodíku a jejich související dopady na životní prostředí.

Rozdělení vodíku podle původu

V přírodě se vodík vyskytuje nejčastěji ve formě sloučenin (voda, metan atd.), z nichž je možné jej vyrábět v čisté formě. Podle původu, resp. způsobu výroby, se rozlišuje několik druhů vodíku:

• Zelený vodík
• Šedý vodík
• Modrý vodík
• Tyrkysový vodík
• Růžový vodík
• Bílý vodík

a) Šedý vodík se vyrábí ze zemního plynu (především metanu) pomocí SMR nebo ATR. Vedlejší produkt oxidu uhličitého se uvolňuje do atmosféry, což z něj činí nejméně nákladnou, ale také nejméně ekologickou metodu.

Čtěte také: Složení ekologické zubní pasty

b) Modrý vodík se vyrábí stejnými metodami jako šedý, ale uhlík se v procesu zachytí a nakonec uloží, místo aby se uvolnil do atmosféry.

c) Zelený vodík se vyrábí štěpením vody na vodík a kyslík pomocí elektrolýzy poháněné obnovitelnými zdroji energie, jako je slunce a vítr. Tato metoda nemá žádné přímé emise skleníkových plynů, což z ní činí nejudržitelnější možnost.

Tyrkysový vodík se vyrábí pomocí metanové pyrolýzy, kdy se zemní plyn zahřívá přímo na extrémní teploty - vyšší než 900 °C (1652 °F) - při kterých se rozkládá na plynný vodík a pevný uhlík. Když je teplo potřebné pro pyrolýzu generováno z obnovitelných zdrojů, jako je solární nebo geotermální, tyrkysový vodík se stává čistším.

Růžový vodík - Jaderně podporovaná výroba vodíku Elektrolýza na jaderný pohon je potenciální cestou k rozsáhlé a bezuhlíkové výrobě vodíku - označované jako „růžový vodík“ - i když se tato metoda stále objevuje. Vzhledem k tomu, že jaderné elektrárny pracují nepřetržitě, poskytují stabilní zdroj energie pro výrobu vodíku a řeší problémy s přerušováním spojené s obnovitelnými zdroji energie.

Bílý vodík Kromě toho se někdy mluví o bílém vodíku, který se vyskytuje pod zemí již v čisté formě a je tedy možné jej přímo těžit. Doposud se však těží pouze jediné naleziště v africkém Mali. Další projekty jsou ve fázi explorace či přípravy na těžbu.

Čtěte také: Výroba šetrných mycích prostředků

Parní reforming zemního plynu

V současné době se jedná o nejrozšířenější technologii výroby vodíku. V tomto procesu se zemní plyn, který se skládá převážně z metanu, ohřívá vodní párou za přítomnosti katalyzátoru. V tomto procesu reaguje metan v zemním plynu s vodní párou, čímž vzniká vodík (H2) a oxid uhelnatý (CO). Získaný vodík se čistí a lze jej následně použít jako palivo ve vozidlech, k výrobě elektřiny v palivových článcích nebo v různých průmyslových aplikacích. Tento proces je levný, ale má i nevýhody.

Jak SMR, tak ATR začínají uhlovodíkovou surovinou, typicky zemním plynem, který sestává především z metanu (CH4). V SMR se tento metan předehřívá a kombinuje s vysokoteplotní párou (H2O) v přítomnosti katalyzátoru v reformovací jednotce. ATR zavádí jak páru, tak řízený objem plynného kyslíku (O2) do reformovací jednotky, což způsobuje spalování. Na rozdíl od SMR, ATR nevyžaduje vnější teplo pro proces reformování metanu. Za extrémních teplotních podmínek v obou procesech katalyzátor usnadňuje disociaci molekul metanu a vody v reformovací jednotce a narušuje jejich chemické vazby. Výsledkem tohoto procesu tepelného krakování je proud plynného produktu obsahující požadovaný vodík spolu s oxidem uhelnatým a stopovými množstvími oxidu uhličitého.

V aplikacích, kde se oxid uhličitý uvolňuje do atmosféry, se produkovaný vodík nazývá „šedý vodík“. Pokud se CO2 místo toho sekvestruje, vodík se stane „modrým“. ATR je energeticky účinnější než SMR, protože nevyžaduje externí zdroj tepla. Kromě toho řízené dávkování kyslíku v reformovací jednotce podstatně snižuje produkci oxidu uhelnatého a vytváří čistší proud oxidu uhličitého než SMR. Díky tomu je ideální pro výrobu modrého vodíku. Životaschopnost modrého vodíku z hlediska životního prostředí závisí na účinnosti a škálovatelnosti technologií CCS, které zůstávají oblastmi pokračujícího výzkumu a vývoje.

Elektrolýza vody

Elektrolýza je proces, který pomocí elektrické energie štěpí molekuly vody (H2O) na vodík (H2) a kyslík (O2). Když systémem protéká stejnosměrná elektřina, dochází k redukci na katodě, která přijímá elektrony. To přitahuje záporně nabité anionty z elektrolytu, aby vyplnily prázdnotu po elektronech přitahovaných katodou. Na katodě kladně nabité atomy vodíku (H+) získávají elektrony a tvoří plynný vodík, zatímco na anodě molekuly vody ztrácejí elektrony, uvolňují plynný kyslík a doplňují vodíkové ionty pohybující se směrem ke katodě. Čistým výsledkem je rozdělení vody na molekuly vodíku a kyslíku. Když je k dispozici přebytek obnovitelné energie, poskytuje zelený vodík udržitelný způsob jeho sklizně a zásobování sítě později v případě potřeby.

Proces elektrolýzy je nejslibnější. Elektrolýza umožňuje ekologicky šetrnou výrobu vodíku, zejména pokud použitá elektřina pochází z obnovitelných zdrojů energie. Tyto technologie hrají důležitou roli v nástupu čistého vodíku jako trvale udržitelného nosiče energie pro různé aplikace.

Čtěte také: Recyklujte a vyrobte si vlastní mýdlo snadno a rychle

Metod elektrolýzy je však více. Dosud známe alkalický elektrolyzér a vysokoteplotní elektrolyzér. Komerčně nejvyužívanější je alkalická metoda, která se ale používá spíše velkokapacitně. Jde totiž o nízkoteplotní elektrolýzu s bazickým elektrolytem (roztok, který vede elektrický proud), jež sice není tak finančně náročná, ale zároveň ani příliš efektivní.

Druhou metodou je kyselá elektrolýza (PEM), která využívá polymerní membránový elektrolyt. Výhodou této technologie jsou menší rozměry - jde obvykle o kontejnerová řešení. Díky tomu se dosahuje ohromné kinetické síly elektronových reakcí k rozkladu vody, aniž by byl použit katalyzátor. Tato metoda je velmi efektivní a nadějná. Jedná se o novou technologii, která však na několika místech na světě už funguje.

Nová metoda umožňuje využívat vodu přímo z oceánu k efektivní výrobě tzv. „zeleného vodíku“. „Jako surovinu pro výrobu vodíku jsme použili mořskou vodu, aniž bychom ji museli předem upravovat pomocí osmotické desalinizace, purifikace či alkalizace,“ zdůraznil Yao Zheng. Nový objev vědců významně posune vývoj technologií pro výrobu vodíku. Nový objev také řeší obavy z nedostatku vody, které přetrvávají v souvislosti s ekologickým vodíkem.

Solární výroba vodíku

V této metodě se k provádění elektrolýzy používá solární energie namísto elektrické energie. Lze k tomu využít buď přímé sluneční světlo, nebo soustředit sluneční záření pomocí slunečních zrcadel nebo kolektorů.

Termochemická výroba vodíku (biologická výroba vodíku)

Některé mikroorganismy, například určité bakterie nebo řasy, dokážou produkovat vodík fermentací nebo fotosyntézou. Tato metoda se stále ještě vyvíjí, ale má potenciál jako udržitelný a ekologický zdroj vodíku.

Fotokatalytické štěpení vody

Fotokatalytické štěpení vody využívá přímo sluneční energii a využívá polovodičové materiály, které absorbují sluneční světlo, aby štěpily molekuly vody na vodík a kyslík bez elektřiny. Když fotony narazí na polovodič fotokatalyzátoru, excituje elektrony, které poskytují energii k řízení chemické reakce, napodobující fotosyntézu v rostlinách. Tato metoda není zdaleka připravena na masové zavedení a je zapotřebí dalšího výzkumu, aby se vyvinuly nákladově efektivní fotokatalytické materiály.

Biologická a biochemická výroba vodíku

Další možností produkce pro budoucí využitelný vodík je biofotolýza, která využívá fotosyntetické schopnosti řas a sinic v přírodě k produkci vodíku z vodních ploch. Kromě toho mohou být enzymatické reakce schopny katalyzovat produkci vodíku z biomasy nebo vody.

Výroba vodíku z biomasy

V tomto článku je diskutována přeměna biomasy na vodík, jako jedna z nejúčinnějších možností jejího energetického využití. Hlavním cílem článku je shrnout současně uvažované technologie použitelné pro výrobu vodíku z biomasy. Jsou zde popsány tyto procesy: katalytické parní reformování, termochemická produkce pomocí slunečního záření a biotechnologická produkce zahrnující vodíkovou fermentaci (dark hydrogen fermentation) a fotofermentaci.

Termochemické procesy

Termochemické procesy jsou skupinou technologií které se vyznačují tím, že teplota při nich přesahuje mez stability dané látky za daných podmínek (pohybuje se v rozmezí od cca 200 do 3000°C pro různé látky a různé podmínky). Podle chemického charakteru reakce mohou být chemické procesy dále děleny na (i) oxidativní, kde množství oxidantu v reakční zóně je vyšší nebo rovné stechiometrickému (spalování) a (ii) reduktivní, při kterém je množství oxidantu substechiometrické či dokonce nulové (pyrolýza, zplyňování). Pro výrobu vodíku mohou být využity pouze procesy z druhé skupiny. Je důležité poznamenat, že v některých procesech nevystupuje jako oxidant pouze kyslík, ale může být nahrazen např. oxidem uhličitým nebo nejčastěji vodou.

Parní reformování biomasy

Parní reformování biomasy sestává ze dvou základních kroků. Prvním z nich je pyrolýza, při které vznikají z biomasy převážně plynné produkty (methan, vodík, oxid uhelnatý) jak je ukázáno v rovnicích (1) a (2):

Následuje druhá fáze, ve které jsou zbylé organické pevné látky a methan převedeny pomocí vodní páry na oxid uhelnatý a vodík (reakce (3), (5) a (6)) při 600-1000 °C v kombinaci s dalším zvýšením výtěžku vodíku pomocí převedení oxidu uhelnatého na oxid uhličitý a vodík podle reakce (4) (tzv. water-gas shift reaction).

Substráty zpracovatelné touto metodou tvoří široké spektrum od pevného komunálního odpadu, přes odpady z potravinářského průmyslu, oleje, cíleně pěstovanou nebo odpadní zemědělskou biomasu, až po paliva fosilního původu např. uhlí.

Vodík z derivátů biomasy

Zajímavou alternativou k přímé výrobě vodíku z biomasy je využití jejích derivátů. Ty jsou nejčastěji získávány biotechnologickými procesy a jedná se zejména o bioethanol a bioplyn. Tato metoda je zajímavá zejména z důvodu obtížné skladovatelnosti a distribuce vodíku v mobilních aplikacích. Uvažuje se proto o tzv. on-board reformingu, kde je vodík ze zásobní látky vyráběn až přímo ve vozidle. V případě bioethanolu pak takovýto systém spojuje výhody kapalného paliva (umožňuje tankovat u klasických čerpacích stanic, jednodušší skladování) s vyšší účinností technologií vodíkových palivových článků.

Katalytické parní reformování bioplynu

Během procesu parního reformování, reaguje plyn obsahující methan s vodní parou pří teplotě 500-950 ° za přítomnosti katalyzátoru, obvykle niklu. Reakce jsou popsány následujícími rovnicemi:

U obou reakcí je rovnováha posouvána směrem k produktům za vysokých teplot a nízkých tlaků. V praxi se k dosažení požadovaného stupně konverze využívá přidání nadstechiometrického množství vodní páry (cca 300%) což umožňuje pracovat za tlaku až 4 MPa. Reakce (7) je naproti tomu homogenní endotermní reakce a k posunutí rovnováhy směrem k produktům dochází za nižších teplot.

Vzniklý syntézní plyn - směs vodíku a oxidu uhelnatého - musí být před použitím v PEM palivových článcích čištěn, jelikož oxid uhelnatý je katalytickým jedem pro vzácné kovy.

Další techniky katalytického reformování

Krom katalytického parního reformingu, existují i další možnosti termochemických reduktivních procesů využitelných pro výrobu vodíku. Jsou to především: (i) reformování oxidem uhličitým, (ii) parciální oxidace a (iii) termické krakování.

(i) Reformování oxidem uhličitým (8) - část vodní páry je v tomto procesu nahrazena oxidem uhličitým, což vede k produkci syntézního plynu s větším poměrem CO/H2.

Z toho vyplývá, že tento proces není vhodný pro výrobu vodíku pro využití v palivových článcích, ale spíše pro přípravu syntézního plynu pro výrobu např. kyslíkatých organických sloučenin. Hlavní výhodou je fakt že dochází k využití oxidu uhličitého jako skleníkového plynu.

(ii) Parciální oxidace (9) - tento proces je schopen produkovat vodík z bioplynu ale je schopen pracovávat i těžké uhlovodíky a může probíhat buďto katalyzovaně za nižších teplot (methan okolo 600 °C) nebo bez přítomnosti katalyzátoru za teplot vyšších (od methanu k těžkému topnému oleji a uhlí při 1100-1500 °C).

Přes menší výtěžnost v porovnání s parním reformováním, může být u některých paliv díky exotermicitě a lepší selektivitě pro vznik syntézního plynu tento proces ekonomicky příznivější.

Pokud je k palivu a oxidantu přidána ještě vodní páre je možné docílit bilanční rovnováhy mezi exotermickou parciální oxidací (9) a endotermickými reformačními reakcemi (5) a (6). Takový proces je pak nazýván autotermním a vyznačuje se tím, že nemusí být dodáváno žádné vnější teplo.

(iii) Termické krakování - další možnosti zužitkovaní uhlovodíků termickými procesy je jednokrokové termokatalytické štěpení. Methan nebo vyšší uhlovodíky se v nepřítomnosti oxidačního činidla rozkládají mezi 700 a 980 °C vytvářejíc vodík a uhlík:

Získávána je obvykle směs CH4 - H2 s obsahem vodíku 30 až 98 % obj.

Katalytické parní reformování bioethanolu

Ethanol je dnes považován za velmi důležitý substrát a to díky mnoha výhodám: (i) může být produkován z biomasy a patří tedy mezi obnovitelné zdroje, (ii) je to netoxická kapalina výrazně se neodlišující od dnes používaných kapalných paliv, (iii) snadno poskytuje vodík za podmínek parního reformování, (iv) obvykle neobsahuje katalytické jedy (síru).

Chemie procesu

Celková stechiometrie procesu je popsána následující rovnicí:

Technicky je proces provozován podobně jako reformování methanu/bioplynu ve třech krocích (i) parní reformování, (ii) WGS reakce a (iii) metanizace nebo purifikace z důvodu odstranění zbytkového CO (katalytický jed pro vzácné kovy v PEM FC) (Obr. V této fázi je C2H5OH přiváděn do reaktoru (reformeru) a termochemicky štěpen na jednodušší chemická individua. Ty dále reagují s vodou za vzniku oxidu uhelnatého (CO), CO2, C2H4O, C2H4, nebo CH3COCH3. Konverze ethanolu na vodík tak probíhá zvláště podle rovnic (12) a (13).

Jelikož většina katalyzátorů používaných k reformování produkuje také CO, je nezbytné zařadit následující WGS reakci (4). Jak již bylo zmíněno, dochází během ní ke snížení obsahu CO jeho reakcí s vodou (až na 0,5 - 1 mol%) (reakce (4)). Tato vratná reakce je posouvána směrem k produktům za snižováním teploty. Z hlediska kinetiky je však preferována vyšší teplota. Z tohoto důvodu se obvykle používá dvou kroků, nejprve vysokoteplotního a poté nízkoteplotního. V prvním kroku dochází ke konverzi až 90% a ve druhém je dále zužitkováno dalších 90 % zbylého CO. Dalšího snížení obsahu CO v reformátu může být dosaženo katalytickou metanací (iii). Metanizační reaktor přeměňuje zbytkový CO na methan a snižuje jeho koncentraci až na požadovaných 10 ppm avšak za cenu konzumace vodíku a snížení celkové výtěžnosti:

V dnešní době se uplatňují i alternativní přístupy v čištění vodíku a to zejména adsorpce s proměnným tlakem, kryogenní destilace a membránové technologie, které jsou schopny zajistit potřebnou čistotu vodíku a metanizace není pak nadále potřeba.

Katalýza

Všechny tři procesy mohou probíhat simultánně v jednom reformeru a konečné složení produktů je pak udáno zejména využitými katalyzátory Haryanto et al. podává rozsáhlé informace o katalyzátorech pro každý krok. Pro parní reformování navrhuje Co/ZnO, ZnO, Rh/Al2O3 ad., pro WGS Ru/ZrO2, Pt/CeO2 případně cenově výhodnější Cu/ZnO a Fe/Cr2O3 .

Dekarbonizace uhlovodíků pomocí slunečního záření

Termochemický proces s využitím sluneční energie může být použit ke štěpení uhlovodíků. Tím se zvýší celkové množství energie ve formě vodíku vyrobeného ať už z obnovitelných nebo fosilních substrátů. Tuto skupinu lze rozdělit na tři podskupiny: solární termokrakování, reformování a zplyňování.

Celkový obsah energie může dosahovat 1,7 - 1,8 násobku energie původně uložené v organické hmotě.

Biotechnologická produkce vodíku

Ačkoli „suchá" biomasa je vhodným materiálem pro konverzi pomocí klasických termochemických procesů, biomasa s vysokým obsahem vody je tímto způsobem z ekonomického hlediska nevyužitelná. Proto může být v případě vlhké biomasy výhodné využít biotechnologické procesy, kdy reakce jsou katalyzovány mikroorganismy ve vodném prostředí za nízkých teplot a tlaků. V tomto případě rozlišujeme dva procesy: vodíkovou fermentaci (i) fungující bez přítomnosti světla a fotobiologickou produkci vodíku (ii).

Vodíková fermentace

Vodíková fermentace v nepřítomnosti světla je přirozený děj ke kterému dochází za anoxických nebo anaerobních podmínek. Organické látky jsou v tomto případě využívány jako primární zdroj vodíku a také jako zdroj energie. Různé druhy bakterií využívají v nepřítomnosti kyslíku redukci protonů na vodík k uložení elektronů z oxidace organických látek. Ačkoli je mnoho látek využitelných tímto způsobem, odhady potenciálu jsou většinou vyjadřovány pro hexózy. Teoretický výtěžek z 1 mol glukózy je popsán následující rovnicí, která ukazuje, že maximální množství vodíku jsou 4 moly a současně dojde k uvolnění 206 kJ energie a vzniku dvou molů acetátu, kde je k potenciálnímu dalšímu využití fixováno dalších 4 mol H2:

Pro zvýšení ekonomické konkurenceschopnosti procesu je žádoucí další využití odpadního acetátu a to například pomocí fotofermentace (viz níže). Pro plné využití chemické energie substrátu jsou tak potřeba dva kroky, jak je ukázáno na Obr. 2. V první fázi je z organického substrátu produkován vodík pomocí vodíkové fermentace. V druhé fázi je pak z efluentu obsahujícího acetát získáván buďto bioplyn nebo pomocí fotofermentace vodík Dále je vhodné využít nerozložitelné zbytky biomasy, které je obvykle možno spalovat. Tím se dosáhne větší dalšího zvětšení množství získané energie.

Fotofermentace

Fotofermentace je proces při kterém jsou organické látky, například acetát bakteriemi přeměňovány na vodík a CO2 za využití světla. Proces probíhá za anaerobních podmínek a může být snadno kombinován s vodíkovou fermentací popsanou výše kde je acetát jedním z produktů. Jednou ze skupin mikroorganismů schopných fotofermentace jsou purpurové bakterie. Ačkoli jejich fotosystém není dostatečně silný k přímé fotolýze vody (jako např. u sinic) za anaerobních podmínek, jsou tyto bakterie schopny využít jednoduchých organických kyselin (nebo také H2S) jako donoru.

tags: #výroba #vodíku #z #obnovitelných #zdrojů #metody

Oblíbené příspěvky:

• Corinthia Praha a udržitelný rozvoj
• Odvoz stavebního odpadu Roudnice
• Propuštění aktivistů Greenpeace
• Využití papírového odpadu
• O programu Blíž přírodě