Otázka: Vodík jako zdroj energie
Předmět: Chemie
Přidal(a): Tomislav Kopřiva
Tomislav Kopřiva
Prohlašuji, že jsem pracoval sám a že jsem nepoužil cizí práci ani její části.
Obsah:
Úvod
1. Základní informace o vodíku
2. Zdroj energie
3. Způsoby výroby vodíku
- Parní reforming
- Zplyňování uhlí a biomasy
- Elektrolýza vody
4. Využití
- Vznětový vodíkový motor
- Vodíkový palivový článek
- Vodíkový kotel
- Vodíková puma
5. Problémy a nedokonalosti
6. Budoucnost
Úvod
V práci se hodlám zabývat využitím vodíku, jako zdroje energie, to znamená: jeho výrobu a jeho využití. Dále pak tyto otázky prohloubit a porovnat je. V neposlední řadě hodlám přinést ne-úplně známá fakta a také se zabývat tím, jakou mám vodík budoucnost a jaké má jeho používání, jako zdroj energie, důsledky na životní prostředí.
- Základní informace o vodíku
Vodík je nejjednodušší a nejlehčí prvek objevený roku 1766 Henrym Cavendishem, při rozpouštění neušlechtilých kovů v kyselině. První hydrolýza vody na vodík a kyslík proběhla roku 1789, kterou provedl Antoine Lavoisier. Tvoří většinu hmoty ve vesmíru, na naší planetě tvoří nepřeberné množství sloučenin, kromě toho tvoří izotopy deuterium a tritium, které mají další využití. Je také velmi reaktivní a to díky tomu, že má jeden elektron, který je zároveň valenční. Kromě výroby energie, kterou se budeme zabývat níže, se používá jako redukční činidlo a také jako náplň meteorologických balónů a balónků, v minulém století se používal také jako náplň pro vzducholodě a to kvůli tomu, že je zhruba 14krát lehčí než vzduch (přesněji 14,38krát). Celosvětově se vodíku vyrobí kolem 50 milionů tun za rok.
- Zdroj energie
Reakce vodíku s kyslíkem je jednoduchá a zároveň velmi bohatá na energetický zisk, tu vypočítáme jako rozdíl disociačních energií produktů a reaktantů.
Disociační energie vazeb:
H-H 436 kJ/mol
O=O 166 kJ/mol
H-O 463 kJ/mol
H2 + O2 -> H2O + energy
Ale začněme od začátku: „Jak získáme vodík pro tuto reakci?“ V dnešní době se vodík získává ze čtyř zdrojů a ty jsou: zemní plyn, ropa, uhlí a elektrolýza vody, která je však energeticky nejnáročnější, proto tvoří pouze jednotky procent z celkového objemu výroby, v budoucnosti se však bude toto procento zvyšovat, protože voda je nejsnáze k dispozici ze zdrojů jmenovaných výše. Elektřina potřebná pro elektrolýzu bude zajištěna obnovitelnými zdroji (větrná, sluneční, vodní). Zatím energie z vodíků pokrývá pouze jedno procento z celosvětové spotřeby energie, ale to se začne brzy měnit. Jeho výhody jsou značné, patří mezi ně: Vysoký energetický zisk, žádné škodlivé emise, jako u spalování fosilních paliv, jediným produktem této reakce je voda. Dále pak obrovské množství vodíku všude ve vesmíru. Kromě výhod se pojí s dalším využíváním vodíku také nevýhody, mezi které patří: Vybudování infrastruktury pro distribuci vodíku, snížení nákladů elektrolýzy a v neposlední řadě také propagovat pilotních projektů pro tato využití vodíku.
- Způsoby výroby vodíku
- Parní reforming
(1 – pec, 2 – kotel na výrobu páry, 3 – vysokoteplotní konvertor CO,
4 – nízkoteplotní konvertor CO, 5 – absorbér CO2, 6 – desorbér CO2, 7 – metanizér)
Převažující způsob získávání vodíku: parní reforming je proces, při kterém reaguje, v peci za teploty 750 – 800 °C a tlaku 3 – 5 MPa, metan s vodní párou (katalyzováno oxidem nikelnatým) za vzniku oxidu uhličitého, oxidu uhelnatého a vodíku. V dalším kroku oxid uhelnatý reaguje zase s vodní párou za vzniku další dvou-atomové molekuly vodíku. V posledním kroku jsou procesem metanizace odstraněny poslední příměsi (CO2 a CO), reagují s vodíkem na metan a jsou zase zařazeny do procesu a jako výsledek celého procesu parního reformingu je oxid uhličitý (buď vypuštěný do atmosféry anebo převeden do pevného skupenství a později použit např. na chlazení.
CH4 + H2O <- – > CO + 3H2
CH4 + 2H2O <–> CO2 + 4H2
- Zplyňování uhlí a biomasy
Lze shrnout několika reakcemi
CmHn → C + CxHy
C + O2 → CO2
CxHy + H2O → CO + H2
(vznikají také oxidy síry v druhé části, ale jen v malém množství a pro reakci jako takovou nemají význam)
Uhlí
Tento proces je využíván např. v tepelných elektrárnách typu IGCC (v překladu: „s vnitřním kombinovaným plynovým cyklem), protože mohou být vedlejší produkty výroby dále zpracovány a filtrovány a tak vzniká daleko menší množství zplodin v podobě oxidů uhlíku a síry. Další principy jsou si velmi podobné, liší se jen složitostí technologie nebo v mezikrocích zplyňování.
Biomasy
Zplyňování je výhodnější než klasické spalování, protože z málo hodnotného paliva můžeme vyrobit hodnotný energeticky potenciální produkt (vodík), který je dále využit v dalším zařízení pro výrobu energie a stejně jako u zplyňování uhlí jsou další vzniklé plyny a zplodiny snáze odstraňovány a to zajišťuje větší ekologičnost než jejich samotné spalování a také skladovací a kvantitativní výhody, protože se zplyňováním sníží objem a zlepší se skladovatelnost energie biomasy, která patří mezi nejekologičtější paliva. Produkce biomasy je celosvětová, přirozená a automatická, přeměňuje se tak energie ze slunečního záření za podpory dalších biologických pochodů na hmotu.
- Elektrolýza vody
Elektrolýza je elektrochemický dějem probíhající v roztocích nebo taveninách (v tomto případě je elektrolyt destilovaná voda s uhličitanem, nebo hydrogenuhličitanem sodným), kterými je veden proud, ten rozkládá elektrolyt na ionty, ty se vylučují na elektrodách. Kationty na záporné elektrodě (katodě), anionty na kladné elektrodě (anodě). Tedy na katodě vznikají redukcí dvou-atomové molekuly vodíku, které jsme chtěli dostat. Podíváme-li se na elektrolýzu z jiného úhlu pohledu, můžeme říci, že elektrolýza vody produkující vodík je pouze jiná forma skladování jinak těžce skladovatelné elektrické energie, které je ale třeba k rozrušení vazeb (H-O) relativně hodně (463 kJ/mol), která se uvolní (samozřejmě v jiné energetické podobě) spálením vodíku. Mnohonásobnou elektrolýzou je možné vyrobit z H2O (vody) D2O (těžkou vodu), která se používá jako moderátor v jaderných reaktorech. Vyšší účinnost slibuje elektrolýza horké páry (při 900 až 1000°C) a to až 85%, zatím co elektrolýza různých roztoků H2O má účinnost kolem 70%.
- Využití
První v dlouhé řadě budoucích využití, by měl být vodíkový motor letadel, protože ty mají nejvyšší měrnou spotřebu paliva a také se cena leteckého benzínu v příštích zhruba patnácti letech zvýší cirka o 500%, to již teď motivuje konstruktéry pracovat na alternativním pohonu pro letadla. Pomalý nástup nových motorů a pohonných vodíkových jednotek je způsoben problémy s uchováváním a skladováním vodíku, který kapalní až při -252°C a také jeho výbušností při smísení se vzduchem, pro které stačí přítomnost 10% vodíku.
- Vznětový vodíkový motor
Vodík hoří velmi rychle a intenzivně, proto je potřeba speciálně upravený motor pro spalování právě vodíku. Před několika lety se podařilo skupině německých a rakouských vědců a konstruktérů sestrojit vodíkový vznětový motor, který pracuje s účinností 42%, což je účinnost předních dieselových motorů a dále pracují na vylepšování motoru, dále pracují na využití vedlejší produkce tepla k dalšímu zvýšení výkonu. Vývoj je však teprve pár kroků od svého počátku a čeká jej ještě dlouhá cesta k zavedení vodíkových motorů do sériově vyráběných aut a k jejich rozšíření. Je to však dobrý začátek, jak zbavit lidstvo závislosti na fosilních palivech a také snížení emisí skleníkových plynů.
- Vodíkový palivový článek
V tomto zařízení vniká elektrická energie a to díky elektrochemické reakci, která probíhá na katodě a anodě v článku. Elektrická energie vzniká při přechodu vodíkových kationtů na anodu, katalyzátor, elektrolyt a katodu k oxidačnímu činidlu. Při této elektrochemické reakci vzniká nejen elektrická energie, ale také přebytek vodíku, který je použit pro další výrobu elektřiny a v neposlední řadě také teplo, které může být využito pro vytápění. Jako odpadní produkt vzniká voda, která je ekologicky velmi šetrná. Vodíkových článků existuje mnoho druhů, ale většina z nich je nějakým způsobem (např. drahou technologií výroby) nevýhodná, proto se v praxi používá málo druhů těchto článků. Tyto články nachází široká uplatnění: od článků pro pohon automobilů přes články pro výrobu energie celé domácnosti až po napájení drobné elektroniky jako např. mobil, MP3.
- Vodíkový kotel
Je zařízení pro vytápění bez závislosti na tuhých palivech nebo plynu. Vodík je získáván z obnovitelných zdrojů a je použit na výrobu energie za produkce vody, která je ekologicky nezávadná. Kotel také pracuje za poměrně nízké spalovací teploty (300-350° C), proto se netvoří oxidy dusíky, které se tvoří od teplot přesahujících 600° C. Vodík pro tento kotel lze připravit elektrolýzou vody nebo vodík externě dokoupit.
- Vodíková puma
Zde se zdrojem energie, která vzniká termonukleární reakcí, stávají izotopy vodíku (deuterium, tritium). Výbuch takovéto pumy vytvoří teplotu několik milionů stupňů Celsia. Toto využití, je stinná stránka energetického využití vodíku, protože jako každý vynález byl použit proti lidem. Bomb existuje více druhů: neutronové, kobaltové a třístupňová, ty jsou složitější a mají oproti „jednoduché“ vodíkové bombě nějaké technické/fyzikální/chemické zlepšení.
Jak vidno má vodík nepřeberné množství využití, ale v našem okolí se s ním moc setkat nemůžeme, avšak v ČR fungují projekty usilující o propagaci a o informování veřejnosti o možnostech vodíku a jeho využití. Jedná se např. o autobusy jezdící na zkapalněný vodík. V zahraničí jsou však mnohem dále. Nehledě na to, že americká NASA používá vodík jako palivo do raketoplánu a používá také vodíkové články, tak v již zmiňovaných spojených státech jezdí procento aut, které nelze označit za nepodstatné a tyto automobily s hybridním pohonem s vodíkovými články jsou počátkem ve snaze ulevit již tak přetěžovanému životnímu prostředí.
- Problémy a nedokonalosti
Na jednu stranu se vodík zdá být velmi ekologickým, avšak opak by mohl být pravdou. Vodíkový článek uvolňuje do ovzduší nezanedbatelné množství vodíku, který by mohl narušit ozónovou vrstvu a zvýšit obsah metanu v troposféře, což by mělo skleníkový efekt. Tento model však není jediný a ve skutečnosti můžeme jen odhadovat, co by se v atmosféře dělo, protože existují názory, že by se o takto vyprodukovaný vodík zvýšilo množství přírodně absorbovaného vodíku. Pravda bude zřejmě někde uprostřed a rozuzlení přinese až budoucnost. Je však pravda, že v této oblasti je ještě hodně neprobádaného, ve kterém vidíme příslib do budoucnosti, jež by mohl vyřešit naši závislost na fosilních palivech a na neobnovitelných zdrojích energie.
- Budoucnost
Samozřejmě nemůžeme věštit, co se v budoucnu stane, ale můžeme uvést předpoklady, které nebudou nijak nereálné. Cena ropy se bude každým rokem zvyšovat, až do doby v řádu desítek let, kdy již bude cena tak vysoká, že se poptávka bude limitně blížit nule a lidé budou nakonec muset přejít na udržitelnější zdroj energie, kterým se vodík zdá být. Můžeme očekávat, že budeme do práce jezdit auty poháněné vodíkovými motory, naše mobily budou nabíjet vodíkové články, domovy budeme vyhřívat spalováním vodíku a svítit budeme elektřinou vyrobenou buď z obnovitelných zdrojů anebo z vodíku.
Závěr
Zjistil jsem, že vodík má velkou budoucnost, co se výroby energie týče, je šetrný k životnímu prostředí, ale na druhou stranu má také své slabší stránky. Mezi ně patří nesnadné skladování, výbušnost ve vzduchu, cena technologií a další. Napříč tomu si myslím, že je vodík určitě zdrojem energie pro budoucí generace, pro ty bude jedním z mála použitelných zdrojů a jistě zdokonalí technologie a budou moci využít jeho plný potenciál.
Obrázky:
1: http://contest2007.thinkquest.jp/tqj2007/90427/image/mizuhan.jpg
2: http://www.airproducts.cz/hydrogen/vodik/img/energietraeger02.gif
3: http://www.petroleum.cz/zpracovani/system/zpracovani_ropy_43_2.jpg
4: https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQjswi1qMPXztpsTooP3AWpdqfaX9yugndwSz1bzqbhho-SFUqf
5: http://hroch.spseol.cz/elektrotechnika/ostatni-foto/elektrolyzer.png
6: Obrázek přejatý z prezentace Michala Hlouška na téma Uplatnění vodíkového palivového článku: https://www.google.cz/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=1&cad=rja&ved=0CDIQFjAA&url=http%3A%2F%2Fwww1.fs.cvut.cz%2Fstretech%2F2012%2Fsbornik%2F73.pdf&ei=x4NKUZekNcHWPMSlgagP&usg=AFQjCNEoBzRG7mnfsovDtTHfAekdSBHj7g&sig2=ohinwseFkddV60tRc-LHUA&bvm=bv.44158598,d.ZWU
Literatura a použité zdroje:
Doucek, A.; Prokeš, O.; Tenkrát, D.: Získání vodíku z obnovitelných zdrojů energie. Chemické zvesti, 61 (1) 2007
http://www.gorvin.mysteria.cz/hospodar.htm
http://hroch.spseol.cz/elektrotechnika/web/index.php/elektro/39-pokusy/68-elektrolyzer
http://www.airproducts.cz/hydrogen/vodik/zdrojEnergie.htm
http://www.vesmir.cz/clanky/clanek/id/4762
http://vytapeni.tzb-info.cz/zdroje-tepla/6280-vodikovy-kotel-jediny-kotel-na-svete-s-nulovymi-emisemi
http://fyzika-pascal.webnode.cz/vodikova-bomba/
Další podobné materiály na webu:
