Vodíkové elektrárne — trendy a perspektívy

Hoci sa jadrové elektrárne dlho považovali za veľmi bezpečné, nehoda v japonskej jadrovej elektrárni Fukušima v roku 2011 opäť prinútila energetických inžinierov na celom svete zamyslieť sa nad možnými ekologickými problémami spojenými s týmto druhom energie.

Vlády mnohých krajín, vrátane niekoľkých krajín EÚ, deklarovali jasný zámer previesť svoje hospodárstva na alternatívnu energiu, pričom nešetria investíciami, sľubujúc pre toto odvetvie miliardy eur v priebehu nasledujúcich 5-10 rokov. A jedným z najsľubnejších a ekologicky bezpečných typov takejto alternatívy je vodík.

Ak sa predsa len minie uhlie, plyn a ropa, potom je v oceánoch jednoducho neobmedzený vodík, hoci sa tam neukladá v čistej forme, ale vo forme chemickej zlúčeniny s kyslíkom – vo forme vody.

Vodík je najekologickejším zdrojom energie. Získavanie, preprava, skladovanie a používanie vodíka si vyžaduje rozšírenie našich vedomostí o jeho interakcii s kovmi.

Je tu veľa problémov.Tu sú len niektoré z nich, ktoré čakajú na svoje riešenie: výroba vysoko čistých izotopov vodíka pomocou membránových filtrov (napríklad z paládia), vytváranie technologicky výhodných vodíkových batérií, problém boja s vodíkovými nákladmi na materiály atď.

O environmentálnej bezpečnosti vodíka v porovnaní s inými tradičnými typmi zdrojov energie nikto nepochybuje: produktom spaľovania vodíka je opäť voda vo forme pary, pričom je úplne netoxická.

Vodík ako palivo sa bez zásadných zmien dá bez problémov použiť v spaľovacích motoroch aj v turbínach a získa sa viac energie ako z benzínu. Ak je špecifické spalné teplo benzínu vo vzduchu asi 44 MJ / kg, potom pre vodík je toto číslo asi 141 MJ / kg, čo je viac ako 3-krát viac. Ropné produkty sú tiež toxické.

Skladovanie a preprava vodíka nespôsobí zvláštne problémy, logistika je podobná ako pri propáne, ale vodík je výbušnejší ako metán, takže tu stále existujú určité nuansy.

Riešenia skladovania vodíka sú nasledovné. Prvým spôsobom je tradičná kompresia a skvapalňovanie, kedy bude potrebné zabezpečiť jeho ultranízku teplotu pre udržanie tekutého stavu vodíka. Toto je drahé.

Druhý spôsob je sľubnejší — je založený na schopnosti niektorých kompozitných kovových špongií (vysoko pórovité zliatiny vanádu, titánu a železa) aktívne absorbovať vodík a pri nízkom zahrievaní ho uvoľňovať.

Popredné ropné a plynárenské spoločnosti ako Enel a BP dnes aktívne rozvíjajú vodíkovú energiu.Taliansky Enel pred pár rokmi spustil prvú vodíkovú elektráreň na svete, ktorá neznečisťuje ovzdušie a nevypúšťa skleníkové plyny. Hlavným pálčivým bodom v tomto smere je však nasledujúca otázka: ako zlacniť priemyselnú výrobu vodíka?

Problém je v tom elektrolýza vody vyžaduje veľa elektriny, a ak sa výroba vodíka spustí práve elektrolýzou vody, potom bude pre hospodárstvo v jednej krajine tento spôsob priemyselnej výroby vodíka veľmi nákladný: trikrát, ak nie štyrikrát , z hľadiska ekvivalentného spaľovacieho tepla z ropných produktov.Navyše z jedného štvorcového metra elektród v priemyselnom elektrolyzéri možno získať maximálne 5 metrov kubických plynu za hodinu. Je to pomalé a ekonomicky nepraktické.

Jedným z najsľubnejších spôsobov výroby vodíka v priemyselných objemoch je plazmovo-chemická metóda. Tu sa vodík získava lacnejšie ako elektrolýzou vody. V nerovnovážnych plazmatrónoch prechádza elektrický prúd cez ionizovaný plyn v magnetickom poli a dochádza k chemickej reakcii v procese prenosu energie z "ohriatych" elektrónov na molekuly plynu.

Teplota plynu je v rozmedzí od +300 do +1000 °C, pričom rýchlosť reakcie vedúca k produkcii vodíka je vyššia ako pri elektrolýze. Táto metóda umožňuje získať vodík, ktorý je dvakrát (nie trikrát) drahší ako tradičné palivo získané z uhľovodíkov.

Plazmovo-chemický proces prebieha v dvoch fázach: najprv sa oxid uhličitý rozkladá na kyslík a oxid uhoľnatý, potom oxid uhoľnatý reaguje s vodnou parou, čím vzniká vodík a ten istý oxid uhličitý, ktorý bol na začiatku (nespotrebuje sa, ak sa pozriete na celú transformáciu slučky).

V experimentálnej fáze - plazmovo-chemická výroba vodíka zo sírovodíka, ktorý zostáva škodlivým produktom všade pri vývoji plynových a ropných polí. Rotujúca plazma jednoducho vypudí molekuly síry z reakčnej zóny odstredivými silami a spätná reakcia premeny na sírovodík je vylúčená. Táto technológia vyrovnáva cenu vyrobeného vodíka s tradičnými druhmi fosílnych palív, navyše sa paralelne ťaží síra.

A Japonsko už dnes začalo s praktickým vývojom vodíkovej energie. Kawasaki Heavy Industries a Obayashi plánujú začať využívať vodíkovú energiu na pohon mesta Kobe do roku 2018. Stanú sa priekopníkmi medzi tými, ktorí skutočne začnú využívať vodík na výrobu elektriny vo veľkom, prakticky bez škodlivých emisií.

Vodíková elektráreň s výkonom 1 MW vyrastie priamo v Kobe, kde bude zásobovať elektrinou medzinárodné kongresové centrum a pracovné kancelárie pre 10 000 miestnych obyvateľov. A teplo generované na stanici v procese výroby elektriny z vodíka sa stane efektívnym vykurovaním pre miestne domy a administratívne budovy.

Plynové turbíny z produkcie Kawasaki Heavy Industries nebudú, samozrejme, napájané čistým vodíkom, ale palivovou zmesou obsahujúcou len 20 % vodíka a 80 % zemného plynu.Závod spotrebuje ekvivalent 20 000 vozidiel s vodíkovými palivovými článkami ročne, no táto skúsenosť bude začiatkom veľkého rozvoja vodíkovej energie v Japonsku aj mimo neho.

Zásoby vodíka sa budú skladovať priamo na území elektrárne a aj v prípade zemetrasenia či inej prírodnej katastrofy bude v stanici palivo, stanica nebude odrezaná od životne dôležitých komunikácií. Do roku 2020 bude mať prístav Kobe infraštruktúru pre veľký dovoz vodíka, keďže Kawasaki Heavy Industries plánuje v Japonsku vybudovať veľkú sieť vodíkových elektrární.