Co mají společného auto na vodík a klimatická katastrofa?

Klimatický strašák CO2 má jeden pozitivní následek. Pomáhá vývoji nových technologií. Jedním ze zázraků, který by měl pomoci světovému klimatu, je auto poháněné vodíkem. Může se ale stát dalším hřebíčkem do rakve ozónové vrstvy. 

V jedné z vizí blízké nebo i vzdálené budoucnosti jsou pohonné látky (jako benzín, diesel a topný olej) nahrazeny stlačeným vodíkem. Má se tak snížit podíl CO2 v atmosféře. Spalováním vodíku vzniká totiž zpravidla jen čistá voda. Nakolik je tato vize oprávněná? Každá nová technologie s sebou přináší nová rizika. Jaké problémy by přineslo spalování vodíku? 

V jedné ze studií, kterou vypracoval tým profesora Johna Eilera v kalifornském Technologickém institutu v Pasadeně, jsou nastíněny i některé nepříliš zářivé následky přechodu na vodík, coby hlavní zroje energie aut a jiných dopravních prostředků. 

Vodík

Vodík je nejjednodušším chemickým prvkem. Ze dvou atomů vodíku se tvoří molekulární vodík - bezbarvý plyn, 14,38x lehčí než vzduch. Je bez chuti a zápachu.

Ozónová katastrofa

Při zpracování vodíku i při jeho průmyslovém využití by mělo logicky docházet ke ztrátám tohoto lehkého plynu. Na rozdíl od těžších plynů, které se drží více při zemi, má vodík tendenci stoupat do vyšších vrstev atmosféry. Tam by se pak měl zasloužit kromě jiného o další zvětšení ozónové díry, tvrdí skupina amerických vědců.

Nejnepříznivější odhady mluví o osminásobném navýšení množství vodíku, který se dostává do atmosféry působením lidské civilizace. Dnes je to ročně 15 – 25 miliónů tun.

Vodík stoupá do stratosféry, která se nachází ve výšce 10 – 50 km nad povrchem Země. Reaguje s ozónem, který se zde vyskytuje. Vzniká tak voda, která stratosféru „smáčí“. Tvoří se krystaly ledu. Samotné krystaly by snad nebyly problematické – ale na jejich povrchu se z chlor-fluorovaných uhlovodíků (které se zde bohužel také vyskytují) vytváří volný chlor – škůdce ozónu. Čím víc krystalů se v polární stratosféře nachází, tím víc chloru se na  nich může uvolňovat a tím větší úbytek ozónové vrstvy v polárních oblastech můžeme očekávat.

Vypařování vodíku do vesmíru

Masivní využívání vodíku jako paliva pro naše dopravní prostředky může mít také jiný následek. Urychlí vysoušení planety. Vodík, který se vytratí, se už nikdy nemůže podílet na tvorbě molekul vody. Pomůže k tomu jev, který jsem popsala v minulém blogu – neustále probíhající ztráta atmosféry.

Naše Země neustále „ztrácí“ atmosféru. Její nejvyšší vrstvy se vypařují. Ve výškách kolem 500 km je pozemská atmosféra už tak řídká, že drasticky klesá pravděpodobnost srážek mezi jednotlivými částečkami plynů. Pokud má daná částečka dostatečně vysokou rychlost, může překonat zemskou přitažlivost a může se dostat do volného vesmíru. Vědci mohou propočítat, jak rychle se částice pohybují a jak silný je tento jev „ztráty“ atomosféry. Při teplotách kolem 600 K má například statisticky vzato každý 106. atom vodíku dostatečnou energii a tím i rychlost na to, aby opustil gravitační pole Země. Vzhledem ke stáří naší planety by měl veškerý vodík už dávno zmizet – a skutečně, volného vodíku je v naší atmosféře jen velice málo. Jen malé množství neustále vzniká rozkladem různých molekul – například vody – takže se určité minimální množství do atmosféry neustále doplňuje.

Mizí z naší planety i životodárný kyslík?

Při rozkladu vody zářením (ve vyšších vrstvách atmosféry) vzniká kromě vodíku také kyslík.

Ekologické katastrofy, která nás zbaví životodárného kyslíku, se naštěstí obávat nemusíme. Jeho hmotnost je vyšší než u vodíku a proto je rychlost jeho atomů po rozkladu molekuly vody daleko nižší. Únikové rychlosti nedosahuje. Pravděpodobnost, že opustí planetu, se pohybuje v mezích 10^(-84).

Prakticky veškerý kyslík, který vzniká rozkladem vody ve vysoké atmosféře, na Zemi zůstává. Zůstane nám i veškerý kyslík, který by se uvolnil z vody při výrobě vodíku, používaného na pohon aut.

Vyplýtváme vodu, kterou máme k dispozici?

Jinak to vypadá v případě vody. Při výrobě vodíku se samozřejmě voda spotřebovává. Na Zemi jí je naštěstí zatím dost. Na každý čtvereční metr připadá 2,66 miliónu kilogramů. Nejvíce vody se soustřeďuje v mořích a oceánech. Jen 2,3 % tvoří zmrzlý led. Řeky a jezera na pevninách jí obsahují 0,01 % a v samotné atmosféře se nachází ještě desetkrát méně vody, než v řekách – 0,001 % celkových zásob. Odpovídá to 26,6 kg na čtvereční metr.

Palivový vodík se kromě toho při spalování znovu sloučí s atmosférickým kyslíkem a vytvoří novou molekulu vody, takže voda teoreticky z koloběhu mizet nemůže. Problém nastává jen u skutečných ztrát vodíku, u molekul, které se stihnou přemístit do vyšších vrstev atmosféry aniž by předtím reagovaly s ostatními plyny. Vodík se dobře slučuje s kyslíkem (všichni jistě známe pověstný výbušný experiment, kterým učitelé chemie oživují svou výuku) – potřebuje k reakci ale určitou inicializační energii. Je docela dobře možné, že se větší množství vodíku skutečně ze Země ztratí, aniž by stihlo vytvořit vodu nebo jiné chemické sloučeniny. Jak silný tento efekt bude, můžeme jen odhadovat. Jednoznačný názor na věc zatím neexistuje.

Vodík jako palivo – zázrak nebo spíš danajský dar?

Vodík, který se dá použít jako pohonná látka, se samozřejmě ve volné přírodě nevyskytuje. Stejně jako elektrická energie musí být nejprve vyroben. Při výrobě je spotřebována energie jak k jeho získání tak k jeho přeměně na praktickou a přenosnou jednotku. V praxi to znamená, že se musí zkomprimovat nebo ochladit aby se dosáhlo jeho zkapalnění. To se povede při tlaku kolem 700 atmosfér nebo teplotě -253 °C. Je zjevné, že oba procesy spotřebovávají velké množství energie.

Při spalování vodíku by měla teoreticky vznikat čistá voda. To je také důvodem, proč by měl vodík nahradit spalování benzínu nebo topného oleje. V praxi to ale samozřejmě neplatí. S čistotou výfukových plynů to nevypadá tak růžově, jak by se na první pohled mohlo zdát. Při určitých druzích spalování v motorech se ve výfukových plynech kromě vody nacházejí oxidy dusíku nebo CO z mazadel a přísad, která jsou pro chod motoru nezbytná.

Ve vozech, využívajících místo spalovacího motoru palivové články, se vodík zprvu podílí na výrobě elektrické energie.  Ta pak pohání auto. Tankování vodíkového hybridního auta je rychlejší než nabíjení elektroauta. Oproti spalovacím motorům je pro změnu jeho provoz čistší. Vyžaduje ale stejně hustou síť stanic s pohonnou hmotou (zde vodíkem). Ta dnes, na rozdíl do benzínových stanic, prakticky neexistuje.

Výroba vodíku

Nejrozšířenějším způsobem výroby vodíku je dnes parní reformace. Surovinou je metan CH4. Pro uskutečnění procesu je nutné metan smísit s vodní párou. Reakce probíhá pouze za zvýšené teploty. Směs je nutno zahřát na 850 °C při tlaku 25 atmosfér.Tento způsob výroby však není možné považovat za příliš ekologický, protože vedlejším produktem výrobního procesu je – odmítaný CO2. Navíc je znečištěný CO, takže se v původním stavu nedá použít.

Jinou možností, jak získat vodík, je elektrolýza vody. Voda je rozkládána na své komponenty kyslík a vodík. Na rozdíl od předešlého procesu je při elektrolýze dodávána elektrická energie namísto energie tepelné. Proces je nutné uskutečnit za přítomnosti elektrolytu, v průmyslovém měřítku jsou nejrozšířenější hydroxid draselný nebo sodný. Samotná výroba není zatížena produkcí skleníkových plynů ani jiných škodlivin, pokud nebudeme brát v potaz emise vzniklé při výrobě elektrické energie z fosilních paliv. Právě tady nasazuje ekologické myšlení: k elektrolýze vody by se daly použít obnovitelné zdroje, konkrétně větrné elektrárny. Jsou známé tím, že ve špičce, když je větru nadbytek, přetěžují elektrickou síť přemírou dodávané energie. Daly by se „přepnout“ na lokální výrobu vodíku z vody.

Zachrání nás vodík?

Cílem ekologického snažení je situace, kdy na počátku energetického řetězce stojí čistý zdroj obnovitelné energie (například větrná elektrárna). Vyrábí vodíkové palivo, které se později spalováním mění buď přímo na vodu nebo se používá na výrobu elektrické energie v dobách špiček.

Problém spočívá v malé efektivnosti používané technologie. Také ztráty volného vodíku, které se budou jistě počítat v jednotkách nebo dokonce desítkách procent, jsou zatím nevyřešeným aspektem. Ztráty dnes dokonce ani neumíme odhadnout.

Celá technologie je zatím  v plenkách, i když se sporadicky můžeme s vodíkovými auty setkat už dnes.

Budeme jednoho dne jezdit tankovat k „vodínce“ místo „benzínky“? Nechme se překvapit.