V prosinci loňského roku předložila Evropská komise Zelenou dohodu pro Evropu, která představuje soubor ambiciózních opatření k dosažení klimatické neutrality. Jak se státy zavázaly podpisem Pařížské dohody, klimatické neutrality by mělo být dosaženo do roku 2050. Aby se tak mohlo stát, musí nezbytně dojít k dekarbonizaci průmyslu, dopravy a sektoru energetiky, které významně přispívají k produkci emisí CO2, a klíčem k této změně má být právě vodík. Začátkem července 2020 zveřejnila Evropská komise konkrétnější strategii k využití vodíku, ze které je patrné, že s vodíkem se počítá nejen pro dekarbonizaci, ale má být také prostředkem k modernizaci hospodářství a ekonomické obnově v současné, epidemií otřesené Evropě. Očekává se, že vodíková a související průmyslová odvětví by měla přímo či nepřímo vytvořit až milion pracovních míst. Atraktivita vodíku spočívá jednak v možnostech jeho využití – především jako bezemisního paliva a prostředku k uchování energie, ale také v jeho ekologické nezávadnosti – jeho užíváním nevzniká CO2. Přesto data o jeho využití v současnosti nejsou nijak závratná: vodík tvoří pouhá 2 % energetického mixu v Evropě a navíc je většinově vyráběn z fosilních paliv, protože vodík vyráběný z obnovitelných zdrojů prozatím není dostatečně konkurenceschopný. Ve zmíněné strategii se však počítá výhradně s „čistým“ vodíkem, který má do roku 2050 pokrýt 24 % celkové energetické spotřeby v Evropě.
Metody výroby vodíku
Mezi metody výroby vodíku z obnovitelných zdrojů patří např. parní reformování bioplynu, vysokoteplotní rozklad vody, zplyňování biomasy, ale jako nejperspektivnější se jeví již zavedená elektrolýza vody. Tato technologie využívá elektrickou energii k rozkladu vody, při kterém se uvolní kyslík a vodík. Z pohledu ekologie dosahuje tato metoda mnohem lepších výsledků než nejpoužívanější technologie výroby vodíku parním reformováním zemního plynu. Elektrolýzou vody lze získat z hlediska životního prostředí čistý vodík např. zpracováním přebytečné energie z větrných a solárních elektráren. Ta vzniká díky jejich v čase proměnlivému výkonu. Takto vyrobený vodík je možné využít pro ekologický pohon vozidel nebo z něj opět vyrobit elektrickou energii. Elektrolýzu vody lze provádět několika způsoby. Mezi ty v současnosti dostupnější, nízkoteplotní, patří alkalická elektrolýza vody (tzv. AWE) a kyselá elektrolýza s protonově selektivním polymerním membránovým elektrolytem (tzv. PEM elektrolýza). AWE je vyspělá technologie zavedená v průmyslu již déle než století. Její konstrukce je však optimalizována na konstantní výkon a vysokou robustnost. Nevyhovuje tak zcela požadavkům spojeným s využitím ve spojení s obnovitelnými zdroji energie. Na druhé straně nově zaváděná PEM elektrolýza je v tomto ohledu výrazně flexibilnější a charakteristická vysokou hustotou produkce. Její základní nevýhoda však spočívá v použití drahých kovů jako elektrokatalyzátorů. Z tohoto důvodu se jedná o nákladnou metodu, což brání jejímu širšímu použití. Nejnovější metodou elektrolýzy je alkalická elektrolýza vody využívající membránu na bázi alkalického polymerního elektrolytu (AEMWE). Ta kombinuje výhody dvou výše uvedených technologií, nicméně zatím nedosahuje technologické vyspělosti ani jedné z nich, a tím pádem není dostatečně konkurenceschopná. To má ale změnit výzkumný projekt NEWELY, koordinovaný Německým střediskem pro letectví a kosmonautiku (DLR), na kterém spolupracují také dvě české výzkumné instituce, Vysoká škola chemicko-technologická v Praze a Ústav makromolekulární chemie AV ČR.
Výzkum elektrolýzy vody
Projekt s názvem „Next Generat ion Water Electrolyser“ (NEWELY) má za cíl zdokonalit inovativní metodu AEMWE tak, aby byla účinnější, a zároveň udržitelná. Právě tento cíl přesvědčil Evropskou komisi, aby projekt podpořila částkou 2,2 miliony eur, a to prostřednictvím evropského Společného podniku pro palivové články a vodík (FCH JU). Projekt navíc podpořila také Korejská národní grantová agentura, a to částkou 300 tisíc eur. Hlavním cí lem projektu NEWELY je vyvinout prototyp elektrolytického svazku založeného na alkalickém polymerním elektrolytu. Pro tento účel bude v prvním kroku vyvinuta nová anion selektivní membrána, která má vynikat svou iontovou vodivostí a zároveň chemickou a mechanickou stabilitou. Záměrem je vyvinout membránu umožňující provoz AEMWE využívající jako cirkulující médium pouze čistou vodu a výrazně tak zjednodušit konstrukci a provoz této technologie při současném zachování – či snížení – jejích investičních a provozních nákladů. Další součástí výzkumu v rámci tohoto projektu, kterému se VŠCHT Praha věnuje, je vývoj nové generace elektrod umožňující dosáhnout pro AEMWE výkon srovnatelný s PEM elektrolyzérem, avšak bez použití platinových kovů. Při řešení tohoto úkolu lze s výhodou využít škálu materiálů pro konstrukce elektrod, která je v případě AEMWE výrazně širší, než je tomu v případě PEM elektrolyzéru. Této významné výhody dosud nebylo využito právě z důvodu absence alkalického polymerního elektrolytu vyvíjeného v rámci tohoto projektu. Dostupnost nového polymerního elektrolytu pak otevírá nové možnosti v návrhu vhodných katalyzátorů a zejména pak v konstrukci elektrod a sestav elektrod s polymerním elektrolytem tvořících jádro vlastního elektrolyzéru.
Podpora výzkumu vodíkových technologií v Evropské unii
Na evropské úrovni je výzkum již od roku 2008 podporován partnerstvím veřejného a soukromého sektoru mezi Evropskou komisí, sdružením průmyslových partnerů a výzkumných institucí, které operuje pod názvem Společný podnik pro palivové články a vodík (FCH JU) a je součástí rámcového programu pro výzkum a inovace Horizont 2020. „VŠCHT Praha se výzkumu v oblasti elektrolýzy vody věnuje dlouhodobě. Díky evropskému programu Horizont 2020 se univerzitě daří pracovat na tomto výzkumu v rámci mezinárodních konsorcií tvořených excelentními institucemi z Evropy i z celého světa. Velmi nás proto těší, že v letošním roce k probíhajícím dvěma projektům podpořeným z programu Horizont 2020 přibyly další dva,“ shrnuje prof. Bouzek, vedoucí Ústavu anorganické technologie VŠCHT Praha. FCH JU do své strategie výzkumu na nadcházející období naplánoval mimo jiné dosáhnout komerčně dostupné elektrolýzy, která zajistí udržitelnou produkci vodíku za cenu pod 3 eura/kg, přičemž aktuální cena se pohybuje kolem 5–8 eur/kg. Zatím ale žádný podnik ani výzkumná organizace nejsou schopny samostatně překonat technické a ekonomické překážky uvedení vodíkových technologií na trh ve velkém měřítku. Vše bude tedy záležet na tom, zda EU dostojí slibům eurokomisaře pro Zelenou dohodu Franse Timmermanse, který se o vodíku vyjádřil jako o „hvězdě mezi novými energiemi“ a nebál se přislíbit nadstandardní podporu a investice do aplikačních i výzkumných aktivit.
/Marika Kůrová, VŠCHT Praha/
Článek vznikl za podpory projektu NEWELY, č. 875118, financovaného programem Horizont 2020, Dejvického centra podpory mezinárodních projektů a aplikace ANLUPA, LTI17009.
