Získavanie vodíka Nádej na nový zdroj alebo slepá ulička energetiky?

Vedci z Worchesterského polytechnického inštitútu v americkom štáte Massachusetts našli spôsob, ako efektívnejšie, a teda lacnejšie získavať vodík z odpadovej vody. Štúdiu nedávno zverejnili v odbornom časopise The Journal of Physical Chemistry Letters.

Konkrétne sa zamerali na močovinu, produkt prirodzeného metabolizmu ľudí a živočíchov, ktorej molekula CON₂H₄ obsahuje dvakrát viac vodíka ako molekula vody (H₂O).

„Močovina je netoxická, má vysokú rozpustnosť vo vode a vysoký obsah vodíka (6,7 % hmotnosti). Elektrolýza močoviny na výrobu vodíka je teda energeticky efektívnejšia a hospodárnejšia ako elektrolýza vody,“ uvádzajú výskumníci.

Pri doterajších metódach elektrolytického získavania vodíka z močoviny sa totiž nedalo špecificky zamerať na molekuly močoviny, čo spôsobovalo vyššie energetické náklady na elektrolýzu.

Prvotným zámerom výskumu bolo teda oddelenie močoviny od vody.

Vodík získaný z odpadovej vody môže čiastočne pokryť spotrebu.Zdieľať

To sa podarilo využitím špecifických molekúl niklu a kobaltu. Zistili, že „kľúčom k zvýšeniu jeho elektrochemickej aktivity a selektivity voči oxidácii močoviny je prispôsobenie jedinečných elektronických štruktúr s dominantnými druhmi Ni2+ a Co3+“.

Odhadujú aj potenciálne nevyčerpateľný zdroj vodíka, ktorý hoci nie je schopný pokryť plánovanú spotrebu, môže čiastočne nahradiť výrobu vodíka zo zemného plynu.

„Močovina, hlavné dusíkaté hnojivo a kŕmna prísada, sa komerčne vyrábala už v 20. rokoch 20. storočia; v roku 2021 sa vyrobilo približne 180 miliónov metrických ton. Močovinu možno získať z prírodných zdrojov; dospelý človek vyprodukuje 1,5 l moču denne, čo ročne zodpovedá 11 kg močoviny a 0,77 kg plynného vodíka,“ dopĺňa zhrnutie výskumného zistenia.

Ak by sme teda dokázali zachytiť všetku močovinu produkovanú obyvateľmi Slovenska, ročná produkcia by sa mohla pohybovať okolo 4 miliónov kilogramov plynného vodíka, teda 4-tisíc ton.

Slovensko podľa Národnej vodíkovej stratégie pritom plánuje ročne vyrábať 45-tisíc ton. To znamená, že len z tohto odpadu by sme aspoň teoreticky mohli pokryť takmer desatinu plánovanej výroby.

Ak je k dispozícii čistička odpadových vôd, ktorá sústreďuje splašky z ľudského osídlenia, stačí do nej zapojiť príslušné zariadenie na elektrolýzu a získavanie vodíka sa môže začať.

Elektrolýza je energeticky najnáročnejší spôsob

Náročnosť získavania vodíka – ak nemá byť zdrojom zemný plyn a ak má byť cieľom znižovanie emisií a dekarbonizácia priemyslu – spočíva v tom, že doterajšie elektrolyzačné technológie potrebovali na efektívnu extrakciu vodíka demineralizovanú vodu, teda zbavenú prakticky všetkých rozpustných látok. Tak to opisuje aj Národná vodíková asociácia Slovenska (NVAS), ktorá pre ministerstvo hospodárstva pripravila Národnú vodíkovú stratégiu. To znamená, že ide prakticky o čistú surovinu H₂O.

„Na výrobu 1 kg vodíka a 8 kg kyslíka je potreba 8,92 litra demineralizovanej vody,“ opisuje proces NVAS. Aj samotná demineralizácia má svoje energetické a finančné náklady.

Na výrobu 1 kg vodíka je potrebných cca 50 kWh elektrickej energie. Ten istý kilogram vodíka pritom poskytuje 33 kWh energie.Zdieľať

V prípade, ak sa na získavanie vodíka využíva morská voda, sú náklady na jej desalinizáciu vyčíslené na 80 centov na kubický meter, teda tisíc litrov. Pri týchto nákladoch tak výroba jednej tony vodíka stojí 7 eur.

Pokiaľ ide o energetické náklady, podľa samotnej NVAS je proces získavania elektrolýzou stratový. „Na výrobu 1 kg vodíka je potrebných cca 50 kWh elektrickej energie,“ uvádza. Ten istý kilogram vodíka pritom poskytuje 33 kWh energie.

V prípade nového spôsobu extrakcie močoviny to teda znamená, že je možné priamo spracúvať aj odpadovú vodu, resp. splašky bez potreby demineralizácie vody, čo šetrí náklady.

Vodík na Slovensku

Časť odbornej obce v oblasti energetiky je k masívnejšiemu využívaniu vodíka nateraz skeptická, ako preukázala aj konferencia, ktorú na túto tému zvolal (v tom čase minister hospodárstva) Richard Sulík, ktorý zároveň politicky presadil schválenie spomenutej Národnej vodíkovej stratégie.

Čítajte tiež

Vodík Richarda Sulíka Plusy a mínusy ministrových vízií

Erik Potocký

Vodík je budúcnosťou najmä pre priemysel, môžeme si ho vyrábať sami a nebyť závislí od geopolitických hier.

Akčný plán realizácie vodíkovej stratégie schválila až úradnícka vláda Ľudovíta Ódora v júni 2023.

Najefektívnejšie je podľa energetikov získavať vodík ako vedľajší produkt reakcie v jadrových reaktoroch. To je však aj otázka bezpečnosti. Vodík, ktorý sa pri tejto reakcii uvoľňuje, musí byť tak či tak z prostredia odčerpávaný, aby nedošlo k výbuchu.

Ako energeticky efektívnejšie sa javí získavanie vodíka ako odpadového produktu z jadrových reaktorov.Zdieľať

Ako na spomenutej vodíkovej konferencii upozornil Vladimír Slugeň z Ústavu jadrového a fyzikálneho inžinierstva Slovenskej technickej univerzity, „všetky veľké havárie, Fukušima, Černobyľ, Three Mile Island, to boli výbuchy vodíka, ktorý vznikol práve rozkladom pary pri vysokej teplote. Kráter nad Černobyľom nespravili neutróny, ale vodík. Vodík, ktorý sa zmieša so vzduchom, od štyroch percent spôsobuje výbuch“.

Aj preto to znamená zvýšené riziko pri preprave a skladovaní vodíka. Akékoľvek netesnosti totiž môžu viesť k tragédiám. Napokon, výbuch vodíka zmiešaného so vzduchom sa (samozrejme, v malom) demonštruje ako jeden zo základných pokusov na chémii už na základnej škole.

V každom prípade je to však zaujímavá biznisová príležitosť. Vodík sa chystajú tzv. zeleným spôsobom vyrábať viaceré spoločnosti, jeden z projektov sa napríklad pripravuje v priestore areálu Jadrovej elektrárne Bohunice.

Do výroby tzv. zeleného vodíka sa chystá pustiť aj Duslo Šaľa. Táto spoločnosť je najväčším súkromným odberateľom zemného plynu, z ktorého vyrába okrem iného aj vodík, ten premieňa na viaceré zlúčeniny, napríklad aj močovinu. Z nich potom vyrába umelé hnojivá.

Mimochodom, močovina bola prvou syntetizovanou organickou zlúčeninou. Podarilo sa to v roku 1828 nemeckému chemikovi Friedrichovi Wöhlerovi. Hoci šlo o omyl, pretože sa pôvodne snažil vyrobiť inú, anorganickú látku kyanatan amónny, syntézou močoviny prakticky vytvoril nový vedný odbor – organickú chémiu.

Duslo Šaľa chce elektrolýzou získať viac ako 2-tisíc ton vodíka ročne, jeho ročná spotreba tohto plynu je však okolo 100-tisíc ton.Zdieľať

Duslo si chce vybudovať aj vlastné elektrárne na zásobovanie elektrolyzérov – Veterný park Trnovec nad Váhom a Fotovoltickú elektráreň Amerika II –, tie sú v procese posudzovania vplyvov na životné prostredie EIA. Na projekt dostalo Duslo vlani na jeseň aj vládnu dotáciu 58 miliónov eur.

Ročne takto plánujú vyrobiť 2162 ton „zeleného“ vodíka, ktorý bude slúžiť primárne na produkciu čpavku. Lenže aj elektrolyzér v Dusle potrebuje ako surovinu demineralizovanú vodu. Ročná potreba Dusla sa však pohybuje na úrovni 100-tisíc ton vodíka, takže aj po spustení tohto projektu bude podnik stále závislý od dodávok fosílneho zemného plynu.

Vodík v Európe

Využívanie vodíka je jednou z technológií, od ktorých si veľa sľubuje aj Európska únia.

Okrem toho, že môže slúžiť ako úložisko prebytočnej elektriny zo solárnych a z veterných elektrární v čase, keď vyrábajú viac, ako je aktuálna spotreba, javí sa aj ako vhodná alternatíva na pohon vozidiel – najmä v ťažkej nákladnej doprave, železničnej doprave, perspektívne aj v letectve.

V týchto prípadoch sa totiž nedá spoliehať na pohon elektrickými batériami, ktorý EÚ preferuje v osobných autách.

Investičná podpora, ktorú majú záujemcovia k dispozícii od EÚ, je však na pomery a v porovnaní s inými investičnými pomocami – slovami kritikov – minimalistická. Tzv. vodíková banka v prvom kole začala vlani rozdeľovať podporu z balíka 800 miliónov eur. Celkový rozpočet tejto „banky“ má byť 3 miliardy eur.

Rádovo viac chcú však do vodíka investovať jednotlivé štáty.

Rozdielny prístup spočíva aj v tom, že kým EÚ ponúka tieto dotácie na výrobu z obnoviteľných zdrojov, teda energeticky nákladnejšou elektrolýzou, časť štátov a priemyselných odvetví podporuje získavanie vodíka z vysokoteplotných reaktorov.

Fínsko chystá investíciu vo výške jednej miliardy eur na získavanie vodíka elektrolýzou. Francúzsko uvoľnilo 4 miliardy z ohláseného 9-miliardového balíka podpory vodíkového priemyslu. Francúzi síce chcú investovať aj do elektrolyzérov, zároveň však presadzujú, aby bol na európskej úrovni uznaný vodík získaný z reaktorov ako príspevok k dekarbonizácii.

Dokonca ani Nemecko, ktoré vlastné dotácie smeruje práve do výroby z OZE, sa nebráni dovozu francúzskeho vodíka získaného z reaktorov.Zdieľať

Dokonca ani Nemecko, ktoré vlastné dotácie smeruje práve do výroby z OZE, sa nebráni dovozu francúzskeho vodíka získaného z reaktorov. Je však proti tomu, aby bol takýto vodík posudzovaný ako príspevok k dekarbonizácii.

Kontroverzie však vyvoláva zámer dovážať vodík do Európy z krajín tretieho sveta, ktoré majú ideálne podmienky na využitie solárnej energie pri jeho získavaní z vody. Aktivisti z týchto krajín sa sťažujú na to, že ide o ďalšie kolo ich surovinového využívania. Zvlášť to platí, ak k tomu prirátame aj ťažbu minerálov potrebných pre nové typy technológií, najmä pre OZE, ktoré majú dodávať energiu na elektrolýzu vodíka.

Vodík nie je novým zdrojom, s ktorým by sme nemali dostatočné skúsenosti. Využíva sa v priemysle a začína sa presadzovať aj v doprave. V centre pozornosti tak stojí efektívnosť procesu, ktorým ho získavame.