Použití vodíku

Zelený vodík

se vyrábí elektrolýzou z vody. Potřebný proud se vyrábí z obnovitelných zdrojů energie, např. ze solární, větrné a vodní energie. Z tohoto důvodu je jeho výroba CO2 neutrální a klimaticky příznivá.

Šedý vodík

se vyrábí z fosilních nosičů energie, jako je zemní plyn, uhlí nebo ropa, štěpením vodní parou. Při tom vznikne jako odpadní produkt na výrobu jedné tuny vodíku deset tun CO2. Není klimaticky neutrální.

Modrý vodík

vzniká, stejně jako šedý vodík, štěpením vodní parou. Uvolněný CO2 se však skladuje pod zemí (technologie CCS: Carbon Capture and Storage). CO2 se tak nedostává do atmosféry, a proto je modrý vodík bilančně CO2 neutrální.

Tyrkysový vodík

vzniká při pyrolýze metanu. Při tom se zemní plyn (metan) štěpí v termochemickém procesu na vodík a pevný uhlík. Pevný uhlík lze skladovat jako granulát a později ho opět použít.

Červený/růžový vodík

se vyrábí stejně jako zelený vodík elektrolýzou. Potřebný proud však pochází z jaderné energie. Tento druh vodíku je sice CO2 neutrální, při jeho výrobě ale vzniká radioaktivní odpad, který je nutné bezpečně uskladnit.

Na výrobu vodíku existuje mnoho technologií. Dnes se získává především štěpením fosilních nosičů energie vodní párou, při které vzniká navíc CO2. Proces, který díky své klimatické neutralitě získává stále větší význam, je elektrolýza. Při ní je voda pomocí proudu z obnovitelných zdrojů energie štěpena na složky vodík a kyslík.

Pro průmysl nejvíce relevatní druhy elektrolýzy jsou alkalická elektrolýza (AEC), elektrolýza protonově vodivou membránou (PEM) a vysokoteplotní elektrolýza (SOEC). Při všech těchto postupech dochází ke štěpení vody na její složky vodík a kyslík. Jednotlivé technologie se liší ve výběru membrány a elektrolytu.

Alkalická elektrolýza (AEC)

Alkalická elektrolýza je v praxi nejčastěji používaná technologie. Jako elektrolyt slouží roztok hydroxidu draselného (KOH). Tato technologie je již k dispozici ve velkém měřítku. Kromě nízkých investičních nákladů a dlouhé životnosti se nepoužívají prakticky žádné kritické suroviny. Nevýhody spočívají především v nízké dynamice při změně zátěže.

Elektrolýza protonově vodivou membránou (PEMEC)

Ve srovnání s alkalickou elektrolýzou je elektrolýza protonově vodivou membránou mnohem mladší, ale je také dostupná v průmyslovém měřítku. Základní složkou je protonově vodivá membrána. Ta zajišťuje, že se oba produkty – kyslík a vodík – nesmísí, což zajišťuje vyšší čistotu vodíku. Elektrolýza PEM umožňuje rychlou výměnu zátěže a kompaktní design. Na druhou stranu potřebuje drahé katalytické materiály.

Elektrolýza pevným oxidem nebo vysokoteplotní elektrolýza (SOEC)

Zde je voda přiváděna do systému jako vodní pára. Lze tím dosáhnout velmi vysoké efektivity až 85 %. Články pracují při teplotách až 900 °C. Jako elektrolyt se používá pevný keramický materiál. Další výhodou SOEC je, že je vhodná pro CO elektrolýzu k výrobě synplynu. Vysoké teploty však vedou k nízké schopnosti změny zátěže a k vysokým nárokům na materiál.

Existuje celá řada technologií skladování vodíku. Fyzické zásobníky mají vyšší gravimetrickou a volumetrickou objemovou hustotu. Materiálové zásobníky umožňují skladování v ovladatelných tlacích a teplotách. Dvě nejvíce relevantní technologie jsou skladování plynného vodíku pod tlakem až 700 bar a kapalného vodíku při -253 °C ve vakuově izolovaných nádržích. Dalšími technologiemi jsou skladování hydridů kovů, LOHC nebo chemické zásobníky, jako čpavek nebo metanol.

Vodík je možné využít v různých oborech. V průmyslu lze očekávat největší poptávku, protože vodík je zde kvůli svým chemickým vlastnostem potřeba. Možná použití jsou výroba čpavku a metanolu nebo výroba oceli a cementu. V mobilitě je rovněž očekávána velká poptávka. Zde se vodík používá všude tam, kde baterie nepředstavují alternativu – tedy u těžkých nákladů a velkých dojezdů. Sem patří letectví a kosmonautika, námořní využití a doprava.

Vodík se skládá jen z jednoho protonu a jednoho jediného elektronu. Je to tedy nejmenší a nejlehčí prvek, a proto velice rychle difunduje skrz velké množství materiálů. V závislosti na základním materiálu, tlaku, teplotě a době expozice to může vést k vodíkovému křehnutí, a tím k předčasné únavě konstrukčního dílu. Aby potrubí zůstala těsná a bezpečná, je podle případu použití zásadní výběr správného materiálu a vhodná konstrukce konstrukčních dílů.

Pro použití při aplikaci vodíku jsou nejlepší vysoko legované, austenitické chromoniklové oceli s nízkým podílem uhlíku a vysokým podílem niklu. Díky nízkému obsahu uhlíku a zvýšenému obsahu niklu jsou tyto oceli velmi odolné vůči mezikrystalické korozi a dalekosáhle zabraňují takzvanému vodíkovému křehnutí.

Vodíkové křehnutí označuje vnikání a ukládání atomárního vodíku do mřížkové struktury materiálu. To způsobuje snížení odolnosti, což může vést k předčasné únavě kvůli vzniku trhlin nebo silně zrychlenému zvětšování trhlin a k náhlému selhání materiálu. Vodíkové křehnutí je silně závislé na materiálu, tlaku, teplotě a mnoha dalších faktorech.