Jak vyrobit vodík (téměř) bez energie

Aby se tímto způsobem vyrobilo dostatečné množství plynu pro vodíková auta, nebo dokonce i letadla, bude se muset postavit velké množství elektráren.

Protože smyslem rozvoje vodíkových technologií je omezení spotřeby fosilních paliv, samozřejmě se musí jednat o elektrárny z obnovitelných zdrojů energie. Plzeňští vědci ale vymýšlejí ještě jeden způsob. Na vodu se jednoduše nechá svítit sluníčko. S patřičným vybavením se v ní vodík vyrobí, aniž bychom dodávali jakoukoli energii.

Do uzavřené nádoby s vodou se vloží lehce zatmavené sklo a postaví se na slunce. V tu chvíli se začnou vytvářet bublinky vodíku, které se odvedou do zásobníku. Žádná jiná energie není potřeba. Tak nějak by v ideálním případě měla fungovat technologie, kterou vyvíjejí vědci z výzkumného centra Nové technologie pro informační společnost (NTIS) Fakulty aplikovaných věd Západočeské univerzity v Plzni.

„Náš materiál je polovodič. Tím, že na něj svítíme světlem, vzniknou v něm nosiče elektron‑díra. Díry vytvoří kyslík a elektrony vyrobí vodík,“ vysvětluje princip docent Jiří Čapek a představuje si, že za deset nebo dvacet let budeme mít vedle fotovoltaických panelů na střechách i polovodičové desky s vodou vyrábějící vodík. Domácí ekologickou výrobu vodíku by zvládly už současné technologie. Solární panely vyrobí elektřinu, kterou použijeme pro elektrolýzu vody.

Další výzkumník Stanislav Haviar ale upozorňuje na jistá úskalí: „Mimo vlastní výrobnu elektřiny potřebujete i elektrolyzér. Klasická elektrolýza, kterou známe ze školy, má velmi nízkou efektivitu, takže pro tento účel není vhodná. To, co se dá už v dnešní době používat, je opak vodíkového článku, který je ve vodíkových autech. Když se zapojí obráceně a pustí se do něj elektřina, vyrobí se vodík. Nevýhoda je, že se jedná o stejnou technologii a stejné materiály jako pro vodíkové články do aut. Pokud bychom je tedy chtěli všichni – domů nebo do aut – tak nemáme na Zemi dostatek materiálu pro jejich výrobu. Současná vodíková auta jsou založena na platině, které ale není na Zemi dost.“

Existuje tak několik cest, jak tento problém vyřešit. Jednou z nich je, že se podaří vyvinout elektrolýzery bez platiny. Anebo elektrolýzu přeskočit – a vo dík z vody vyrábět rovnou, jak se o to Jiří Čapek a Stanislav Haviar snaží. A nejen oni, podobné výzkumy se provádějí téměř po celém světě. Ačkoli myšlenka zní snadno a světové laboratoře se ji snaží zhmotnit už několik desítek let, výsledky stále nejsou takové, aby se tento způsob výroby vodíku vyplatil.

„Nároky na polovodičový materiál jsou extrémní. Vcelku hezky funguje oxid titanu, na což se přišlo někdy v sedmdesátých letech. Nevýhodou je, že tento materiál reaguje jen na UV záření, kterého ale není ve slunečním spektru mnoho. Postupně se tedy přechází na složitější materiály, hodně se teď studují tzv. ternární oxidy, které se skládají ze tří prvků. My se zaměřujeme dokonce i na kvaternární oxidy se čtyřmi prvky. Trend je přecházet ke složitějším materiálům a snažit se vybalancovat všechny požadavky, které jsou pro hledaný materiál nutné,“ popisuje Čapek.

Vědci se zkrátka nevzdávají naděje, myšlenka snadné a energeticky nenáročné výroby vodíku je příliš lákavá. „Teď je účinnost pořád nedostatečná pro komerční využití, ale to se může rychle změnit. Záleží i na finanční podpoře výzkumu,“ věří Čapek.

A jeho kolega Haviar je zároveň přesvědčený, že až se ten správný materiál podaří najít, nebude problém ho rychle uvést do praxe: „Produkce vodíku bude jak velkokapacitní s obrovskými plynojemy, tak i nízkoobjemová, kdy si budeme vodík vyrábět do malé bomby u domu. Pak ho přečerpáme do auta nebo ho využijeme na výrobu elektřiny v noci. Tenkovrstvé technologie obecně mají výhodu, že jsou snadno škálovatelné. Jde takto vyrobit drobná zařízení pro rodinné domky, ale i obrovská zařízení pro velkovýrobu. Dokážu si představit, že na Sahaře budou parky, kde se bude vyrábět vodík a ten se pak bude transportovat mnohem snadněji než elektřina vyžadující dráty.“

Vzniknou i velmi citlivé senzory

Cestu ke správnému materiálu vědci z NTIS hledají pomocí plazmového magnetronového naprašování. Zjednodušeně řečeno jde o technologii, která ve vakuu pomocí plazmatu rozloží vstupní materiál na atomy, které se pak naprašují na podložku, v našem případě na sklo. Výsledkem je nanovrstva s jedinečnými vlastnostmi.

„Plazmovým technologiím rozumíme opravdu hodně. To nám umožňuje připravovat unikátní materiály. Můžeme třeba znát prvkové složení, ale my dokážeme využít výhody plazmatu, který nám nabízí nerovnovážné podmínky, díky čemuž můžeme kombinovat prvky způsobem, který není v přírodě běžný. Jsme schopni je dostat i do speciálních struktur. To vše nám umožňuje připravit materiály v unikátním stavu, který pak může vést k daleko lepším vlastnostem,“ líčí Čapek.

V současné době k vývoji své technologie využívají oxynitrid tantalu, který v sobě obsahuje tantal, kyslík a dusík. Už brzy ale vyzkouší materiály jiné, složitější.

Nanovrstva nanesená pomocí plazmového magnetronového naprašování ale nemusí sloužit jen k výrobě vodíku. Stanislav Haviar se ve svém dalším projektu věnuje tomu, jak vytvořit velmi citlivé senzory, které dokážou vodík detekovat: „Měříme, jak se elektrický odpor materiálu změní při kontaktu s vodíkem. Tento princip je známý už dlouho, různé plyny se takto detekují dnes běžně. Ale protože připravíme materiál hodně tenký nebo hodně nanostrukturovaný, zvýšíme jeho citlivost,“ říká Haviar.

Rozvoj vodíkových technologií se podle Haviara bez velmi citlivých senzorů neobejde. Přece jen jde o výbušný plyn, a tak budeme chtít mít vždycky jistotu, že nikde neuniká, a nehrozí tedy žádné nebezpečí.

Převzato z časopisu Komora. Autor článku: Daniel Mrázek