V Pacifiku už začala Doba vodíková (co by se jednou měla opírat o sluneční světlo a vodu)

V řadě nejvyspělejších zemích se tiše pracuje na přechodu k vodíkovému hospodářství, které by opustilo využívání konvenčních paliv, eliminovalo krizi po jejich vyčerpání, a také by zažehnalo problémy s hrozícím skleníkovým jevem.

Kolem roku 1780 italský učenec Luigi Aloisio Galvani postřehl při pokusech s elektrostatickou elektřinou, že žabí stehýnka pod těmito impulsy konají pohyb. Historii řady dnešních vymožeností je možné zpětně vysledovat až v těch Galvaniho pokusech - např. EKG (elektrokardiograf), EEG (elektroencefalograf), AED (automatizovaný vnější defibrilátor). Do Galvaniho pokusů pak nepříznivě zasáhla světská moc. Ta po francouzské okupaci severní Itálie vyžadovala od univerzitního štafu přísahu loajality. Bez toho nebylo možné si udržet akademickou pozici, a tím i přísun prostředků na výzkumy, a tak vlastenec Galvani upadl do chudoby.

Na jeho pokusy nicméně navázal Alessandro Volta, který však rychle abstrahoval od žabích stehýnek. A namísto generování statické elektřiny třením (jako tření ebonitové tyče liščím ocasem) vytvořil v roce 1800 jako reprodukovatelnější a použitelnější zdroj elektrochemickou baterii. Ta byla původně známa jako Voltův sloupec. V něm se střídaly měděné a zinkové plíšky proložené papírem nasáklým v kyselině sírové. Tak vznikl prvý elektrochemický zdroj proudu, za což Napoleon Voltu povýšil do šlechtického stavu (a jeho jméno je navždy zachováno v jednotce napětí).

Vzápětí dva Angličané, William Nicholson a Anthony Carlisle, zjistili, že když se dráty od obou pólů Voltova sloupce zavedou do vody, objeví se kolem nich roje bublinek – elektrochemicky generovaný vodík a kyslík. Po čtyřech desetiletích se poznatky nakupily v rozsahu, který umožňoval pokročit k sjednocování představ o různých formách energie, jejich zachování a přeměnách, což např. vedlo k mechanickému ekvivalentu tepla, který v r. 1843 změřil fyzik a pivovarník James Prescott Joule (jeho jméno je navždy zachováno v jednotce energie). Ale ještě před tím jiný Angličan, fyzik a sudí William Robert Grove, také vedený snahou prokázat přeměny a ekvivalence různých druhů energie, sestavil plynový aparát, ve kterém docházelo k opaku elektrolýzy vody. Tedy tvorbě vody z obou plynů, a to za současné produkce elektrického proudu. K možnosti obrátit směr elektrolýzy vody, a získávat při tom elektrický proud, se v té době dopracoval i německý chemik Christian Friedrich Schönbein, jinak objevitel ozónu. Tak vznikly tzv. palivové články či plynové elektrody, umožňující přímou konverzi chemické energie na elektřinu. Jinými slovy, již před nějakými 177 lety čistý základní výzkum nabídl celkem ucelenou koncepci toho, co se dnes nazývá vodíkové hospodářství, a tedy i řešení budoucího problému skleníkového efektu. I když se formálně jedna o konverzi vodíku s kyslíkem na vodu, neděje se tak za vysokých teplot, a proces má vyšší účinnost, než by mělo spalování v plynové turbíně pohánějící generátor.

K oživení zájmu o palivové články došlo v padesátých letech - jako alternativního zdroje elektřiny při kosmických letech, vedle solárních panelů. Vodík a kyslík jsou tak jak tak využívány v některých raketových motorech, a voda odpadající při chodu palivového článku je i přirozeně využitelná posádkou. Tento oživený zájem vedl k optimalizacím palivových článku, využívání platinových kovů jako katalyzátorů, plastů jako membrán. Vznikla celá řada typů lišících se materiálem elektrod, typem elektrolytů (včetně tuhých), provozní teplotou.

Věc se zitenzivnila, když se začal rýsoval Kjótský protokol, a také platby za emise kysličníku uhličitého. Vodíkové hospodářství totiž nabízí zcela čisté řešení. Elektřinou z jaderných či solárních elektráren se provede elektrolýza vody. Energie se fakticky uloží do vznikajícího vodíku, libovolně skladovatelného. A vodík pak slouží k pohonu prostřednictvím proudu vyráběného v palivových článcích (kyslík se přivádí ze vzduchu). Z vody se vychází a vodou se končí, žádný kysličník uhličitý nevzniká. Vodík se může produkovat i jinými, dokonce levnějšími způsoby. Vodíkem se už dřív i topilo a svítilo, neb byl spolu s kysličníkem uhelnatým součástí svítiplynu. Vodík se dá získávat i při konverzi zemního plynu nebo třeba fermentací biomasy. Úplná konverze metanu ze zemního plynu vodní parou končí vodíkem a kysličníkem uhličitým. Pro zcela čistě řešení by ale v tomto případě bylo třeba oddělený kysličník uhličitý ukládat do geologických podloží, k čemuž by mohla vést důsledná aplikace Kjótského protokolu. Než na to ale dojde, bude příprava vodíku ze zemního plynu sice výhodná, ale za cenu vyvádění kysličníku uhličitého do atmosféry.

Na tomto pozadí světové automobilky začaly vyvíjet automobily na vodíkový pohon. Tak kupř. Toyota v r. 2015 zahájila v Japonsku prodej svého modelu FCV (Fuel Cell Vehicle - vozidlo s palivovým článkem) Mirai se startovní cenou kolem 1,4 miliónu Kč. Vodík je ve vozidle uložen v nádrži pod tlakem 700 atm. Jedno natankování nádrže trvá tři minuty a umožňuje 700 km jízdy. Automobil na vodíkový pohon se částečně překrývá s elektromobily, má ale podstatně rychlejší doplňování zdroje energie a i perspektivu snižování jeho ceny. A i cena samotného vozidla by se měla vyvíjet s velkosériovou produkcí, snižováním potřeby platinového katalyzátoru, přechodem od tlakových nádrží na fyzikálně-chemické systémy ukládání vodíku, daňovými opatreními a dotacemi ze strany státu, penalizací emisí kysličníku uhličitého. Automobily na vodíkový pohon lze potkat i v dalších zemích, kde se budují vodíkové čerpací stanice jako Skandinávie, USA, Kanada. Např. zákon o Kalifornské vodíkové dálnici byl podepsán už v r. 2005 - tehdejším guvernérem Arnoldem Schwarzeneggerem. V současnosti je v Kalifonii kolem čtyřiceti vodíkových čerpacích stanic a nějakých 25 je ve výhledu. Pro období 2020-25 se předpokládá, že v Kalifornii by náklady na palivo pro překonání stejně vzdálenost mohly být u vozidla s vodíkovým palivovým článkem o nějakých 10% nižší, než u podobného automobilu spalujícího benzín. Vše závisí na dalším vývoji ceny vodíku, a ta může význačně poklesnout, pokud by se přešlo na v současnosti vyvíjené fotokatalytické štěpení vody, které jako vstup potřebuje pouze sluneční záření a vodu (popř. regenerovaný katalyzátor). Celkově v USA je v provozu kolem 6000 automobilů a autobusů s vodíkovým pohonen. 

Ještě dále je výstavba vodíkových čerpacích stanic na druhé straně Pacifiku v Japonsku, kde jejich počet již překročil stovku. Do roku 2020 by se jejich počet měl zvýšit o dalších 160, a počet automobilů s vodíkovými palivovými články - ze současných dvou a půl tisíce - má stoupnout na 40000. Tomu napomůže rozhodnutí japonská vlády, že i ministerstva a ústřední agentury budou doplňovat své flotily služebních aut právě vozidly s palivovými články.Vedle Toyoty se na rozvoji vodíkové dopravy v Japonsku podílejí i automobilky Nissan a Honda, a může to představovat příležitost i pro německou, americkou, jihokorejskou či čínskou konkurenci. Jižní Korea oznámila úmysl do roku 2022 dosáhnout 310 vodíkových čerpacích stanic. Podobný vývoj lze očekávat i v Číně, kde je zatím kolem dvanácti vodíkových čerpacích stanic, ale odhady k horizontu 2030 hovoří už o miliónu vozidel s palivovými články. Nicméně větší prioritou jsou v současnosti prosté elektromobily - shodou okolností 7.1.2019 se šéf Tesly Elon Musk účastnil slavnostního výkopu pro Tesla Shanghai Gigafactory, která by už v příštím roce měla začít vyrábět s výrobní kapacitou 500000 vozidel. Jen během roku 2018 se v Číně celkem prodalo na milión elektromobilů. 

Značný potenciál pro nasazení vodíkových palivových článků má i železniční doprava. V severním Německu už od r. 2018 jezdí dva takové vlaky na přibližně stokilometrové trati, přičemž jejich zavedení se předpokládá i v dalších německých státech, a také v jiných evropských zemích včetně Francie. Existuje též i zájem na využívání vodíkovych autobusů nebo i letadel (první letadlo na vodíkový pohon byl Tu155, ještě s vodíkem poháněným tryskovým motorem, dnes existuje německý čtyřmístný letoun HY4 už s vodíkovými palivovými články). A také zásobních elektro-generátorů pro průmysl a instituce pro výpadky sítě při živelných pohromách.

S vodíkem souvisí i ještě zásadnější - byť o dost vzdálenější - řešení energetických problémů, a sice přes řízenou termojadernou reakci, pro kterou hlavním vstupem by měl být těžký vodík - vodíkový izotop získatelný elektrolýzou těžké vody. Samotná těžká voda je v malém množství přítomna v přírodní vodě, odkud se dá získat třeba zase při elektrolýze. Ve velkém měřítku termojaderné reakce probíhají na Slunci, kde se právě při syntéze hélia z vodíkových izotopů uvolňuje obrovské množství energie. Krátkodobě termojaderná reakce nastává i při výbuchu vodíkové bomby. V termojaderných elektrárnách by reakce měla probíhat kontrolovaně v nádobách tvořených magnetickým polem. Magnetické pole umožňuje udržet reakční směs v kompatní podobě vzdor extrémně vysokým teplotám. Teploty reakční zóny jsou podstatně vyšší než třeba v zemském nitru. Nejznámější provedení magnetických nádob se jmenuje tokamak, což je ruská zkratka pro zařízení vzniklé v padesátých letech v Kurčatovově ústavu. V současnosti se v jihofrancouzském Cadarache buduje zatím největší tokamak, a to mezinárodním konsorciem ITER (zkratka z Internacionální Termonukleární Experimentální Reaktor - nověji se užívá i význam slova ITER v latině, tedy cesta). Členy konsorcia jsou EU, Čína, Indie, Japonsko, Jižní Korea, Rusko, a USA. Japonsko se též ucházelo o možnost hostit ITER, a jako kompromis mu nakonec bylo svěřeno výpočetní centrum umístěné v japonském jaderném středisku Rokkašo. Samotný tokamak by měl být v r. 2025 v operačním chodu s projektovaným výkonem 500 MW.

Jistě existuje mnoho důvodů, proč Dálný východ vzkvétá a v Česku to jde od desíti k pěti. Pokud ale by měl být vyčleněn jen důvod jeden, tak je to systém přijímání na VŠ. Jakékoliv významnější místo v zemích dálněvýchodních tygrů mohou zastávat jen absolventi dobrých univerzit. Na dobrou univerzitu se dostanete jen když v celostátním dvoudenním písemném testu získáte excelentní počet bodů. Fakticky původ této univerzální přijímací zkoušky je možné vysledovat v systému zkoušek pro státní službu, který se v Číně praktikoval už od sedmého století. Univerzitní testy jsou univerzální, zcela stejné pro všechny školy a všechny obory, a pokrývají prakticky celé učivo - od matematiky po angličtinu, od japonštiny po chemii. Toto je síto, přes které prostě Biomasy projít nemůžou (no, a u nás naopak úplně stačí, jen si podvodně nastavit řádkování tiskárny). Člověk, který skutečně zvládl celé středoškolské učivo, má samozřejmě jasno třeba i v tom, že od takového r. 1800 prakticky všechno, co zlepšilo kvalitu života, tak či onak bylo výsledkem základního výzkumu. A nebude se proto nikdy snažit základní výzkum zlikvidovat, jak se to u nás téměř podařilo jednomu absolventu vojenského gymnázia.

Foto u perexu: President Toyota Motor Corporation Akio Toyoda předává dne 15.1.2015 první Toyotu Mirai s vodíkovými palivovými články japonskému premiéru Shinzo Abemu (japonské slovo mirai značí budoucnost).

II. díl seriálu: 666@Sky - Je naprosto nezbytné, aby nebe bylo blankytné
[blankyt:666THz]
III. díl seriálu: https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=703928
I. díl seriálu: https://zdenekslanina.blog.idnes.cz/blog.aspx?c=620569

This work is licensed under CC BY-NC-ND 4.0