Použitia vodíka

Zelený vodík

sa vyrába elektrolýzou vody. Elektrický prúd, ktorý je na to potrebný, pochádza z obnoviteľných zdrojov energie, ako solárna, veterná alebo vodná energia. Z tohto dôvodu je výroba neutrálna z hľadiska CO2 a tým šetrná ku klíme.

Sivý vodík

sa vyrába parným reformovaním z fosílnych nosičov energie, ako zemný plyn, uhlie alebo ropa. Pri výrobe jednej tony vodíka pritom vzniká, ako odpadový produkt, desať ton CO2. Sivý vodík nie je klimaticky neutrálny.

Modrý vodík

vzniká, rovnako ako sivý vodík, parným reformovaním. Uvoľnené množstvo CO2 sa však ukladá pod zem (technológia CCS: Carbon Capture and Storage). Keďže sa CO2 nedostáva do atmosféry, je modrý vodík bilančne neutrálny z hľadiska CO2.

Tyrkysový vodík

vzniká pri pyrolýze metánu. V termochemickom procese sa pri tom štiepi zemný plyn (metán) na vodík a pevný uhlík. Pevný uhlík je možné skladovať ako granulát a neskôr je ho možné znova použiť.

Červený / ružový vodík

sa, podobne ako zelený vodík, vyrába elektrolýzou vody. Potrebný elektrický prúd však pochádza z jadrovej energie. Tento druh vodíka je síce neutrálny z hľadiska CO2, spôsobuje však rádioaktívny odpad, ktorý sa musí bezpečne uskladniť.

Na výrobu vodíka existuje množstvo technológií. V súčasnosti sa získava hlavne parným reformovaním fosílnych nosičov energie, pri ktorom okrem toho vzniká CO2. Procesom, ktorý sa stáva čoraz dôležitejším vďaka svojej klimatickej neutralite, je elektrolýza. Pri tomto sa voda štiepi pomocou elektrického prúdu z obnoviteľných zdrojov energie na jej súčasti vodík a kyslík.

Najrelevantnejšími druhmi elektrolýzy pre priemysel sú alkalická elektrolýza (AEC), elektrolýza s membránou na výmenu protónov (PEM) a elektrolýza s pevným oxidom (SOEC). Pri všetkých procesoch sa sa voda štiepi na jej súčasti vodík a kyslík. Technológie sa od seba odlišujú výberom membrány a elektrolytu.

Alkalická elektrolýza (AEC)

Alkalická elektrolýza je v praxi najčastejšie používanou technológiou. Ako elektrolyt slúži roztok hydroxidu draselného (KOH). Technológia je už k dispozícii vo veľkom meradle. Okrem nízkych investičných nákladov a dlhej životnosti sa prakticky nepoužívajú žiadne kritické suroviny. Nevýhody spočívajú predovšetkým v nízkej dynamike pri zmenách zaťaženia.

Elektrolýza s membránou na výmenu protónov  (PEMEC)

Oproti alkalickej elektrolýze je elektrolýza s membránou na výmenu protónov  výrazne mladšia, ale rovnako dostupná v priemyselnom meradle. Centrálnou súčasťou je membrána na výmenu protónov. Táto membrána sa stará o to, aby sa obidva produkty, kyslík a vodík, nezmiešali, čo zabezpečuje vysokú čistotu vodíka. Elektrolýza PEM umožňuje rýchlu zmenu zaťaženia a kompaktný dizajn. Nevýhodou sú drahé materiály katalyzátorov.

Elektrolýza s pevným oxidom alebo vysokoteplotná elektrolýza (SOEC)

Pri tomto druhu sa voda privádza do systému ako vodná para. Tým sa môžu dosiahnuť veľmi vysoké stupne účinnosti až do 85 %. Články pracujú pri teplotách až do 900°C. Ako elektrolyt slúži pevný keramický materiál. Ďalšou výhodou SOEC je, že je vhodná aj pre elektrolýzu CO na výrobu syntézneho plynu. Vysoké teploty však vedú k príliš malej schopnosti zmeny zaťaženia a k vysokým nárokom na materiál.

Na skladovanie vodíka existuje množstvo technológií. Fyzikálne systémy skladovania majú vyššiu gravimetrickú a objemovú hustotu energie. Systémy skladovania na báze materiálu umožňujú skladovanie pri zvládnuteľných tlakoch a teplotách. Dve najdôležitejšie technológie sú skladovanie plynného vodíka pod tlakom až do 700 barov a kvapalného vodíka pri teplote -253 °C vo vákuovo izolovaných nádržiach. Ďalšími technológiami sú hybridné zásobníky, LOHC alebo chemické zásobníky ako amoniak alebo metanol.

Vodík je možné použiť v najrozličnejších odvetviach. Najväčší dopyt sa očakáva v priemysle, pretože vodík sa tu vyžaduje na základe jeho chemických vlastností. Možnými použitiami sú aj výroba amoniaku a metanolu alebo výroba ocele a cementu. V mobilite sa taktiež predpovedá vysoký dopyt. Tu sa vodík používa všade tam, kde batérie neposkytujú žiadnu alternatívu – teda pri vysokých zaťaženiach a veľkých akčných rádiusoch. Patria tu letectvo a kozmonautika, námorné použitia, ale aj doprava.

Vodík pozostáva iba z jedného protónu a jediného elektrónu. Ide teda o najmenší a najľahší prvok, v dôsledku čoho sa veľmi rýchlo šíri cez veľké množstvo materiálov. V závislosti od základného materiálu, tlaku, teploty a doby expozície to môže viesť k vodíkovému skrehnutiu a tým k predčasnej únave konštrukčného dielu. Aby sa zabezpečilo, že vedenia ostanú tesné a bezpečné, je podstatný výber správneho materiálu, ako aj vhodné dimenzovanie konštrukčného dielu pre konkrétny prípad použitia.

Na použitie vo vodíkových aplikáciách sa najlepšie hodia vysoko legované, austenitické chrómniklové ocele s nízkym podielom uhlíka a vysokým obsahom niklu. Vďaka nepatrnému obsahu uhlíka a zvýšenému obsahu niklu sa tieto ocele stávajú vysoko odolnými voči medzikryštalickej korózii a do značnej miery zabraňujú takzvanému vodíkovému krehnutiu.

Vodíkové krehnutie označuje vnikanie a ukladanie atómového vodíka do mriežkovej štruktúry materiálu. Toto spôsobuje zníženie húževnatosti, čo môže viesť k predčasnej únave v dôsledku tvorenia trhliniek alebo k výrazne zrýchlenému šíreniu trhliniek a k náhlemu zlyhaniu materiálu. Krehnutie v dôsledku vodíka je veľmi závislé od materiálu, tlaku, teploty a mnohých ďalších faktorov.