Zamyšlení: Elektrolýza vody a velké voči

Napadlo mě trošku se zamyslet nad tématem, které se v současné době řeší jak v Praze, tak tady v Lyngby. Je tím elektrolýza vody. Budu se snažit oscilovat mezi populární a lehce odbornější „vědou“, takže to snad bude srozumitelné pro většinu. Citace psát nebudu, ale na požádání rád sdělím své zdroje. Pokud se v problematice orientujete, můžete přeskočit rovnou na ekonomickou část úvahy.

Tak předně se jedná o PEM elektrolýzu, tedy elektrolýzu, ve které je elektrolytem pevný kyselý polymer (Nafion). Je to do jisté míry obrácený palivový článek PEM. Do jisté míry, protože některé věci jsou jiné. Předně, v palivovém článku PEM se dá na obou elektrodách použít jako katalyzátor platina na uhlíkovém nosiči. V PEM elektrolyzéru se na anodě (kde se vyvíjí kyslík) používají jiné látky. Nejoblíbenější je IrO₂. Oxidy iridia nejsou nejaktivnější, ale jsou o to stabilnější. Platina se na anodové straně nepoužívá kvůli vysokému přepětí pro vývoj kyslíku (OER, oxygen evolution reaction).

Nechci se tady ale až tak moc zabývat chemií. Když si vzpomenu na celé šílenství kolem palivových článků, vzpomínám si na to, jak měli někteří vědci, novináři, profíci i laikové velké oči. Prostě vodíková ekonomika pyčo! Bude se jezdit na vodík, všechno bude na vodík. Přitom se muselo vědět, že ono to není tak jednoduché. Neberte má slova zle, mně se palivové články líbí, jen si nemyslím, že je to ta spása a že nasazení bude tak masové, jak někteří předpokládali. Dokonce jsem rád, protože masové technologie jsou podle mě nudné. Vůbec mi nevadí, pokud budou PEM paliváky jen tím, co angličané nazývají „niche“ technologií. Právě naopak.

On je totiž vodík fajn, ale je to jenom nosič. Zadarmo je jenom ve vesmíru a to je poněkud daleko a Jupiterská Důlní Společnost existuje stále jenom v seriálu Červený trpaslík. Čili získávání vodíku je první problém. Dneska jde většina z methanu (zemního plynu). Jde to taky z ropy a uhlí. Nebo elektrolýzou vody, ale prakticky veškerý vyrobený vodík při elektrolýze vody je vedlejším produktem chloralkalického průmyslu, který se zajímá hlavně o chlor a v druhé řadě o hydroxid sodný. Takže palivové články mají problém s výrobou paliva.

Další problém je účinnost. Teoreticky při 25 °C je to 83 %. Tedy 83 % chemické energie je teoreticky možné převést na elektrickou, zbytek je ve formě tepla, které se dá více či méně dobře využít. Pokud vás zajímá, odkud hausnumero 83 % pochází, pak si dejte do poměru standardní změnu reakční gibbovy energie a standardní změnu reakční entalpie. Gibbsova energie odpovídá maximální využitelné práci (elektrické energii) a entalpie celkové uvolněné energii. Kdybychom dostali skutečně 83 %, tak bychom si mohli ještě hvízdat. Prakticky se na elektřinu převede asi 40 % (při 0,6 V), což už konkuruje dieselovým motorům.

No a pak je tady ta cena, že. Palivový článek je pořád drahý. Oproti všeobecnému mínění není hlavní část ceny určena cenou drahého kovu, přestože vlivem bankovních spekulací a finanční krize vystřelily ceny drahých kovů nahoru jako Apollo 13. Samozřejmě je fajn, pokud by se platiny používalo méně, ale hlavním důvodem není cena, ale nedostatek platiny jako takové. Tuto větu si zapamatujte, ještě se k ní vrátím.

Dnes se výzkum přesouvá k tomu, co vlastně mělo předcházet výzkumu palivových článků. Totiž k výzkumu cest jak vyrobit vodík. Jak v Praze, tak tady v Lyngby startují projekty na výzkum PEM elektrolyzérů. A opět přicházejí na scénu velké voči. Alespoň tak, jak jsem to tady viděl při otevírání dánsko-čínského centra výzkumu PEM technologií. Tentokrát nás PEM elektrolyzéry (v kombinaci s PEM paliváky) spasí tím, že do nich budeme ukládat přebytečnou energii z elektrorozvodné sítě. Třeba noční proud. Není to špatný nápad, atomové i uhelné elektrárny jsou nejekonomičtější, pokud jedou pořád stejně v kuse. Ale spotřeba elektrické energie během dne kolísá. Přebytečná elektřina se prakticky nijak nedá využít. V České republice máme přečerpávací elektrárnu Dlouhé stráně, která částečně odpovídá na tento problém. V době, kdy je proudu dostatek, se čerpá z nádrže dole voda do nádrže nahoře. Ve špičce se pak děje opačný proces. Kombinovaná efektivita (čerpání × generování) je údajně 75 %, alespoň tak to tvrdí ČEZ. To mi přijde fakt dost. Je to jen o málo méně než má teoretickou účinnost palivový článek typu PEM. A tady je to oběma směry, zatímco PEM je jen polovina technologie.

Jenže na zdejší prezentaci se o jaderných ani o uhelných elektrárnách nemluvilo, protože ty jsou fuj, neekologické a nesluníčkové. Dánové (nejen) jsou eko a bio. Tady jsou elektrárny na biomasu, solární panely a větrné turbíny, u kterých snad jako u jediných vidím nějaký smysl. Vyrábí elektřinu, která není tak strašně drahá a ve větrném Dánsku se dají stavět off-shore, takže moc nepřekáží a navíc na ně víc fouká. Mimochodem, Sasko-Anhaltsko má téměř 50% podíl větrné energie na celkové spotřebě a ať chcete nebo ne, vítr je opravdu zadarmo a je to obnovitelný a zelený zdroj. To, že to stojí víc než z atomu, že to hyzdí krajinu, v zimě z toho létají kusy ledu a dělá to neskutečný bordel v elektrorozvodné síti je ale taky pravda.

A právě to, že větrná (a solární) energie je tak nespolehlivá, mají řešit PEM elektrolyzéry ve spojení s palivovými články. Když bude energie nadbytek, bude se z vody dělat vodík a když bude energie málo, bude se vodík „spalovat“ v paliváku na elektřinu. Takový je ideál. A ty velké voči říkají, že u každého větrného parku (a solárního a kotle na biomasu) bude takováhle stanice. Přeci jen, přečerpávací elektrárnu nejde postavit všude, elektrolyzér a palivový článek ano.

Teď přijde ta slíbená ekonomická úvaha:

Velké voči říkají, že jednou z velkých překážek je cena katalyzátoru a že je potřeba jeho množství v elektrolyzéru snížit (a zachovat výkon). Jsou to ty samé keci, které jsme slýchávali u palivových článků. Situace je tady ale ještě horší. V současné době se jako katalyzátor nejlépe osvědčuje IrO₂ z důvodů popsaných na začátku článku. Jiné katalyzátory než s drahými kovy (podle § 2 zákona č. 539/1992 Sb. jsou drahými kovy Au, Ag, Pt, Pd, Ir, Rh, Ru, Os) prakticky neexistují. Zlato a stříbro můžeme vzhledem k chemickýcm vlastnostem vyloučit, platinu pro anodovou stranu elektrolyzéru také. Anodová strana kvůli přepětí OER rozhoduje o účinnosti procesu.

Většina drahých kovů na planetě Zemi se nachází v jejím jádru. To málo, které bylo v průběhu dějin vyneseno do litosféry (geologickými procesy, nikoli čínskými horníky), se odhaduje na 70 000 tun. Nutno podotknout, že podobně jako odhady zásob ropy, i odhady zásob PGM (platinum group metals, platinových kovů, Ru, Rh, Ir, Os, Pt, Pd) se časem zvyšují. Jedná se tedy o dosud potvrzené zásoby. Z toho platina zaujímá asi 45 %. A na palivové články do většiny aut by nestačila. Zajímavost je, že většina PGM se nachází v komplexu Bushveld v Jihoafrické republice, což rozhodně není plus, spíše to má značný nádech monopolu.

Iridium tvoří asi 1 % všech zásob PGM, tedy asi 700 tun. Do toho se nepočítá určité množství osmiridia (slitina Os a Ir), které se nachází společně s ložisky zlata.

V roce 1998 byla celosvětová spotřeba iridia pouhých 3,26 tun! V roce 2007 pak 3,7 tuny. O ně se celkem rovnoměrně dělí chemický průmysl (katalyzátory), elektrochemický průmysl (elektrody ATA (DSA)) a automobilový průmysl (svíčky). Pak se ještě iridium používá jako speciální konstrukční kov třeba pro sklářský průmysl. Něco málo vezmou i hroty psacích per a také hlavičky harddisků. Celé 3,7 tuny by se vešly do kufru mého Suzuki Swift (tedy nešlo by pak odjet a asi by praskla náprava, ale jen tak pro srovnání).

Tak vzácné je iridium. Cena iridia je závislá na trhu, ale obvykle se na jedné hodnotě drží i několik měsíců. Na spekulace se iridium moc nepoužívá. Přeci jen je ho tak málo, že by to nestačilo. Zlato, platina a palladium jsou na to mnohem vhodnější. Cena je v době psaní tohoto textu asi 720 dolarů za trojskou unci, tedy asi polovina ceny zlata. Přestože iridia je o tři řády méně.

Teď trochu technických věcí:

Proudová hustota na elektrodách v PEM elektrolyzéru je 1 A/cm² při 1,6 V a koncentraci 2 mg IrO₂/cm². Nejlepší měrné výkony jsem zatím viděl 0,3 A/cm² při 1,55 V a koncentraci 0,2 mg IrO₂/cm². Buďme optimisté a počítejme s tímto vysokým výkonem, abychom iridia potřebovali co nejméně. Uvedené parametry odpovídají 0,465 W/cm² při 0,1715 mg čistého Ir/cm². To jest 0,3688 mg Ir na Watt. Protože se počítá s nasazením PEM elektrolyzérů u větrných a solárních parků, přepočítejme to na megawatt. Odpovídá to 368,8 g Ir na MW. Celosvětová poptávka (3,7 tuny) v roce 2007 by tak vystačila na zálohování asi 10 GW výkonu. Instalovaná kapacita větrných elektráren pouze v Německu byla v roce 2009 25,877 GW a zajišťovala 6,5 % celkové spotřeby elektrické energie.

Mluvíme zde o instalované kapacitě. U větrníků je využití obvykle kolem 15 %, když se daří a je dobré místo, může to být i přes 20 %. Výkon klesá s třetí mocninou rychlosti větru. Při příliš velké rychlosti větru se naopak vrtule musí brzdit nebo při uragánu dokonce zastavit. Ale zálohovat se nejspíš bude muset celá instalovaná kapacita, jinak by to asi bylo na nic, ne? To by pak záloha nedávala smysl. Ale i kdyby to byla třeba polovina instalované kapacity, je to dost. Jen si to vemte, 26 GW je instalováno jen v Německu, celková roční celosvětová spotřeba iridia vystačí na 10 GW když budeme počítat se současným nejlepším výkonem PEM elektrolyzéru. A stejně jsou na scéně ty samé velké oči, které už viděly každé auto jezdit na vodík. Tentokrát jsme problém nedostatku platiny převedli na problém nedostatku iridia, kterého je ještě 50 × méně než platiny.

A co se týče argumentu, že snižovat množství iridia se musí z eknomických důvodů, tak jsem počítal takto:

Dnes se staví velké větrné elektrárny o instalovaném výkonu 5 MW (u menších ta bilance vychází ještě hůř). Takový větrník vyjde na nějakých 6–13 milionů dolarů. U těchto velkých spíš k těm šesti. Na celkové zálohování 5 MW je potřeba 1,844 kg iridia, což při současných, ekonomickou krizí nadnesených cenách znamená 42 700 dolarů za tento drahý kov. Pokud snížíme množství na nula gramů iridia, ušetříme 42 700 dolarů. To je 0,7 % pořizovací ceny větrníku. Pokud je větrník menší nebo se zálohuje menší než instalovaná kapacita, ukrojí náklady na iridium ještě menší koláč investičních nákladů. A to nemluvíme o provozních nákladech a celkové ekonomice, které zas tak moc nerozumím. Plus taky asi na konci životnosti dostanete nějaké prachy když dáte katalyzátor k recyklaci, zatímco za opotřebené listy větrníku a betonový sloup asi dostanete starou belu. Pokud budeme počítat s horší účinností (tou druhou, co jsem psal, 1 A/cm² @ 1,6 V, 2 mg IrO₂/cm²), tak se můžeme dostat až na 2 % ceny větrníku. Každá koruna (dolar) se počítá, ale pořád bude samotné iridium tvořit jen malou část nákladů na stavbu větrníku. Nezapomeňte, že náklady na systém uchovávání elektřiny (PEM elektrolyzér, PEM článek a to okolo) jsem nepočítal. Takže celkový podíl ceny iridia na systému větrník + uchovávání energie bude nejspíš pod jedním procentem, s možností recyklace (a cena iridia poroste, takže je to trochu i investice).

Chci tím vším říct, že pokud dnes někdo tvrdí, že hlavní překážkou je cena, tak nemluví pravdu. Daleko větším problémem je nedostatek iridia jako takového. Pokud má dnes někdo velké voči s tím, jak budeme obnovitelně získávat energii ze slunce, větru a biomasy a zálohovat ji pomocí PEM technologií, tak si myslím, že jakákoli cesta, která zahrnuje drahé kovy (a zejména iridium), je v takovém zamýšleném objemu značně nepravděpodobná.