Levnější vodík díky nanočásticím  
Už hodně dlouho se předpovídá brzký nástup vodíkové ekonomiky, která vytlačí současnou „benzíno-naftovou“. Když pomineme křečovité snahy prosadit nedotažené technologie do reálného provozu, ať to stojí co to stojí, máme tu jeden podstatný zádrhel – levnou výrobu vodíku. Zde by mohl pomoci nanočásticový katalyzátor chemiků z Penn State Univerzity.

 

 

Zvětšit obrázek
Kolekce niklo-fosfidových nanočástic pohledem elektronového mikroskopu. Kredit: Eric Popczun, Penn State University

Vodík – ale kde ho vzít?

Vodík je ve vesmíru nejrozšířenějším prvkem, ale na naší planetě se vyskytuje skoro výhradně jako součást chemických sloučenin. Nejrozšířenější patrně bude di-hydrogen mono-oxid, populárně nazývaný voda. Zde na jeden atom kyslíku připadají dva atomy vodíku. Bohužel, vazba je velmi silná, proto je na její zrušení potřeba hodně energie. A energie není zadarmo. Možná i proto se v současnosti vyrábí vodík skoro výhradně ze zemního plynu, což je nehorázné plýtvání.


 

Zvětšit obrázek
A takto by měl katalyzátor fungovat v praxi - už jen do něčeho jímat tvořící se bublinky vodíku. Kredit: Eric Popczun, Penn State University

 Zefektivnit výrobu vodíku z vody by mohl vhodný katalyzátor, který by umožnil reakci, aby byla méně energeticky náročná. Jedním z prvků, který to umožňuje je platina, ale to jsme se dostali z deště pod okap. Co ušetříme na energie, to utratíme za platinu.  Vědci pod vedením profesora Raymonda Schaaka z Penn State University již delší dobu hledali náhradu platiny jako katalyzátoru a nyní  publikovali v časopise Americké asociace chemiků svojí práci o použití niklo-fosfidových nanočástic jako levného a účinného katalyzátoru při výrobě vodíku z vody. Skoro kulové nanočástice mají ohromný povrch, který umožňuje silnou katalytickou reakci s vysokou účinností.


 Snadná a levná produkce vodíku z vody, která je stejně jako nikl a fosfor velmi rozšířeným prvkem,  může podstatně zvýšit účinnost a především regulovatelnost obnovitelných zdrojů energie, jako jsou fotovoltaické a větrné elektrárny. Schopnost ukládat energii když je jí hodně a není potřeba a uvolnit ji podle požadavku by setřela vrásku na čele nejednoho technika přenosových sítí v Německu. Prozatím jediný způsob, jak ve velkém skladovat energii je ve formě přečerpávacích vodních elektráren. Pokud by si větrné a solární farmy mohly v období přebytku energii ukládat ve formě vodíku a v období nedostatku ji přes palivové články pouštět do sítě, jednalo by se o velký krok dopředu.  A samozřejmě, levnější vodík bude dobrý i pro auta a autobusy, jezdící na vodíkové palivové články.

 

Zdroj: http://phys.org/news/2013-06-nanoparticle-door-clean-energy-alternatives.html

 

Autor: Martin Tůma
Datum: 14.06.2013 13:23
Tisk článku

Fyzika 5 pro základní školu RVP - Tesař Jiří
 
 
cena původní: 109 Kč
cena: 97 Kč
Fyzika 5 pro základní školu RVP
Tesař Jiří

Diskuze:

Pri spalovani benzinu

Helmut Beywal,2013-07-03 18:27:42

se oxiduji uhlovodiky.

Odpovědět

Účinnost

jaroslav mácha,2013-06-18 10:11:37

Účinnost při výrobě vodíku elektrolyzou z vody je 25%. Při použití elektrolýzy v tavenině 30%, tato technologie ovšem vyžaduje kontinuální provoz. Význam snížení aktivační energie nebude podstatný, protože značná část energie se spotřebuje na vytvoření kyslíku z iontů kyslíku. A výroba kyslíku ze vzduchu je neskonale lacinější. Nízká je i efektivita vodíkových článků, nyní 60%, teoreticky 70%. Takže akumulace vodíku představuje ztrátu 85% energie. Vodíková energetika je nesmysl. Pumpování vody na kopec má účinnost 70-80%.

Odpovědět

p2g

Drahomír Strouhal,2013-06-17 09:29:53

Samozřejmě může jít o kachnu, ale mám dojem, že ukládání energie do vodíku má už alternativu...
http://www.blisty.cz/art/68658.html

Odpovědět

Spalování je oxidace a palivo (redukovadlo)

Josef Hrncirik,2013-06-15 16:19:21

vodík či uhlík převádí svoje elektrony do vazeb s kyslíkem. Energii uvolněnou při redukci kyslíku možno odvádět v palivovém článku komplikovaně jako práci elektrického proudu tím vyvolaného a jdoucího přes elektromotor ženoucí auto. Vodík je reaktivnější než uhlovodík či uhlíková složka. Z hlediska energie ale platí že C odpovídá cca 2 H2, protože reakce C + 2 H2O = CO2 + 2 H2 probíhá celkem snadno a je technicky v chemii využívána. Ve spalovacím či Stirlingově motoru reaktivita není kritická. Rozhoduje spalné teplo. Spalné teplo CH4 odpovídá cca 4 H2 a -CH2- odpovídá cca 3H2, aneb 16 kg zemního plynu CH4 odpovídá cca 8 kg vodíku, tj. stejné objemové hustoty energie je v plynném vodíku dosaženo až při 4 násobném tlaku než v CH4. Hustota energie na hmotu nás nezajímá, není to raketa a tam to stejně kazí velká dávka oxidovadla.

Odpovědět

Matrice je tam popsaná

David Krul,2013-06-15 12:37:36

a já ji neviděl :-( .

...byy placing the nanoparticles onto sheet of titanium foil and immersing that sheet in a solution of sulfuric acid.

Takže uchyceno na titanové fólii, hmmm. Fosfid titanu OK, niklid titanu nebo titanid niklu nebo fosfid titano-niklu, zajímavé, k tomu bez zopakování u sebe a změření nedokáži naprosto nic říci.

Odpovědět

(Pseudo-)oponentní řízení před zveřejněním článku?

David Krul,2013-06-15 12:29:15

Možná by se vyplatilo.

Tento článek je podle mě vzorový kandidát.

Možno pak publikovat nezměněné s oponentními posudky/názory/atd nebo zkusit oslovit původní autory a předložit jim otázky/námitky/odpor/komentáře k vyslovení se?

Fosfid niklu i v homogení kouli vodě neodolá (ani vodní páře, tedy vzduchu se stopami vody, natož kyslíku ve vzduchu), reakcí samozřejmě nevznikne jako finální produkt vodík. Natož pak ve formě nanočástic. Jestli ovšem ten fosfid (nebo ekvimolární nebo experimentálně nejlépe se chovající molární poměr) naváží na nějaký sustrát, ke kterému budou atomy fosforu a niklu vázány dost pevně a při tom bude mít dostatečný povrch a propustnost if needed, mohlo by to ke snížení ztrát při elektrolýze skutečně pomoci. Takovou matrici jsem tam popsánu neviděl, ale možná to před patentovou ochranou nechtějí pustit nebo je to v originálním článku, ke kterému nemám přístup.

Odpovědět

V článku je zásadní logická chyba.

Radim Polášek,2013-06-15 10:22:03

Energetická náročnost vlastní reakce, rozkladu vody na vodík a kyslík nelze žádným katalyzátorem změnit, zmenšit nebo zvětšit. Tato hodnota je, co si pamatuji ze školy, podle termodynamických zákonů natvrdo dána rozdílem energetických stavů látek na vstupní a na výstupní straně rovnice. Pokud jsou látky, jejich stavy a množství na vstupní i na výstupní straně rovnice stejné, musí být stejné i množství vložené nebo uvolněné energie.
Katalyzátor potom pouze posunuje reakční podmínky směrem do příznivějších oblastí, co se týká tlaku, teploty a dalších parametrů, kdy jsou nižší ztráty, vyšší výtěžnost atd.

Odpovědět


Drahomír Strouhal,2013-06-17 09:34:45

Souhlas. Ale zároveň víme, že katalyzátory slouží k tomu, aby se překonaly zbytečné energetické kopce, které snižují efektivitu. Předpokládám, že při klasické elektrolýze se musí dodat energie nejen pro rozklad, ale i k překonání tohoto vrcholu a elektrolyt se poté zahřívá, takže touto metodou se redukují tepelné ztráty.

Odpovědět

Zajímalo by

Mojmir Kosco,2013-06-15 07:07:26

mne co se vlastně děje při vlastním fyzikální ději a chemickém ději při spalování benzínu. V případě spalování vodíku je nositelem energie vodík.Je tomu tak i v případě spalováni benzínu ?

Odpovědět


Martin Bartůněk,2013-06-15 19:14:44

V případě spalování vodíku je nositelem energie stejnětak kyslík, jako vodík. Je to energie nikoli prvků, ale chemické reakce.

Odpovědět


Drahomír Strouhal,2013-06-17 09:41:07

Předpokládám, že by se nalezly i další, ale H2O a CO2 jsou na Zemi dvě nejběžnější a zároveň nejstabilnější sloučeniny. Kdyby tomu tak nebylo, neexistovaly by :-). Benzin se skládá víceméně z uhlíku a vodíku. Při jeho spalování tedy vzniká H2O a CO2.
Jen drobná poznámka - v motoru na benzin tedy vždy bude vznikat oxid uhličitý. Pokud tedy EU přikazuje snižovat produkci CO2, jde spíš o zvyšování účinnosti motorů.

Odpovědět

Odhadem je na zkapalnění vodíku zapotřebí

Josef Hrncirik,2013-06-15 01:31:07

teoreticky cca 15% jeho energie, prakticky asi 30%, bez rozumné možnosti rekuperace.

Odpovědět

cca 50 kg váží tlaková láhev ve které je cca 50 l

Josef Hrncirik,2013-06-15 01:07:57

vodíku při 200 MPa. To je v případě vodíku kanistr na 10 l benzínu, v případě zemního plynu na 40 l benzínu.
Natlakování vyžaduje teoreticky 5,3 MJ, tj. cca 0,5 l benzinu, či 500 l H2, v praxi spíše 1 m3, tj. 10% obsahu láhve s H2, ale jen cca 2,5% s CH4. Tuto energii nelze v automobilu rozumně rekuperovat.

Odpovědět

Hustota uložení energie ve vodíku je nízká.

Josef Hrncirik,2013-06-14 15:49:15

Objemově je jen 1,5x větší než ve vodě hnané do přečerpávací elektrárny Dlouhé Stráně (cca 700 m výškového rozdílu). Je cca 4x menší než v zemním plynu a cca 1000 menší než v naftě či benzínu a cca 300x menší než ve dřevě či papíru.

Odpovědět


můžete mi prosím Vás vysvětlit

Pavel Brož,2013-06-14 23:52:09

proč porovnáváte objemovou hustotu plynného vodíku při pokojové teplotě a standardním tlaku s objemovou hustotou ostatních látek? On snad někdy někdo uvažoval o tom, že by snad automobily spalující vodík za sebou vleky vzducholodě jakožto palivové nádrže?

U vodíku jakožto potenciálním nástupci benzínu či nafty se vždycky uvažovalo např. že bude extrémně stlačený, v krajním případě až do kapalna (což ovšem generuje obrovské problémy týkající se bezpečnosti takového řešení), anebo že bude rozpuštěn ve vhodných kovech (některé kovy dokáží v sobě rozpustit mnohanásobky objemu plynného vodíku), jenže pak se mj. naráží na problém dostatečně rychlého uvolňování vodíku z takovýchto článků.

Odpovědět

Problémem při výrobě vodíku elektrolýzou

Josef Hrncirik,2013-06-14 15:33:24

není přepětí vodíku, které je nízké již na samotném niklu. Podstatná část energie se ztrácí vlivem přepětí nutného k uvolnění kyslíku rozumnou rychlostí. Přepětí kyslíku se určitě ani nepokoušeli řešit. Tam fosfid niklu nefunguje a dokonce ani fungovat nemůže, protože by se oxidoval. V kraťoučkém odkazu nejsou ani čísla ani grafy a tak spíše budí soucit než zájem.

Odpovědět

Jen aby nezapoměli kromě účinosti výroby vodíku

Jenda Krynický,2013-06-14 13:58:41

a pak elektřiny, nezapoměli taky na skladování.
Ten vodík bude potřeba ještě stlačit.

Odpovědět


Skladování

Vojtěch Kocián,2013-06-14 15:53:13

Pokud by s takto získaným palivem měly třeba honit auta, tak vodík je dosti nevhodný - nízká energetická hustota vzhledem k objemu (i v kapalné formě), degradace nádrží atd. Lepší by bylo ho přeměnit na lépe ovladatelné palivo. Když na stránkách z odkazu zalistujete, tak se dá najít třeba tohle:
http://phys.org/news/2012-07-homogeneous-catalysis-ruthenium-phosphine-complex.html#inlRlv
Metanol je mnohem šikovnější než vodík. Jen se nesmí míchat, kam nepatří. Jiným rozumným palivem je třeba metan.

Připadá mi však, že jde o články spíše teoretické a na uvedení do praxe si počkáme (pokud se dočkáme).

Odpovědět


Drahomír Strouhal,2013-06-17 09:51:48

Když se ohlašovala obří sluneční elektrárna v Africe, chtěli vést elektřinu takto vyrobenou supervodiči do EU. Podle mne je to nesmysl. Měli by vytvořit plynovod pro vodík, který ani nebude muset být extrémně tlakový. Pokud bude mít dostatečnou šířku, bude sloužit zároveň jako zásobník a přitom se dá využít jako vyrovnávací nádrž. Samozřejmě u automobilů je stlačitelnost podmínkou, ale myslím, že nebude vadit tankování každých 300 Km, když jsou benzinky na každém rohu. Důležité je, aby byly v autech i baterie, kdyby náhodou vodík vyprchal :-).

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace