Vodíku, z kotle ven!

Uhlí, ropa i zemní plyn v sobě obsahují úžasné množství energie. Jenomže abychom ji získali, musíme je spálit, čímž ohrožujeme klimatický systém naší planety. Vědci tedy hledají způsob, jak energii z fosilních paliv získat bezpečnějším způsobem.

Pařížská dohoda z vrcholné konference OSN o záchraně klimatu z prosince loňského roku vstoupila v platnost minulý pátek. O požadovaných 30 dnů dříve totiž byla splněna stanovená podmínka, podle níž muselo dohodu ratifikovat minimálně 55 zemí reprezentujících producenty alespoň 55 procent globálních emisí skleníkových plynů. Mezitím však už dohodu ratifikovala celkově dokonce více než stovka zemí světa. Jen Česká republika mezi nimi stále chybí...

Dohoda má ambiciózní cíl. Podle ní mají státy světa přijmout taková opatření, aby udržely oteplování Země do konce tohoto století pod hranicí dvou stupňů Celsia nad teplotami, které tu byly v době před průmyslovou érou. A navíc budou usilovat o to, aby se jim podařilo udržet teploty ještě pod hranicí 1,5 °C.

Podle vědeckých odhadů se totiž zdá, že dva stupně Celsia jsou mez, nad kterou už světu hrozí změny, na něž naše civilizace není připravena.

Slib a nejisté plnění

Potíž je v tom, že na zvyšování průměrné globální teploty se lidé podílejí zejména vypouštěním takzvaných skleníkových plynů, které pod sebou v atmosféře zadržují více tepla. Jsou to hlavně oxid uhličitý ze spalování fosilních paliv a metan z intenzivního zemědělství. A když zůstaneme u oxidu uhličitého – vznik tohoto plynu je při spalování fosilních paliv obsahujících uhlík zcela nevyhnutelný, chrlí jej komíny tepelných elektráren stejně jako výfuky automobilů.

Zhruba od poloviny 18. století, kdy se hovoří o začátku průmyslové revoluce, už průměrná teplota na Zemi vzrostla podle odhadů o jeden stupeň. Svět tedy nemá moc velký manévrovací prostor. Přitom Pařížská dohoda ještě neříká, jak mají státy postupovat. Zúčastněné země se jen zavázaly, že budou každých pět let představovat své plány postupu, jak závazku dosáhnout. Pro státy, které svůj závazek nedodrží, neexistují postihy. Bohatší země naštěstí slíbily, že budou ročně dávat těm rozvojovým sto miliard dolarů na kompenzaci škod způsobených změnou klimatu a bojem proti ní. Má to svou sebeobrannou logiku: když se rozvojové země nezapojí a budou stavět dal- ší a další tepelné elektrárny, sice na to nakonec v důsledku změny klimatu doplatí, ale bohatí se svezou s nimi. Amá to imorální podtext: vyspělé země jsou bohaté proto, že začaly spalovat uhlí a ropu dřív než státy rozvojové – a na fosilních palivech vybudovaly svůj blahobyt, nemohou tedy dost dobře jen tak zakázat jiným udělat totéž.

Nejisté samozřejmě je, jak se bude situace vyvíjet poté, co úřad amerického prezidenta převezme Donald Trump, z jehož výroků o tom, že klimatická změna není velký problém, se už vědcům mnohokrát zježily vlasy na hlavě.

Vstup Pařížské dohody v platnost „oslavil“Program OSN pro životní prostředí vydáním zprávy o současných světových emisích skleníkových plynů. Jednoduše shrnuto: pokud vše půjde tak jako teď, bude teplota zeměkoule koncem století vyšší o 2,9 až 3,4 stupně Celsia oproti preindustriálním časům. Zabránit se tomu dá, jen když budeme energii užívat vysoce efektivně a co nejvíce omezíme fosilní paliva.

Nejisté ukládání v podzemí

Anebo dokážeme najít jinou možnost. Vzdát se úplně energie z uhlí, ropy a zemního plynu je nesmírně obtížné. Navzdory všem dřívějším předpovědím je těchto surovin stále dost a objevují se i jejich nové využitelné zdroje. Fosilní paliva jsou spolehlivá a dobře se s nimi zachází – natankovat benzin do nádrže je pohodlné a rychlejší než nabít baterii v elektromobilu, dají se skladovat a spálit v elektrárně, kdykoli je to zapotřebí, není třeba čekat, až slunce zasvítí na fotovoltaické články nebo vítr dostatečně roztočí vrtule větrníků.

Jeden směr výzkumu se zabývá tím, jak oxid uhličitý vznikající při spalování fosilních paliv „uvěznit“, aby se nedostal do ovzduší. Výzkumníci jej vtlačují do podzemních prostor, kde však hrozí, že odtud jednou stejně unikne. Letos v červnu popsal mezinárodní vědecký tým ve špičkovém odborném časopise Science jiné nadějné experimenty, které vědci dělají na Islandu. Směs oxidu uhličitého a vody tam pumpují do čedičového podloží, kyselá tekutina čedič rozleptává a z reakce vzniká zejména vápenec, který v sobě oxid uhličitý pohltí, takže se nedostane do vzduchu. „Zkamenění“skleníkového plynu vypadá úžasně, ale metoda se zatím jeví jako příliš drahá.

Nejlepší skleníkový plyn

A tak vědci už dlouho přemýšlejí, jak energii z fosilních paliv uvolnit a využít, ale bez jejich spálení. Tím by problémy se vzniklým oxidem uhličitým úplně odpadly. Zní to samozřejmě až moc hezky na to, aby to mohlo jít jednoduše.

Hodně daleko se zatím dostal Alberto Abánades, který nyní působí na Polytechnické univerzitě v Madridu. Zabývá se chemicky nejjednodušším fosilním palivem – zemním plynem. To je fakticky metan, tedy plyn, jehož molekulu tvoří jeden atom uhlíku a čtyři atomy vodíku. Vodík sám je výborným energeticky hodnotným palivem, z něhož při hoření vznikne jen neškodná voda.

Abánades se do problematiky chemického rozbíjení metanu pustil v roce 2008, kdy pracoval v Ústavu pro výzkum udržitelných technologií v německé Postupimi v týmu, který vedl Carlo Rubbia, italský jaderný fyzik, nositel Nobelovy ceny z roku 1984 a dříve také profesor Harvardovy univerzity a ředitel evropského centra jaderného výzkumu CERN.

Vědcimuseli vyjít z toho, že vazby uhlíku a vodíku v metanu drží pořádně pevně. Průmyslově se rozbíjejí štěpením za pomoci vodní páry, jenže při tom vzniká kromě vodíku i oxid uhličitý, jemuž se Abánades a Rubbia chtěli vyhnout.

Jiným známým výrobním postupem je tepelný rozklad metanu na uhlík a vodík při teplotách až tisíc stupňů Celsia. Dosažení takové teploty je však energeticky příliš náročné, aby se hodilo pro velkovýrobu dostatečně levného vodíku. Při reakci se dá použít katalyzátor, díky němuž rozklad metanu probíhá za rozumnější teploty, ale pak se na katalyzátoru usazuje vznikající uhlík v podobě sazí a snižuje efektivitu reakce, až ji zastaví. Uhlíku se dá zbavit – tím, že se v reaktoru spálí... Pak však zase samozřejmě vzniká nechtěný oxid uhličitý a postup přestane dávat ekologický smysl.

Vybublávání z roztaveného cínu

Abánades s podporou Rubbiy tedy zkoušel jiné postupy. Až se dostal k výsledku, který publikovali letos v květnu v časopise International Journal of Hydrogen Energy. Skutečnost, že práci přijal tento a nikoli žádný prestižnější časopis, naznačuje, že ke zdroji energie použitelnému v průmyslových aplikacích ještě vědci nemají úplně blízko. Nicméně vymysleli reaktor naplněný roztaveným cínem. V něm se metan rozkládá na vodík, který uniká ven, kde se dá zachytit, a zbylý uhlík vyplave na hladinu, odkud se dá odebrat, takže reaktor nezanese.

Laboratorní zařízení zatím vypadá jako domácí ohřívač vody, vědci však budou na jeho vývoji dál pracovat a věří, že se jim nakonec povede dotáhnout jej do prakticky využitelné podoby.

Otázkou zatím zůstává, co se bude dělat se získaným uhlíkem. Alberto Abánades populárně-vědeckému časopisu New Scientist nastínil představu, že by se dal prodat třeba nanotechnologickému průmyslu, který pracuje s uhlíkovými částicemi, anebo třeba dodat k využití výrobcům pneumatik.

Pokud jde o využití vzniklého vodíku, to už není taková novinka. Už po desetiletí vědci pracují třeba na vývoji vodíkového automobilu. První základní možností je, že bude vodík spalovat přímo ve svém (speciálním) motoru, jako se v něm dnes pálí benzin nebo nafta. Druhou variantou jsou pak palivové články, v nichž se vodík a kyslík (odebíraný přímo ze vzduchu) přeměňují rovnou v elektřinu, teplo a vodu. Elektřina pak pohání motor vozidla, z výfuku do okolního ovzduší vychází neškodná vodní pára. Právě palivové články se považují za velmi efektivní způsob získávání elektřiny, protože dosahují asi šedesátiprocentní účinnosti (případně i více než osmdesátiprocentní, pokud se využije i odpadní teplo). Tvoří je dvě elektrody, z nichž k jedné je přiváděn vodík a ke druhé kyslík. Elektrody jsou od sebe odděleny tenkou plastovou membránou potaženou platinou či palladiem, fungujícími jako katalyzátor, který urychluje reakci, při níž vzniká potřebná elektrická energie.

Mimochodem, palivové články se používají v kosmických lodích, kde dodávají elektřinu; vzniklou vodu astronauti pijí. Byl to však právě výbuch v kyslíkové nádrži palivového článku, který v roce 1970 málem zničil kosmickou loď Apollo 13.

Oříšek pro konstruktéry

A tím jsme narazili na podstatný problém vodíku: při smíchání se vzduchem je explozivní. A ke všemu ještě jeho malinké molekuly postupně pronikají palivovou nádrží a unikají ven. To představuje bezpečnostní oříšek pro konstruktéry. Skladování a převoz vodíku vyžadují jeho stlačení či zkapalnění, což zase stojí peníze.

Bavit se o ekonomice postupu získávání vodíku postupem, na němž pracuje Alberto Abánades, je zatím předčasné: vědec pro časopis New Scientist uvedl, že podle analýz, které dělali společně s Technickou univerzitou v německých Cáchách, by jejich vodík měl být levnější než vodík získávaný elektrolýzou vody s využitím energie z větrných elektráren. Ale bude lepší počkat až na výsledky z pozdějších pokusů, pokud k nim dojde.

Když se zemní plyn spálí přímo, jako se to děje dosud, je to prostě vždycky levnější. Ale pro náš klimatický systém ničivější.

Navzdory dřívějším prognózám je fosilních paliv stále dost a objevují se i nové využitelné zdroje. Vědci tedy zkoumají, jak z nich uvolnit energii, aniž by to ohrozilo klima.