Vodíkový palivový článek

Palivový článek je elektrochemické zařízení přeměňující přímo chemickou energii paliva a okysličovadla na energii elektrickou. V podstatě jde o galvanický článek, skládající se ze dvou elektrod oddělených membránou nebo elektrolytem. K elektrodám je přiváděno palivo (k anodě) a okysličovadlo (ke katodě), které se katalyticky slučují. Palivový článek může teoreticky pracovat nepřetržitě, dokud není přerušen přívod paliva nebo okysličovadla k elektrodám, protože ty jsou katalyticky i reaktivně stabilní.

Existuje mnoho kombinací paliva a okysličovadla. Např. kyslíko-vodíkový článek používá vodík jako palivo a kyslík jako okysličovadlo, přičemž jako odpad produkuje čistou vodu. Jiné články užívají jako paliva uhlovodíky a alkoholy. Místo čistého kyslíku se jako okysličovadla může použít například vzduch, chlór nebo oxid chloričitý.
V současnosti se nejvíce nadějí vkládá do kyslíko-vodíkového palivového článku v rámci vodíkového pohonu automobilů, přestože automobily s palivovým článkem nejsou ve svém důsledku šetrnější k životnímu prostředí. Vodík může být získán například pomocí elektrolýzy vody. Potřebný kyslík pro palivový článek, je možno získávat z atmosféry.Skladování vodíku v automobilových nádržích je v neustálém vývoji. Vodík je ve směsi se vzduchem vysoce výbušný. Dlouhodobé skladování vodíku v nádržích naráží na jejich těsnost. Rozměry molekuly vodíku a mezimolekulární rozměry materiálu nádrže jsou srovnatelné. Proto nelze nádrže dokonale utěsnit. Současné vodíkové nádrže pracují s provozními tlaky 35 MPa (350 bar). Moderní výzkumy ukazují na použití směsi železa a titanu jako stabilizátoru. Palivové články byly využity u projektu TriHyBus (původně H2bus), což je označení pro český hybridní autobus na vodíkový pohon, elektrobus čerpající energii z palivových článků, který byl vyvíjen od roku 2006 Ústavem jaderného výzkumu v Řeži.Energeticky nejúčinnějším způsobem výroby vodíku je v současnosti přímá přeměna fosilních paliv, zejména parní transformací s účinností kolem 70%. Jako další možnost se nabízí elektrolýza vody s hlavním vstupem v podobě elektrické energie a s účinností 60–70%. Využití elektřiny pro získání vodíku je výhodné ve spolupráci s jadernou elektrárnou v době energetického sedla, kdy je přebytek nabídky energie. Elektrolýza vody a skladování vodíku tak částečně řeší „skladování elektřiny“.
Více viz https://cs.wikipedia.org/wiki/Palivov%C3%BD_%C4%8Dl%C3%A1nek

Měrné ceny, úspory, návratnosti

Velmi vysoká pořizovací cena celého systému: Hlavní překážkou pro masové rozšíření je velmi vysoká pořizovací cena celého domácího vodíkového systému. Tento systém obvykle zahrnuje palivový článek (stack), elektrolyzér (vodíkový generátor), kompresor a úložné nádoby či nádrže.

• Celkové náklady systému: Celkové náklady na takový systém pro domácnost se mohou pohybovat kolem 2 milionů Kč, nebo v rozmezí 38 000 až přes 100 000 USD. Jeden příklad instalace v USA stál přibližně 135 000 USD.
• Náklady na elektrolyzéry: Investiční náklady na elektrolyzéry (které vyrábějí vodík, nejsou palivovým článkem) se v současnosti pohybují kolem 770 USD/kW, s potenciálem poklesu na 400 USD/kW u nových řešení. Toto je cena výrobního zařízení, nikoli zařízení, které přeměňuje vodík zpět na elektřinu a teplo.

Výhody, nevýhody, mýty

Silné stránky (Strengths)	Slabé stránky (Weaknesses)
Ekologický provoz bez emisí na místě provozu (pouze voda a teplo)	Velmi vysoká počáteční cena celého systému
Vysoká celková účinnost díky kogeneraci (současná výroba elektřiny a tepla)	Nízká celková účinnost cyklu elektřina -> vodík -> elektřina
Tichý provoz	Energetická náročnost výroby (elektrolýza) a skladování (komprese) vodíku
Ideální pro ostrovní provoz a energetickou soběstačnost	Složitost a náklady na skladování vodíku (difúze, vysoký tlak, zkapalnění)
Vhodné pro dlouhodobé a sezónní skladování energie (doplňuje FVE)	Nutnost vysoké chemické čistoty vodíku, což zvyšuje složitost systému a náklady
Spolehlivost v chladném počasí	Omezená dostupnost na trhu v Evropě a ČR (stále okrajová záležitost)
Lze použít jako záložní zdroj energie (např. při blackoutu)	Potenciálně nižší životnost některých komponent (katalyzátory) a nákladná údržba
Podporuje decentralizovanou výrobu energie	Bezpečnostní rizika spojená s hořlavostí a výbušností vodíku a jeho obtížnou detekcí úniku
Integrace s obnovitelnými zdroji energie řeší jejich přerušovanou povahu	Závislost na infrastruktuře pro výrobu a distribuci vodíku (domácí síť chybí)
Flexibilní a potenciálně levné navyšování kapacity skladování	Prototypy potřebují výrazně delší dobu stabilního provozu pro ekonomickou návratnost
	Vysoké provozní náklady ve srovnání s přímým využitím elektřiny (kvůli ceně vodíku a ztrátám)
	Potřeba komplexního posouzení celkových nákladů vlastnictví (TCO)
Příležitosti (Opportunities)	Hrozby (Threats)
Rostoucí trend k energetické soběstačnosti spotřebitelů	Vysoké náklady představují bariéru pro masové rozšíření bez dotací
Pokračující zlevňování fotovoltaiky, s níž se systémy integrují	Nízká celková účinnost celého energetického řetězce (vysoké ztráty)
Vládní dotace a podpůrné programy mohou akcelerovat tržní nasazení (viz Japonsko)	Bezpečnostní obavy veřejnosti spojené s vodíkem mohou zpomalit adopci
Probíhající pilotní projekty a demonstrace v ČR a EU	Nedostatečně vyvinutý a neúplný legislativní a regulační rámec pro domácí aplikace
Technologický pokrok vedoucí ke snížení nákladů (např. snížení platiny) a zlepšení účinnosti	Konkurence jiných technologií pro ukládání energie (např. Li-Ion baterie, ačkoli s odlišným určením)
Vývoj modulárních systémů pro rodinné domy umožňující škálovatelnost	Závislost na zdroji vodíku – pokud není zelený, systém není skutečně čistý
Ambicózní cíle EU a národní vodíkové strategie pro rozvoj vodíkového hospodářství	Chybějící infrastruktura pro distribuci a doplňování vodíku pro domácnosti
Investice do vodíkové infrastruktury na evropské a globální úrovni	Potenciální difúzní ztráty při dlouhodobém skladování
Potenciál pro tvorbu nových pracovních míst a inovace	Dlouhá doba ekonomické návratnosti bez výrazné dotační podpory
Podpora dekarbonizace a odolnějšího energetického systému	Vysoké provozní náklady a náklady na údržbu
Potenciál stát se klíčovým řešením pro stabilitu sítě díky dlouhodobému skladování

Související úsporné opatření

Fotovoltaika
Balkonová fotovoltaika

FAQ

Co je to vodíkový palivový článek a jak funguje v domácnosti?
Vodíkový palivový článek je elektrochemické zařízení, které přeměňuje chemickou energii vodíku a kyslíku na elektřinu, teplo a vodu. Funguje na principu elektrochemické reakce, kde se vodík na anodě rozkládá na protony a elektrony. Elektrony vytvářejí elektrický proud, zatímco protony migrují k katodě, kde se spojují s kyslíkem a elektrony za vzniku vody a tepla. Pro domácí použití jsou často založeny na technologii kombinované výroby tepla a elektřiny (CHP nebo m-CHP), což umožňuje současně generovat elektřinu pro napájení spotřebičů a teplo pro vytápění a ohřev vody, čímž dosahují vysoké celkové energetické účinnosti (až 85-93 %). Jednotlivé články generují nízké napětí, proto se pro vyšší výkon spojují do svazků (stacků).

Jak se vodík pro domácí palivové články vyrábí a jaká je jeho "čistota"?
Vodík se na Zemi nevyskytuje volně ve velkém množství a k jeho získání je potřeba dodat energii. Pro skutečně bezemisní aplikace v domácnostech je klíčový "zelený" vodík, vyráběný elektrolýzou vody s využitím obnovitelných zdrojů energie, jako je solární nebo větrná energie. Elektrolýza štěpí vodu na vodík a kyslík. Méně ekologickou metodou je parní reformování metanu ("šedý" vodík), které produkuje emise CO₂. Pro palivové články je nezbytná vysoká chemická čistota vodíku (např. 99,9 % až 99,998 %), protože nečistoty mohou poškodit membránu a snížit účinnost a životnost článku. Vodík vyrobený elektrolýzou obsahuje vodní páru, která vyžaduje dodatečné sušení a čištění pro dosažení požadované čistoty.

Jak energeticky náročná je výroba a skladování vodíku pro domácnost?
Výroba vodíku elektrolýzou je energeticky náročná. V praxi komerční elektrolyzéry spotřebují přibližně 50 kWh elektřiny k výrobě 1 kg vodíku. Z tohoto množství vodíku pak palivový článek vyrobí asi 16 kWh elektrické energie. Celková účinnost cyklu "elektřina na vodík a zpět na elektřinu" je tedy relativně nízká, kolem 30-50 %. K tomu je nutné připočíst energii potřebnou pro kompresi vodíku pro skladování v tlakových nádržích, což může být dalších zhruba 10 % energetického obsahu vodíku. Tyto ztráty v celém řetězci znamenají, že pro každou jednotku elektřiny získanou z palivového článku je nutné na vstupu vynaložit podstatně více energie.

Jaké hlavní komponenty tvoří domácí vodíkový systém?
Kompletní domácí vodíkový systém pro výrobu a využití energie obvykle zahrnuje tři hlavní komponenty:

Elektrolyzér (vodíkový generátor): Zařízení, které pomocí elektřiny štěpí vodu na vodík a kyslík.
Kompresor: Zařízení pro stlačení vodíku na vyšší tlak pro efektivnější skladování.
Úložné lahve nebo nádrže: Nádoby pro skladování stlačeného (nebo zkapalněného či vázaného v hydridech) vodíku. Skladování vodíku představuje technickou výzvu kvůli malým molekulám a náročnosti vysokotlakého nebo nízkoteplotního skladování.

Jaká je komerční dostupnost domácích vodíkových palivových článků v Evropě a České republice?
Komerční dostupnost domácích vodíkových palivových článků je v Evropě a České republice stále omezená a jsou považovány spíše za okrajovou záležitost, na rozdíl od Japonska, kde je trh rozvinutý díky vládním dotacím. Většina projektů je ve fázi pilotních instalací a demonstrací, ačkoliv některé firmy nabízejí systémy s výkony v řádu kilowattů pro rezidenční použití. Masové komerční nasazení je omezeno vysokými náklady a potřebou dalšího rozvoje infrastruktury a podpůrných mechanismů.

Jaké jsou hlavní výhody a nevýhody domácích vodíkových palivových článků?
Výhody:

Ekologický provoz: Nulové emise v místě provozu (pouze voda a teplo).
Vysoká účinnost a kogenerace: Současná výroba elektřiny a tepla s vysokou celkovou účinností.
Tichý provoz: Minimum pohyblivých částí.
Ideální pro ostrovní provoz a dlouhodobé skladování: Umožňuje energetickou soběstačnost a řeší sezónní výkyvy v produkci obnovitelných zdrojů.
Spolehlivost v chladném počasí: Fungují spolehlivě i při nízkých teplotách.
Nevýhody:

Velmi vysoká pořizovací cena: Hlavní překážka pro masové rozšíření.
Omezená dostupnost v Evropě: Trh je teprve v rané fázi.
Energetická náročnost výroby a skladování: Nízká celková účinnost cyklu elektřina-vodík-elektřina.
Složitost skladování a bezpečnostní obavy: Vodík je hořlavý a vyžaduje speciální nádrže a bezpečnostní systémy.
Nízká životnost a nákladná údržba: Některé komponenty mají omezenou životnost a údržba může být drahá.
Závislost na infrastruktuře: Chybí dostatečná infrastruktura pro distribuci vodíku pro domácnosti.

Jaké jsou náklady a ekonomická návratnost domácích vodíkových systémů?
Pořizovací náklady na domácí vodíkový systém jsou v současnosti velmi vysoké, typicky se pohybují kolem 2 milionů Kč nebo v přepočtu od 38 000 do více než 100 000 USD, což je dostupné spíše pro movitější zákazníky. Provozní náklady jsou ovlivněny především cenou vodíku a energetickou náročností jeho výroby a skladování, což je v současnosti dražší než přímé využití elektřiny. Ekonomická návratnost je obecně nepříznivá kvůli vysokým počátečním nákladům a nižší celkové účinnosti energetického řetězce ve srovnání s přímým využitím elektřiny nebo bateriovým skladováním na denní bázi. Bez významných vládních dotací je investice pro většinu domácností ekonomicky neudržitelná.

Jaké jsou budoucí perspektivy a výzvy pro domácí vodíkové palivové články?
Budoucí vývoj vodíkových palivových článků pro domácnosti je slibný, ale čelí několika výzvám. Očekává se technologický pokrok, zejména v oblasti snižování nákladů (např. snížením potřeby platiny v katalyzátorech) a zlepšování účinnosti a životnosti článků. Důležitou roli hraje politická podpora a investice do vodíkové infrastruktury na globální i evropské úrovni, které směřují k decentralizované výrobě vodíku a jeho integraci s obnovitelnými zdroji. Přetrvávající výzvy zahrnují stále vysoké náklady, nižší celkovou energetickou účinnost celého cyklu oproti jiným řešením, nedostatečnou infrastrukturu a složitost skladování vodíku. Potenciál uplatnění je značný, zejména pro energetickou soběstačnost, sezónní skladování energie ve spojení s fotovoltaikou, záložní zdroje a podporu decentralizované energetiky. Pro široké přijetí bude klíčové výrazné snížení nákladů a další rozvoj technologií a infrastruktury.

Reference

Sustainable production of hydrogen gas

Externí články, publikace

Jak fungují palivové články?