Navrch huj, vespod fuj

Tak by dle skeptiků mohly na nás působit automobily vizionářů, poháněné dalším uvažovaným alternativním palivem.        

Kteréžto palivo by mělo (spolu s jinými alternativami) nahradit benzín a naftu, aby nám tak v Evropě pomohlo dosáhnout klimatické neutrality. Neboť nepatří k palivům fosilním, nýbrž k syntetickým. Řeč je o amoniaku (NH3), hovorově čpavku, jenž se objevuje i v úvahách o přepravě nově objevovaného přírodního vodíku (označovaného také za vodík geologický, nativní, nebo zlatý). Pokud totiž nezačnou evropské státy na svých územích přírodní vodík těžit, budou nejspíše odkázány na jeho těžbu ve Spojených státech, podobně jako tomu bylo se zemním plynem z břidlic, do Evropy dnes s velkou slávou dováženým. A i když by se tak geologický vodík přepravoval na velkou vzdálenost, americké těžaře by problém s přepravou od jeho prodeje do vodíkuchtivé Evropy nejspíše neodradil.

Tak jako se přepravuje po moři zkapalněný zemní plyn, přepravuje se podobně i vodík. Od roku 2021 vodík tankery přepravuje společnost Kawasaki Heavy Industries z Austrálie do Japonska, kam se jej takto chystá přepravovat i Norsko. A například společnost C-Job Naval Architects představila nový prototyp tankeru, který by měl být údajně schopný přepravit dosud největší množství tohoto plynu. Jenže vývoj jde i jiným směrem, kdy je vodík vázán do amoniaku, aby se mohl snadněji distribuovat na mezinárodní trhy. S tímto systémem se již počítá ve smluvně zajištěných dodávkách z Afriky do Německa, kde bude z amoniaku uvolněn bezemisní vodík, využívaný pro čistou mobilitu. A není tedy vyloučeno, že na amoniak přejdou i případní exportéři vodíku ze Spojených států.

Německo sice v zámoří uzavírá kontrakty na dodávky zeleného vodíku, avšak jeho dovoz bude obvykle realizován ve formě zeleného čpavku. Největší německý železniční dopravce Deutsche Bahn (DB) tak nabízí, že bude amoniak z přístavů rozvážet po železnici. Tento koncept představuje vhodnou alternativu k vodíkovým potrubím, jejichž vybudování má trvat řadu let. A statistiky jednoznačně potvrzují, že přeprava amoniaku po železnici je v porovnání s přepravou po silnici mnohonásobně bezpečnější. Pro přepravu importovaného zeleného amoniaku použije DB klasické cisternové vozy, které jsou běžně využívány chemickým průmyslem. Samotné krakování čpavku (rozložení na vodík a dusík) by pak mělo probíhat až v místě spotřeby vodíku.

Využívání amoniaku v dopravě má dlouhou historii. Už v roce 1886 byl zkonstruován takzvaný čpavkový motor, kdy jeho prototyp sloužil k pohonu tramvaje. U něho se využívalo jednak stlačitelnosti plynného amoniaku, jednak jeho schopnosti rozpouštět se ve vodě. Stroj měl zásobníky se stlačeným čpavkem, odkud plyn proudil do malého pístového motoru a po vykonání práce byl čpavek pohlcován v dalších zásobnících s vodou. Zahřátím vzniklého roztoku se uvolnil znovu plynný čpavek k pohonu, což se opakovalo, dokud se tlaky nevyrovnaly. Tramvaj poháněná amoniakem byla uvedena do zkušebního provozu v New Orleansu, kde však prototyp ztroskotal na štiplavém zápachu, který měl cestující dohánět až k slzám.

Teprve když přešli konstruktéři od čpavkové vody k amoniaku v klasických spalovacích motorech, začal se místy v dopravě využívat. Jako když ve válečném roce 1942 došlo v Belgii v důsledku nedostatku pohonných hmot ke zhroucení veřejné dopravy a v listopadu téhož roku inženýři dopravního podniku dostali za úkol co nejrychleji najít náhradní palivo a veřejnou dopravu obnovit. K tomu došlo už v dubnu 1943, kdy se na střechách autobusů objevily nádrže s kapalným amoniakem a původní motory byly upraveny tak, aby mohly pracovat s tímto palivem. A nutno zde podotknout, že cestujícím v autobusech oči nikterak neslzely. Belgický experiment sice trval jen krátce, ale prokázal, že amoniak lze využívat v dopravě jako palivo.

Jenže dnes máme pro paliva už jiná kritéria, tedy hlediska jejich posuzování. A u amoniaku se tak objevuje, jak se u nás říká, jeden kámen úrazu. Neboť při přímém spalování amoniaku vzniká oxid dusičitý (NO2), jeden z pěti oxidů dusíku. A oxid dusičitý současně s kyslíkem a těkavými organickými látkami přispívá k tvorbě přízemního ozonu a ke vzniku tzv. fotochemického smogu. Přičemž pro oxid dusičitý byly u nás již zavedeny imisní limity a přípustné četnosti jejich překročení. Naproti tomu při spalování vodíku dochází k jeho reakci s kyslíkem (O2) přítomným ve vzduchu, přičemž vzniká pouze voda (H2O) ve formě páry. A tak je motor auta s amoniakem v nádrži lepší pohánět vodíkem v něm obsaženým, než samotným amoniakem.

Ovšem vývoj motorů poháněných vodíkem se jednoznačně ubírá cestou palivových článků. Ty svými výhodami a vlastnostmi zastiňují spalovací motory poháněné vodíkem a mají oproti nim obrovský náskok. Neboť výzkum vodíkových spalovacích motorů probíhá spíše okrajově, kdežto vývojem vozů poháněných palivovými články se zabývají přední světové automobilky. Do hry tak v případě amoniaku jako syntetického paliva vstupují palivové články, kde dochází k přímé transformaci chemické energie na stejnosměrný elektrický proud a automobily namísto spalovacích motorů pohánějí elektromotory s vyšší účinností.

Jinak řečeno, amoniak tak skutečně může sehrávat významnou roli ve vodíkové mobilitě. Ostatně v prosinci loňského a v lednu letošního roku zaznamenal obor vodíkových technologií pro dopravu dvě významné události v oblasti využití amoniaku jako nosiče energie pro dopravní prostředky. První z nich se týkal projektu palivočlánkového plavidla a druhý palivočlánkového silničního tahače. V obou případech řešení představila americká společnost Amogy, zaměřující se na využití čpavku jako nosiče energie. Patentovaná technologie této společnosti umožňuje účinný rozklad čpavku na vodík a dusík. V procesu se zachytává vodík, který je veden do palivového článku, kde generuje energii potřebnou pro motor dopravního prostředku. A není bez zajímavosti, že jejich bezuhlíkový energetický systém, amoniak využívající jako obnovitelné palivo, podle Amogy má 5 x vyšší hustotu energie na systémové úrovni oproti lithiovým bateriím. Z čehož automobilka Tesla, ani evropský koncern Volkswagen, nejspíš nebudou mít radost.

Avšak vraťme se k čistému amoniaku, který se skládá z jednoho atomu dusíku a tří atomů vodíku, jenž se za normálních podmínek vyskytuje jako bezbarvý plyn, silně čpící. Je jednou z nejčastěji vyráběných průmyslových chemikálií a je dnes jednou z nejdůležitějších syntetických surovin. Připravuje se převážně Haberovým-Boschovým procesem, tedy umělým procesem fixace dusíku, v současnosti hlavním postupem pro jeho průmyslovou výrobu. Proces přeměňuje atmosférický dusík na amoniak reakcí s vodíkem za vysoké  teploty a tlaku, za přítomnosti katalyzátoru. Tato syntéza je energeticky extrémně náročná a odhaduje se, že spotřebovává až 2 % z celosvětové produkce energie.

Ale jak se již ukázalo, amoniak lze i bez velkého průmyslového provozu syntetizovat při teplotě pouhých 45 °C a 1 baru (atmosférický tlak při hladině moře) mechanochemickou syntézou s použitím katalyzátoru na bázi železa, kdy je potřebná energie do reakční směsi dodávána pomocí mechanické energie. A přitom se už v roce 2014 psalo i u nás o tom, že britští vědci vyvinuli chemický reaktor, který může levně a kdekoliv produkovat vodík (H2) z amoniaku (NH3) s využitím amidu sodného (NaNH2). Přičemž reaktor o objemu pouhých dvou litrů by měl zabezpečit produkci vodíku v množství, které by postačilo pro spotřebu rodinného automobilu střední třídy.

A aby toho nebylo málo, tým chemiků z UNSW Sydney a University of Sydney již našel způsob, jak vyrobit zelený čpavek ze vzduchu, vody a obnovitelné elektřiny, který nevyžaduje vysoké teploty, vysoký tlak, ani obrovskou infrastrukturu, k dosavadní výrobě této sloučeniny potřebnou. Jejich metoda výroby čpavku s využitím plazmových reaktorů má vyřešit problém se skladováním a transportem vodíkové energie, neboť se kapalný amoniak dá lépe přepravovat i ukládat, přičemž si uchovává energie více než kapalný vodík. Tedy jejich ekologický způsob výroby amoniaku by měl být velkým přínosem pro vodíkové hospodářství. Ovšem v případě nízké ceny zeleného amoniaku bychom se také mohli dočkat rychlejšího nástupu výroby syntetických paliv, vyráběných z vodíku (H2) a kysličníku uhličitého (CO2), na která v Evropské unii po roce 2035 mohou jezdit dále vyráběná auta se spalovacími motory.

Ale proč je vlastně amoniak v rámci Zelené dohody pro Evropu označován za ekologicky šetrnou alternativu fosilních paliv? Inu, toxický amoniak, již delší dobu syntetizovaný na naší planetě v obrovském množství, sám o sobě nemá podle klimatologů podstatný dopad na klima jako oxid uhličitý nebo metan, protože rychle podléhá chemickým změnám a v atmosféře se udrží jen krátkou dobu. A jak k tomu dodávají entuziasté, v běžném prostředí by výskyt nízké koncentrace uniklého amoniaku neměl představovat riziko, neboť jeho výhodou z tohoto hlediska je velice intenzivní štiplavý zápach, který na jeho případnou přítomnost v ovzduší upozorní dříve, než by koncentrace mohla stoupnout na nebezpečnou úroveň (unikající vodík člověk neucítí, unikající čpavek ano).

V neposlední řadě pak amoniak, který má vysoký bod vzplanutí, lze jen obtížně za přítomnosti atmosférického kyslíku zapálit. Především se dá však čpavek snadno převážet a skladovat, přičemž by se potřebná infrastruktura pro amoniak měla podobat té, co dnes slouží ke skladování a distribuci zkapalněného ropného plynu (LPG). A tak podle ekologických vizionářů budeme v dohledné době do nádrží svých palivočlánkových aut tankovat zelený amoniak, kdy z jejich výfuků nebudou vycházet žádné klimatu škodící emise, nýbrž jen kapat čistá voda. Ale jak se u nás říká – nekřič hop, dokud nepřeskočíš. Nejprve se uvidí, nakolik se ten bezuhlíkový energetický systém, využívající čpavek, osvědčí u prvních prototypů.

Teprve pak můžeme začít velebit či zavrhovat nám nabízené automobily s amoniakem v nádrži, co podle skeptiků budou navrch huj a vespod fuj.