V Japonsku vzniká celosvětově nejvíc patentů souvisících s využíváním vodíku

V řadě nejvyspělejších zemích se pracuje na přechodu k vodíkovému hospodářství, které by opustilo využívání konvenčních paliv, eliminovalo krizi po jejich vyčerpání, a tím pomáhalo řešit problémy s narůstajícím skleníkovým jevem.

Kolem roku 1780 italský učenec Luigi Aloisio Galvani postřehl při pokusech s elektrostatickou elektřinou, že žabí stehýnka pod těmito impulsy konají pohyb. Historii řady dnešních vymožeností je možné zpětně vysledovat až v těch Galvaniho pokusech - např. EKG (elektrokardiograf), EEG (elektroencefalograf), AED (automatizovaný vnější defibrilátor). Do Galvaniho pokusů pak nepříznivě zasáhla světská moc. Ta po francouzské okupaci severní Itálie vyžadovala od univerzitního štafu přísahu loajality. Bez toho nebylo možné si udržet akademickou pozici, a tím i přísun prostředků na výzkumy, a tak vlastenec Galvani upadl do chudoby.

Na jeho pokusy nicméně navázal Alessandro Volta, který však rychle abstrahoval od žabích stehýnek. A namísto generování statické elektřiny třením (jako tření ebonitové tyče liščím ocasem) vytvořil v roce 1800 jako reprodukovatelnější a použitelnější zdroj elektrochemickou baterii. Ta byla původně známa jako Voltův sloupec. V něm se střídaly měděné a zinkové plíšky proložené papírem nasáklým v kyselině sírové. Tak vznikl prvý elektrochemický zdroj proudu, za což Napoleon Voltu povýšil do šlechtického stavu (a jeho jméno je navždy zachováno v jednotce napětí).

Vzápětí dva Angličané, William Nicholson a Anthony Carlisle, zjistili, že když se dráty od obou pólů Voltova sloupce zavedou do vody, objeví se kolem nich roje bublinek – elektrochemicky generovaný vodík a kyslík. Po čtyřech desetiletích se poznatky nakupily v rozsahu, který umožňoval pokročit k sjednocování představ o různých formách energie, jejich zachování a přeměnách, což např. vedlo k mechanickému ekvivalentu tepla, který v r. 1843 změřil fyzik a pivovarník James Prescott Joule (jeho jméno je navždy zachováno v jednotce energie). Ale ještě před tím jiný Angličan, fyzik a sudí William Robert Grove, také vedený snahou prokázat přeměny a ekvivalence různých druhů energie, sestavil plynový aparát, ve kterém docházelo k opaku elektrolýzy vody. Tedy tvorbě vody z obou plynů, a to za současné produkce elektrického proudu. K možnosti obrátit směr elektrolýzy vody, a získávat při tom elektrický proud, se v té době dopracoval i německý chemik Christian Friedrich Schönbein, jinak objevitel ozónu. Tak vznikly tzv. palivové články či plynové elektrody, umožňující přímou konverzi chemické energie na elektřinu. Jinými slovy, již před nějakými 185 lety čistý základní výzkum nabídl celkem ucelenou koncepci toho, co se dnes nazývá vodíkové hospodářství, a tedy i možné řešení problému skleníkového jevu. I když se formálně jedna o konverzi vodíku s kyslíkem na vodu, neděje se tak za vysokých teplot, a proces má vyšší účinnost, než by mělo spalování v plynové turbíně pohánějící generátor.

K oživení zájmu o palivové články došlo v padesátých letech - jako alternativního zdroje elektřiny při kosmických letech, vedle solárních panelů. Vodík a kyslík jsou tak jak tak využívány v některých raketových motorech, a voda odpadající při chodu palivového článku je i přirozeně využitelná posádkou. Tento oživený zájem vedl k optimalizacím palivových článku, využívání platinových kovů jako katalyzátorů, plastů jako membrán. Vznikla celá řada typů lišících se materiálem elektrod, typem elektrolytů (včetně tuhých), provozní teplotou.

Věc se zitenzivnila, když se začal rýsoval Kjótský protokol, a také platby za emise kysličníku uhličitého. Vodíkové hospodářství totiž nabízí zcela čisté řešení. Elektřinou z jaderných či solárních elektráren se provede elektrolýza vody. Energie se fakticky uloží do vznikajícího vodíku, libovolně skladovatelného. A vodík pak slouží k pohonu prostřednictvím proudu vyráběného v palivových článcích (kyslík se přivádí ze vzduchu). Z vody se vychází a vodou se končí, žádný kysličník uhličitý nevzniká. Vodík se může produkovat i jinými, dokonce levnějšími způsoby. Vodíkem se už dřív i topilo a svítilo, neb byl spolu s kysličníkem uhelnatým součástí svítiplynu. Vodík se dá získávat i při konverzi zemního plynu nebo třeba fermentací biomasy. Úplná konverze metanu ze zemního plynu vodní parou končí vodíkem a kysličníkem uhličitým. Pro zcela čistě řešení by ale v tomto případě bylo třeba oddělený kysličník uhličitý ukládat do geologických podloží, k čemuž by mohla vést důsledná aplikace Kjótského protokolu. Než na to ale dojde, bude příprava vodíku ze zemního plynu sice výhodná, ale za cenu vyvádění kysličníku uhličitého do atmosféry. Vodík se může v budoucnu stát podobným obchodním artiklem, jako je dnes zemní plyn. Ostatně Japonci již v lednu 2022 uskutečnili první mezinárodní plavbu celosvětově prvé lodi, Suiso Frontier, na převoz zkapalněného vodíku - jmenovitě z Austrálie.

Na tomto pozadí světové automobilky začaly vyvíjet automobily na vodíkový pohon. Tak kupř. Toyota v r. 2015 zahájila v Japonsku prodej svého modelu FCV (Fuel Cell Vehicle - vozidlo s palivovým článkem) Mirai (Budoucnost) se startovní cenou kolem 1,4 miliónu Kč. Vodík je ve vozidle uložen v nádrži pod tlakem 700 atm. Jedno natankování nádrže trvá tři minuty a umožňuje 700 km jízdy. Automobil na vodíkový pohon se částečně překrývá s elektromobily, má ale podstatně rychlejší doplňování zdroje energie a i perspektivu snižování jeho ceny. A i cena samotného vozidla by se měla vyvíjet s velkosériovou produkcí, snižováním potřeby platinového katalyzátoru, přechodem od tlakových nádrží na fyzikálně-chemické systémy ukládání vodíku, daňovými opatřeními a dotacemi ze strany státu, penalizací emisí kysličníku uhličitého. Automobily na vodíkový pohon lze potkat i v dalších zemích, kde se budují vodíkové čerpací stanice jako ve Skandinávii, USA, Kanadě. Např. zákon o Kalifornské vodíkové dálnici byl podepsán už v r. 2005 - tehdejším guvernérem Arnoldem Schwarzeneggerem. V současnosti je v Kalifonii kolem čtyřiceti vodíkových čerpacích stanic a nějakých 25 je ve výhledu. Pro období 2020-25 se předpokládá, že v Kalifornii by náklady na palivo pro překonání stejně vzdálenost mohly být u vozidla s vodíkovým palivovým článkem o nějakých 10% nižší, než u podobného automobilu spalujícího benzín. Vše závisí na dalším vývoji ceny vodíku, a ta může význačně poklesnout, pokud by se přešlo na v současnosti vyvíjené fotokatalytické štěpení vody, které jako vstup potřebuje pouze sluneční záření a vodu (popř. regenerovaný katalyzátor). 

Ještě dále je výstavba vodíkových čerpacích stanic na druhé straně Pacifiku v Japonsku, a tím i využívání automobilů s vodíkovými palivovými články. K tomu napomáhá rozhodnutí japonské vlády, že i ministerstva a ústřední agentury mají doplňovat své flotily služebních aut právě vozidly s palivovými články. Vedle Toyoty se na rozvoji vodíkové dopravy v Japonsku podílejí i automobilky Nissan a Honda. A v Číně odhady k horizontu 2030 hovoří už o až miliónu vozidel s palivovými články. 

Značný potenciál pro nasazení vodíkových palivových článků má i železniční doprava. V severním Německu už od r. 2018 jezdí dva takové vlaky na přibližně stokilometrové trati, přičemž jejich zavedení se předpokládá i v dalších německých státech, a také v jiných evropských zemích včetně Francie. Existuje též i zájem na využívání vodíkovych autobusů nebo i letadel (existuje německý čtyřmístný letoun HY4 už s vodíkovými palivovými články). A také zásobních elektro-generátorů pro průmysl a instituce pro výpadky sítě při živelných pohromách. I japonská železnice JR East testuje soupravu Hybari poháněnou vodíkovými palivovými články (Hybari je zkratka odvozená od HYdrogen-hyBrid Advanced Rail). Vedle toho japonská společnost JR Central pracuje na vývoji železničních pohonů se spalováním vodíku jako jsou vodíkové turbiny. Tyto oba typy pohonů na bázi vodíku ovšem nabízejí alternativu pro náhradu dieselových lokomotiv.

V Japonsku během desetiletky 2011-20 patenty vzniklé ve vztahu k vodíkovému hospodářství představovaly 24% z celosvětového počtu tohoto typu patentů. Objevují se i celkem nové aplikace jako třeba při produkci oceli. Např. firma Nippon Steel nasazením vodíku dosáhla třetinového snižení své produkce kysličníku uhličitého. Japonsko má už od roku 2017 program vodíkové strategie vzniklý na vládní úrovni, který se podílí na podpoře takovýchto inovativních projektů.

S vodíkem souvisí i ještě zásadnější - byť o dost vzdálenější - řešení energetických problémů, a sice přes řízenou termojadernou reakci, pro kterou hlavním vstupem jsou dva těžší izotopy vodíku. Ve velkém měřítku termojaderné reakce probíhají na Slunci, kde se právě při syntéze hélia z vodíkových izotopů uvolňuje obrovské množství energie. Krátkodobě termojaderná reakce nastává i při výbuchu vodíkové bomby. V termojaderných elektrárnách by reakce měla probíhat kontrolovaně v nádobách tvořených magnetickým polem. Magnetické pole umožňuje udržet reakční směs v kompaktní podobě vzdor extrémně vysokým teplotám. Teploty reakční zóny jsou podstatně vyšší než třeba v zemském nitru. Nejznámější provedení magnetických nádob se jmenuje tokamak, což je ruská zkratka pro zařízení vzniklé v padesátých letech v Kurčatovově ústavu. V současnosti se v jihofrancouzském Cadarache buduje zatím největší tokamak, a to mezinárodním konsorciem ITER (zkratka z International Thermonuclear Experimental Reactor – nověji se odvolává i na význam slova ITER v latině, tedy cesta). Členy konsorcia jsou EU, Čína, Indie, Japonsko, Jižní Korea, Rusko, a USA. Japonsko se též ucházelo o možnost hostit ITER, a jako kompromis mu nakonec bylo svěřeno výpočetní centrum umístěné v japonském jaderném středisku Rokkašo. Samotný tokamak ITER by měl původně být už někdy v r. 2025 v operačním chodu s projektovaným výkonem 500 MW, nyní se však hovoří až o polovině příští dekády. Tokamaky testované jinde ve světě - jako v Číně, Jižní Koreji nebo Německu – se ale zatím daří udržet v ustáleném vysokoteplotním režimu jen po několik minut.

Jistě existuje mnoho důvodů, proč Dálný východ vzkvétá a v Česku to jde od desíti k pěti. Pokud ale by měl být vyčleněn jen důvod jeden, tak je to – systém přijímání na VŠ. Jakékoliv významnější místo v zemích dálněvýchodních tygrů mohou zastávat jen absolventi dobrých univerzit. Na dobrou univerzitu se dostanete jen když v celostátním dvoudenním písemném testu získáte excelentní počet bodů. Fakticky původ této univerzální přijímací zkoušky je možné vysledovat v systému zkoušek pro státní službu, který se v Číně praktikoval už od sedmého století. Univerzitní testy jsou univerzální, zcela stejné pro všechny školy a všechny obory, a pokrývají prakticky celé učivo - od matematiky po angličtinu, od japonštiny po chemii. Toto je síto, přes které prostě ‚Biomasy‘ projít nemůžou (no, a u nás naopak třeba pro disertaci úplně stačí, jen si podvodně nastavit řádkování tiskárny). Člověk, který skutečně zvládl celé středoškolské učivo, má samozřejmě jasno třeba i v tom, že už někdy od takového roku 1800 prakticky všechno, co zlepšilo kvalitu života, tak či onak bylo výsledkem základního výzkumu.

Foto u perexu: Vyobrazení prvého palivového članku z r. 1839 ( Odkaz).

XXXIV. díl seriálu: 666@Sky - Je naprosto nezbytné, aby nebe bylo blankytné [blankyt:666THz]; XXXIII. díl seriálu: Odkaz ; XXXV. díl seriálu: Odkaz

This work is licensed under CC BY-NC-ND 4.0