Premiéry palivovými články poháněných automobilů, vlaků, tramvají, a dokonce i malého letadla v průběhu minulého roku korunovalo spuštění první „balené“ elektrárny v Mannheimu s výkonem 1,4 MW. Vysoce efektivní elektrochemický proces pootevírá konečně dveře vodíkovému zítřku energetiky bez proklínaných exhalací a otevírá nová řešení pro chytré budovy a inteligentní města. Nástup třetí generace palivových článků Za „otce“ palivových článků je pokládán anglický chemik William Growe, jehož aparatura, jím samotným pojmenovaná „plynogalvanická baterie“, v roce 1839, tedy ještě dříve než Siemensovo dynamo, dokázala reakcí vodíku a kyslíku na elektrodách generovat stejnosměrný elektrický proud. Do světa techniky se však palivové články dostaly až na začátku 60. let minulého století. Nejprve v kosmických lodích Apollo k napájení přístrojů, později v poválečných německých ponorkách v podobě nízkoteplotních článků s alkalickým elektrolytem. Ty se dnes spolu s pokročilou generací článků s polymerními membránami PEM a PEFC začínají uplatňovat jako čistý zdroj elektřiny k pohonu elektrických vozidel, lokomotiv i lodí. Při účinnosti až 60 % se pokoušejí vytlačovat z dopravy spalovací motory. Do role „balených“ elektráren schopných ukládat megawattové elektrické výkony z větrných nebo solárních elektráren či využít zemní plyn s nejefektivnější účinností bez spalování se prosazují vysokoteplotní palivové články s kyselinou fosforečnou (PAFC) nebo s roztavenými uhličitany (MCFC). Vzhledem k provozním teplotám 600– 1 000 °C umožňují v kombinovaném zařízení přímou konverzi zemního plynu či jiných uhlíkatých paliv. Nejsou tak vázány jen na spalování vodíku, jehož výroba rozkladem vody v elektrolyzérech ztrácí ekologickou čistotu, pokud k tomu potřebují elektřinu z veřejných sítí s převahou uhelných elektráren. Pokus, který zklamal, ale otevřel palivovým článkům reálnější cesty V letech 1988–2000 proběhl v ústavu vybudovaném nad bavorským městečkem Neunburg nedaleko našich hranic rozsáhlý test sdružení Solar-Wasserstoff (Siemens, MBB, Lindé, BMW aj.) s ukládáním elektřiny ze solárních panelů s výkonem 300 kW do vodíku a jeho využíváním konverzí na elektřinu. Tři elektrolyzéry rozkládaly vodu na vodík a kyslík a oba plyny byly odděleně ukládány do tlakových nádrží, vodík byl z části i zkapalňován. Vodíkem se vytápěly rozsáhlé objekty a tři palivové články PEM z něho produkovaly elektřinu pro vlastní potřebu laboratoří. Přebytky se dodávaly zejména v noci do veřejné sítě Neunburgu. Automobil i dílenské vozíky vybavené mobilními palivovými články tankovaly k pohonu zkapalněný vodík. Bilance desetiletého testu, který přišel na 1,5 mld. DEM, však vyzněla katastrofálně: kilowatthodina, která prošla ze solárních panelů přes vodík a palivové články, byla desetkrát dražší než z veřejné sítě! Kilometr jízdy vodíkovým BMW vyšel třicetinásobně dráž než při jízdě na benzín. Z negativní zkušenosti ale profitoval průmysl zdokonalením principu i komponent palivových článků. Těch se na současném trhu nabízí deset principiálně odlišných typů, které dále zdokonaluje, vyrábí a nabízí jedenáct výrobců. Mezi nimi figuruje i americká společnost FuelCell Energy Inc., která vznikla roku 2012 a v současné době zásobuje solární a větrné parky palivovými články MCFC s roztavenými uhličitany s vysokou účinností – až 60 % – a energetice nabízí bezpečnou dodávku elektřiny i tepla z vodíku, získávaného přímo v článcích konverzí zemního plynu, LNG, bioplynu nebo metanolu. Koncem roku 2015 se společnost pochlubila první stovkou dodaných modulárních jednotek DFC (Direct Fuel Cell) s výkony kolem 1 MW a více, pracujících na padesáti místech naší planety. Jako první v EU si ji pořídila a po půlroční instalaci a testování 5. listopadu 2016 do provozu ve spolupráci s německou energetickou společností E.ON uvedla mannheimská továrna Friatec AG. Modulární elektrárna a teplárna bez střechy a oken Závod Friatec AG na okraji Mannheimu s 850 zaměstnanci a s obdivovaným novým plně automatickým výškovým distribučním skladem, je od září z 60 % zásobován elektřinou i teplem z modulární jednotky DFC. Rozměrově připomíná čtyři námořní kontejnery volně stojící na betonové desce 15 x 20 m. Díky použitým palivovým článkům MCFC při provozní teplotě 580– 675 °C dodává několika halám Friatecu hodinový elektrický výkon 1,4 MW a až 6 000 MWh tepla ročně. Vodík potřebný k provozu článků získává ze zemního plynu endotermní reakcí s vodní párou (tzv. reformováním) podle rovnice CH4 + 2H2O = 4H2 + CO2. Celková účinnost přeměny zemního plynu na elektřinu se blíží 50 %. Při využití odpadního tepla kogenerací se celková účinnost zvýší až na 85 %. Ve srovnání s jinak potřebnou elektřinou z mixu veřejné elektrické sítě tento zdroj nezatěžuje okolí žádnými emisemi oxidů dusíku nebo síry a emise CO2 se sníží o 3 000 t ročně. Generální ředitel společnosti Klaus Wolf po prvních zkušenostech s provozem přiznává, že snadno a rychle instalovatelný zdroj elektřiny a tepla bude svou efektivitou pro jejich výrobu jasnou konkurenční výhodou. Elektrochemický proces odehrávající se ve vysokoteplotních článcích používá elektrolyt ze směsi uhličitanů lithia, draslíku a sodíku, umístěný v porézní keramické matrici v podobě vysoce vodivé taveniny. Vysoká pracovní teplota reakce umožňuje reformovat přiváděný zemní plyn vodní parou přímo v samotném článku. Jistou slabinou poměrně rychlé kinetiky reakcí elektronů a iontů je oproti jiným typům palivových článků nižší napětí (jen 1,04 V) a nutnost pomalejšího startu vyžadujícího vyhřívání. Modulární články DCF s výkony 1,4 MW, 2,8 MW nebo i 5,6 MW dovolují využít jako produkt reakce i samotný vodík buď pro výrobní technologie závodu, nebo k pohonu vysokozdvižných vozíků, jak jsem to na vlastní oči viděl v Neunburgu. Sestava o rozměrech malých modulárních jednotek, které lze kdekoliv instalovat během několika měsíců, otevírá průmyslu zcela nové možnosti využití „třígenerační DFC“, jak je označuje dodavatel FuelCell Energy. V zavádění revolučního a čistého zdroje energie, jakým se stávají pokročilé palivové články, zatím Evropu kromě USA nečekaně předbíhá Jižní Korea. V nedávno dokončeném mobilním parku Gyeonggi Green Energy dala do provozu 21 bloků od FuelCell Energy poskytujících 59 MW elektřiny a zajišťujících dálkové vytápění průmyslového centra. Koncem příštího roku jej má překonat palivočlánkový megapark Beacon Falls v Connecticutu. POSCO Energy v jihokorejském Pchjongtcheku hodlá konkurenci překonat celkovým výkonem 360 MW do roku 2020. České republice se cesta do vodíkových technologií a palivových článků otevřela předloni přizváním České vodíkové technologické platformy ke spolupráci jak do německé, tak do mezinárodní podpůrné skupiny pro rozvoj vodíkových technologií. /Ing. Jan Tůma/