Během svého bakalářského studia se začal věnovat výzkumu v oblasti vodíkových technologií. Dnes jako člen Skupiny nanomateriálů na Katedře fyziky povrchů a plazmatu MFF UK spolupracuje se zahraničním firmami, za svou práci sbírá ceny a nese podíl i na několika patentech. S Tomášem Hrbkem jsme hovořili nejen o využitelnosti vodíku, ale taky o tom, proč chce dělat výzkum v Česku a jaké to je balancovat na hraně vědy a byznysu.
Čím se na Matfyzu zabýváte?
Zabývám se vývojem technologií, které umožňují využívat vodík jako prostředek k uchovávání energie získané z obnovitelných zdrojů, například z větrných či slunečních elektráren. Hlavní motivací mého výzkumu je to, že alternativní zdroje produkují energii nestabilně, což je problém pro elektrickou síť, která je na výkyvy náchylná a může v jejich důsledku nesprávně fungovat. Vodík je vlastně taková chemická „baterie“, v níž se dá přebytečná energie na dlouhou dobu uskladnit a pak, v případě potřeby, znovu získat zpátky.
Pracujete na vývoji komponent pro elektrolyzéry vody. O co přesně jde?
Elektrolyzér vody je zařízení, které umožňuje právě to, aby se přebytečná energie uložila ve vodíku, konkrétně prostřednictvím rozkladu vody. Představte si malou krabičku, do které z jedné strany přichází voda a elektřina a z druhé strany vychází vodík a kyslík. V základu stojí docela jednoduchý elektrochemický proces, tzv. elektrolýza vody. Tu mohou znát i žáci ze základní školy: když do vhodného elektrolytu (KOH, H2SO4 apod.) vložíte dvě elektrody a dostatečné napětí, voda se začne rozkládat na plynný kyslík a vodík. Tento proces je však sám o sobě extrémně neefektivní, jelikož probíhá velmi pomalu. Pokud ho chceme využívat v praxi, je nutné ho urychlit. K tomu slouží katalyzátor, jedna z komponent elektrolyzéru vody, na jejichž vývoji s kolegy pracujeme.
V čem je největší výhoda ukládání energie do vodíku oproti jiným řešením?
Těch výhod je víc, ale hlavní benefit spočívá v tom, že nám k tomu stačí mít pouze jedno malé zařízení, zmíněný elektrolyzér, a vhodné úložiště. Elektrolyzér produkuje velice čistý vodík, který se dá následně rovnou stlačovat, plnit do lahví apod. Energie uložená do vodíku se nikam neztrácí, nevybíjí se tak jako klasické baterie, navíc při jejím zpětném „vybíjení“, tedy slučování vodíku a kyslíku, nevzniká jiný „odpad“ než čistá voda. Ve výsledku jde tedy o poměrně efektivní a ekologické řešení.
O zeleném vodíku se často mluví jako o něčem, co by mohlo způsobit revoluci v energetice. Co si o tom myslíte?
Takto silným prohlášením bych se raději vyhnul. Člověk vždycky rád vidí své téma jako to nejlepší, ale realita bývá obvykle složitější. Vodík má v energetickém průmyslu své místo a do budoucna, společně s redukcí využívání fosilních paliv a větším zapojením obnovitelných zdrojů, je to určitě jedno z perspektivních řešení. Na druhou stranu je nutné říct, že vodík se nehodí na všechno, vždy záleží na konkrétní aplikaci, na poměru mezi cenou dané technologie a tím, čeho chceme s touto technologií dosáhnout.
Můžete být konkrétnější?
Tak například, pokud chceme energii z obnovitelných zdrojů uchovat po delší dobu, je lepší využít vodík, protože, jak už bylo řečeno, na rozdíl od baterií zde nedochází k žádnému vybíjení, navíc se dobře škáluje na větší objemy uložené energie. Pokud ale chceme pokrýt pouze krátkodobé výpadky sítě, tak na to mohou docela dobře stačit klasické baterie. Obdobně je to třeba s auty. Osobně si nemyslím, že by všechno vyřešila pouze vodíková nebo pouze elektrická auta. Při přepravě těžších věcí na delší vzdálenosti, tedy například u kamionové dopravy, může být vodík dobrým řešením, naopak na osobní dopravu v rámci města mohou být výhodnější spíše elektrická auta.
Co v současnosti nejvíc brání širšímu rozšíření vodíkových technologií, je to hlavně jejich vysoká cena?
Ano, implementace jakékoli vodíkové technologie je pořád velice drahá. Konkrétně elektrolyzéry vody, kterým se v současnosti věnuji nejvíc, mají spoustu komponent, přičemž katalytické vrstvy obsahují vzácné kovy, jako je iridium a platina. Cena obou je velmi vysoká, zvláště pak cena iridia. Pro představu, gram iridia je čtyři až pětkrát dražší než platina a zároveň je ho v zařízení potřeba pět až desetkrát víc než platiny.
Takže z materiálového úhlu pohledu je hlavním problémem to, jak snížit množství iridia – tomu se věnuje i převážná část našeho výzkumu. Naším cílem je snížit množství iridia katalyzátoru deset až dvacetkrát a současně umožnit, aby se naše metoda dala snadno škálovat, tedy aby byla použitelná i v průmyslovém měříku.
Váš výzkum je ověnčen několik cenami, mezi ty nejvýznamnější patří mezinárodní ocenění F-cell Award z roku 2021. Jaké hlavní inovace se vám podařilo přinést?
Mezi naše hlavní přínosy patří použití metody zvané magnetronového naprašování na přípravu katalyzátorů v elektrolyzérech vody a vodíkových palivových článcích. Magnetronové naprašování je metoda nanášení velmi tenkých vrstev materiálů, která je v průmyslu již dobře zavedená, využívá se například při modifikaci okenních tabulí do výškových budov, které mají speciální optické vlastnosti. My jsme tuto metodu upravili tak, aby se dala použít na přípravu katalytických vrstev. Běžné naprašování se pro katalýzu tolik nehodí, protože při něm vzniká příliš kompaktní vrstva materiálu, která ztěžuje průchod protonů skrze protonově-vodivou membránu (protonově-vodivá membrána v elektrolyzérech vody slouží k tomu, aby oddělovala kyslík od vodíku, zároveň slouží jako pevný elektrolyt, umožňuje průchod protonům a průběh elektrolýzy; pozn. red.). Naše inovace spočívala mj. v tom, že jsme vymysleli způsob, jak pomocí plazmatu leptat protonově-vodivou membránu, která se v důsledku toho zvrásní a zvětší svou aktivní plochu, takže na ní katalýza probíhá velmi dobře. Metodu máme patentovanou a také jsme za ni dostali zmíněnou cenu.
Další inovací, kterou jsme s kolegy přinesli, je použití bimetalických katalyzátorů – místo čistého drahého iridia používáme iridium-rutheniový směsný katalyzátor, který umožňuje výrazně snížit množství vzácného kovu. Dvoukovový katalyzátor proto bylo třeba důkladně vyladit, aby fungoval tak, jak má.
U nás je intenzivní smluvní spolupráce s firmami pořád něco relativně nového. Naši práci tak někdy brzdí řada nařízení a složitých schvalovacích postupů. Myslím si, že je to škoda a že bychom měli projekty se soukromým sektorem více podporovat a procesně usnadňovat. Jestli má akademie přežít a být prospěšná pro společnost, měla by být v kontaktu s praxí.
Zastavme se ještě na chvíli u zmíněné F-cell Award. Ta je udělována za významné vědecké objevy i praktické aplikace v oblasti vodíkových technologií a podporuje ji mimo jiné i ministerstvo pro životní prostředí, klima a energetický sektor německé spolkové země Bádensko-Württembersko. Jaké možnosti se vám díky této ceně otevřely?
Troufám si říct, že pro naši skupinu měla tato cena zatím asi největší praktický význam. F-cell Award je ocenění udělované v rámci průmyslového veletrhu, kterého se účastní desítky firem, je to tedy velice dobrý způsob, jak svůj výzkum zviditelnit a jak získat nové kontakty. Kromě toho, že jsme touto cenou získali potvrzení od odborné komise, že naše technologie je dobrá a perspektivní, podařilo se nám zároveň navázat spolupráci s jednou mezinárodně působící německou firmou. Během čtyř let, co tato spolupráce trvá, jsme technologii dále vylepšili a dovedli do fáze, kdy ji začínáme nabízet potenciálním zákazníkům.
Jak se obecně díváte na spolupráci univerzit s firmami? V čem je výhodná a co ji z vašeho pohledu nejvíc brzdí?
Z mého pohledu má spolupráce univerzit se soukromým sektorem velký smysl, protože posouvá obě zúčastněné strany dopředu – firma získává know-how a my akademici zase vidíme, jak se věci reálně řeší v praxi. Za sebe mohu říct, že mi tato zkušenost otevřela obzory, například teď dokážu daleko lépe určovat, jakým směrem by se náš výzkum měl dál ubírat.
U nás, na rozdíl od Německa, je intenzivní smluvní spolupráce s firmami pořád něco relativně nového. Naši práci tak někdy brzdí řada nařízení a složitých schvalovacích postupů. Myslím si, že je to škoda a že bychom měli projekty se soukromým sektorem více podporovat a procesně usnadňovat. Jestli má akademie přežít a být prospěšná pro společnost, měla by být v kontaktu s praxí.
Dovedu si představit, že soukromé firmy mají o mladé talentované vědce, jako jste vy, zájem. Co vás drží ve vědě?
To je dobrá otázka, kterou si občas také sám pokládám. S kolegy často diskutujeme o tom, do jaké míry má smysl zůstávat ve vědě. Bohužel musíme často mimo vědeckou práci dělat řadu dalších doplňkových činností, které zahrnují byrokracii, nákupy vybavení apod. V důsledku toho musíme, pokud se chceme stále věnovat vlastní vědecké činnosti, zůstávat v práci déle, než by odpovídalo našim úvazkům. Pokud to srovnáme se situací našich německých kolegů, vidíme, že pracují skutečně pouze osm hodin denně, zatímco mají násobně vyšší plat. Toto samozřejmě není pouze problém vědy, ale ve vědě je typicky jednodušší se přesunout do zahraničí. Pokud by tedy člověk chtěl být čistě pragmatický a šlo mu jen o to mít co nejvyšší plat a pohodlný život, je pro něj bohužel v současné chvíli nejvýhodnější odejít do Německa nebo do Francie, zejména pokud jde o mladého vědce, který ještě nemá rodinu.
Nastala už někdy chvíle, kdy jste tuto variantu sám zvažoval?
Přiznávám, že taková chvíle už nastala, dostal jsem nabídku od německé firmy, ale nakonec jsem se rozhodl, že zatím zůstanu ve vědě. Prozatím jsme ve skupině byli úspěšní v získávání grantové podpory, která nám umožňuje pokračovat ve výzkumu. Akademická sféra je pro mě atraktivní především z toho hlediska, že mi umožňuje zabývat se zajímavými tématy a přinášet nové poznatky, které s trochou štěstí, najdou i praktické uplatnění. Navíc jsem rád, že pracuji v Česku a pro Česko a že můžu prostřednictvím našich výzkumů dělat dobré jméno naší zemi a české vědě. Na Matfyzu jsme s kolegy vybudovali novou laboratoř, máme spoustu kontaktů, jezdí k nám řada zahraničních kolegů měřit své výzkumy… Myslím si, že navzdory překážkám má to, co u nás děláme, smysl.
Jakou máte v rámci svého výzkumu dlouhodobou vizi?
Pokud bude všechno dobře vycházet, rád bych pokračoval ve výzkumu na Matfyzu. V tuto chvíli se chceme zaměřit hlavně na tzv. operando měření, tedy měření, která probíhají během provozu za reálných podmínek. A z hlediska průmyslové spolupráce bychom chtěli naši technologii dotáhnout do stavu, kdy bude reálně prodejná. O tom, jestli se nám to podaří, by se mělo rozhodnout v příštích několika letech.
RNDr. Tomáš Hrbek,
Ph.D.
Na Matfyzu vystudoval Fyziku povrchů a ionizovaných prostředí. Během
bakalářského studia získal Studentský
fakultní grant a od té doby se zabývá výzkumem vodíkových
technologií. V současnosti se na Matfyzu věnuje vývoji a studiu komponent
pro elektrolyzéry vody a metodám operando studia materiálů. V roce
2021 získal společně s kolegy za svou práci prestižní ocenění F-cell
Award udílené v rámci veletrhu F-cell Stuttgart. V roce 2025 obdržel Cenu
Josefa Hlávky a také Cenu Grantové agentury UK. Volný čas tráví na
lezecké stěně, v bazénu anebo na běžecké trati.
Mohlo by vás také zajímat:
Martin
Kozák: Našimi nástroji jsou elektrony a světlo
Seismolog
Plicka: Řecko je náš druhý domov
Do
nitra buněk pomocí umělé inteligence