O autech na vodík se mluví už dlouhá léta. Kam však dospěl jejich vývoj dnes? Jaké problémy musí odborníci řešit v dnešních prototypech? A kde a jak vůbec získat vodík do palivových článků?
Dlouhá léta se počítalo s tím, že auta bude v budoucnosti pohánět elektromotor. Zdrojů elektrické energie je celá řada a samotný provoz elektromobilu je prakticky bez škodlivých emisí. Stav tedy přímo ideální. Slabým článkem elektromobilu však byl od samého počátku zásobník energie, akumulátor. Ve voze vadila nejen jeho hmotnost. Všeobecně se ale věřilo, že se najde takový akumulátor, který se všech nepříjemných nectností zbaví. Bohužel to bylo jen zbožné přání.
Odpadem je neškodná voda
Ani dnes se ale od elektromobilů neustoupilo, došlo však k zásadní změně, automobil si bude vozit svojí vlastní „elektrárnu“. Při výrobě elektrického proudu se dají využít palivové články, u nichž se energie vzniklá při reakci vodíku s kyslíkem za určitých okolností přemění přímo v elektrický proud. Odpadním produktem je pak jen neškodná voda.
Pro ekologicky laděný automobil je elektrický pohon řešením jen potud, je-li elektrická energie získávána bez vzniku škodlivin. A proces probíhající v palivovém článku do atmosféry žádné takové nečistoty neprodukuje. Proti klasickému spalovacímu motoru zde jde o takzvané studené spalování při nízké teplotě kolem 80oC, netvoří se ani oxidy dusíku, z výfuku odchází pouze vodní pára.
Palivový článek má také principiálně vyšší účinnost. Její hodnota vztažená už na automobil jako celek je kolem 40% proti 17 až 20% při použití spalovacího motoru s klasickým palivem. Důležité také je, že reakce v palivovém článku probíhá kontinuálně a bez hluku, v celém systému totiž není žádný pohyblivý prvek.
Problémy s vodíkem
Pokud budeme zjednodušeně předpokládat, že kyslík pro elektrochemickou reakci se dá získat z okolního vzduchu, u vodíku už narazíme na problémy. Vodík je využíván jako surovina pro chemický průmysl a jeho celosvětová roční spotřeba se pohybuje kolem 600 miliard metrů krychlových. Z 80% se ale získává z klasických (fosilních) paliv, která bychom vzhledem k jejich omezenému množství měli chránit.
Nadějnou cestou k získání vodíku je alkalická elektrolýza vody, která je dnes nejhospodárnějším druhem elektrolýzy pro výrobu vodíku ve velkém množství. Dlouhodobě má však elektrolýza smysl jen tehdy, pokud elektrický proud nezbytný k rozložení vody zajišťují obnovitelné zdroje energie.
Nevybuchnou nádrže?
Na další ze série problémů narazíme při přepravě vodíku v samotném automobilu. Tady se nabízejí hned dvě schůdné možnosti. Buďto to bude v plynné formě v těžkých tlakových nádobách (stlačení až 700 barů), nebo ve zkapalněném stavu v nádržích při mrazivých –253oC. Ale ani při sebepečlivější tepelné izolaci se však nedá zabránit odpařování vodíku a tak je třeba se nežádoucího přetlaku v nádrži nějak zbavovat. Při delším stání vozu by se totiž mohla prakticky úplně vyprázdnit nádrž.
Aby situace nebyla tak komplikovaná a daly se navíc využít stávající nádrže automobilů, mohl by se například tankovat metanol a vodík získávat z něj. Během příslušné reakce ale vzniká jako vedlejší produkt CO2 a CO, z nichž ten druhý je třeba dál přeměnit na CO2. Znamenalo by to ale opět částečný návrat k využití fosilního paliva, navíc doprovázený vznikem složky, která je podezřelá z vytváření skleníkového efektu Země.
Co se týká bezpečnosti, tady řada současných testů prokázala, že nádrže s vodíkem jsou stejně bezpečné jako ty s benzínem, v případě ohně dokonce ještě bezpečnější.
První vlaštovky na vodík
Situace s dostupností vodíku by se však měla začít rychle zlepšovat. Vůbec první čerpací stanice vodíku na světě byla postavena na mnichovském letišti a už pět let slouží jak osobním vozům tak autobusům s motory přizpůsobenými na spalování vodíku i benzínu. U čerpací stanice v Berlíně, která byla otevřena v roce 2004, je dnes možné kromě klasických paliv tankovat také vodík v plynné i kapalné formě.
Automobily poháněné energií z palivových článků se však i přes velice optimistická prohlášení některých automobilek z dřívějších let zatím do stadia sériové výroby nedostaly. Například Mercedes, který první zkušební vůz tohoto typu vypustil na silnici už v roce 1994, počítal s tím, že v roce 2004 už budou první vlašťovky s palivovými články běžně v provozu. I když se dnes obdobná předpověď posouvá až někam za rok 2010, je třeba uznat, že tato technologie zaznamenala značný pokrok.
Mercedes se snaží
První prototyp Mercedesu s palivovými články, kterým byl užitkový Mercedes 100, žádné velké nadšení nevyvolal. Automobil byl celý zaplněn složitou technikou vážící něco přes 800 kg, takže v něm zbylo místo už jen pro dvoučlennou posádku. Cena této „laboratoře na kolech“ nebyla nikdy (raději) zveřejněna. Firma Siemens, která tehdy palivové články dodávala, uváděla, že výroba 1 kW elektrického výkonu stála v té době hodně přes 10 000 marek (180 000 korun). Vodík v tlakových nádobách na střeše si vozila také druhá studie NECAR II postavená v roce 1996 na základě Mercedesu třídy V. Do vozu s dojezdem 250 km se už vešlo šest cestujících.
Příznivější situaci měli konstruktéři při vývoji linkového autobusu NEBUS (New Electric Bus) v roce 1997. Tady se stlačený vodík, potřebný pro výrobu elektrické energie, kterou využívaly elektromotory přímo v nábojích kol, i s regulací vešel do nádob o celkovém objemu 4500 litrů ve střeše.
Poté se palivové články přesunuly do kompaktního vozu třídy A a vznikly tak studie NECAR 3 až 5 jejichž „elektrárna“ průběžně snižovala své rozměry a vodík střídal obě formy (plynnou a kapalnou). U Mercedesů třídy A a B je výhodou jejich sendvičová podlaha, kam se dnes už pohodlně vejde celá technologie výroby elektrické energie včetně vodíkových nádrží.
Jízda je jednodušší
Vývoji vozů využívajících k pohonu palivové články se věnuje řada automobilek. Z nich zajímavých výsledků dosahuje americký koncern General Motors, který s oblibou demonstruje schopnosti tohoto druhu pohonu na voze HydroGen v jeho několika vývojových stupních. Z vnějšku je k nerozeznání od modelu Opel Zafira, zachována zůstala i jeho příslovečná prostornost.
Jízda s verzí s označením 3 nejenže od řidiče nevyžaduje žádné převratné změny v návycích, je dokonce ještě jednodušší. Elektromotor je totiž s předními koly propojen přes jediný strmý převod, který elektromotoru stačí. Marně bychom tedy ve voze hledali jak řadící páku tak spojkový pedál.
U HydroGenu3 chybí brzdící účinek, na který jsme zvyklí u spalovacího motoru, což zpočátku vede k častějšímu brždění. Zcela tichou jízdu elektromobilu mírně narušuje jen zvuk kompresoru, který dodává vzduch pro reakci v palivových článcích. Že v tomto případě 60 kW elektromotor dostává „čistou“ energii z elektrochemické reakce v palivových článcích, o tom svědčí kapičky vody vycházející z výfuku.
Aby články nezamrzly…
A právě voda, která je vedlejším produktem výroby elektrické energie v palivových článcích, však dělá při teplotách pod bodem mrazu problémy. Její přítomnost hraje totiž ve funkci palivového článku důležitou úlohu. K zajištění pohybu protonů je totiž třeba udržovat membránu mezi bipolárními deskami stále vlhkou.
Donedávna byla voda ve vzduchu, který opouštěl článek, zachycována a vstřikována zpět do vzduchu určeného pro reakci v článku. Ovšem při teplotě pod bodem mrazu palivové články zamrzaly a byly tak vyřazeny z provozu. Mercedes, u své zbrusu nové studie F600 HyGenius, proto přišel s modulem pracujícím jako zvlhčovač i odvlhčovač, který se stará o to, aby po ukončení jízdy nezůstala ve svazcích palivových článků žádná voda, takže systém nemůže zamrznout.
Hodí se i domů
Zajímavý experiment provádí japonská Honda. Pro svojí dvacetikusovou sérií, palivovými články poháněných vozů FCX jezdících v USA, vyvinula domácí energetickou stanici (HES). V ní se ze zemního plynu získává vodík, který pak slouží pro tankování osobního automobilu. V palivových článcích vyrobená elektrická energie najde však ještě uplatnění v domácnosti, kde je využívána pro ohřev vody.
Už první generace těchto energetických stanic dokázaly během jednoho dne vodíkem naplnit nádrž vozu FCX (156,6 litru) a dalších 400 litrů dodala do externího tanku, kde se vodík skladuje pod tlakem 420 barů.
Jak pracuje palivový článek?
Palivový článek typu PEM (Proton Exchange Membran – membrána s protonovou výměnou) je pro využití v automobilu nejvhodnější. V něm reaguje vodík s atmosférickým kyslíkem. Vzniklá energie se ovšem nevybije explozí známou z hodin chemie, ale přemění se v elektrický proud.
Trik této reakce spočívá v oddělení obou zúčastněných plynů speciální membránou, která propouští pouze vodíkové ionty (protony). Přebytkem elektronů vodíkových atomů na vodíkové straně dochází k vytvoření záporného pólu a na kyslíkové straně tak vzniká kladný pól. Pokud se tyto články propojí ve větší svazky, je takto získané napětí na bipolárních deskách už využitelné pro pohon elektromotoru. Popsaná reakce probíhá při teplotě 80 až 90oC a jejím vedlejším produktem je vodní pára.
