Auto na vodík

Vozidla na vodík

V Česku se prozatím auta na vodíkový pohon neprodávají. Důvodem je chybějící infrastruktura. Nákup aut na ekologický vodíkový pohon by v budoucnu mohly podpořit fondy EU a dotační programy. Již nyní se v České republice zkoumá budoucnost používání vodíku. Může být vedlejším produktem výroby chemických závodů či jiných větších energetických podniků. V nedávné minulosti byly provozně testovány řady vozidel, jejichž palivem byl plynný či kapalný vodík. Jako palivo je využíván jak ve vozidlech se spalovacími motory, tak ve vozidlech s elektrickým pohonem s generátory elektrické energie s palivovými články. Problematikou využití vodíku ve spalovacích motorech se historicky v České republice zabývá TU Liberec. První elektromobily s vodíkovým palivovým článkem byly realizovány v České republice na VŠB-TU Ostrava (Hydrogenix, Jeep Hydrogene, KAIPAN VoltAge K3).

V Evropě se lze setkat na silnicích sice s jen omezeným množstvím sériově vyráběných vozidel, jejich počet však bude nadále narůstat. Na celém světě ke konci roku 2017 po silnicích jezdilo 6.475 elektromobilů s vodíkovým pohonem, nejvíce v USA a Japonsku. Vzhledem k požadovaným parametrům vozidel pro osobní personální dopravu je vodík v případě elektrického vozidla s vodíkovým palivovým článkem mnohem výhodnějším mediem než elektrická energie akumulovaná v elektrickém vozidle v chemických bateriích.

Provoz vozidel pracujících na vodíkové palivo nezatěžuje okolní prostředí emisemi. Hlavní odpadní produkt je vodní pára. Navíc vozidla jsou méně hlučná. Elektrická vozidla s bateriemi pro osobní personální dopravu lze chápat jako určitý mezistupeň před nastupujícími vozidly, u nichž jsou baterie v budoucnu nahrazeny či doplněny – hybridizovány generátory elektrické energie s palivovými články. Vozidlo pak k pohybu využívá elektrické energie z akumulační jednotky tvořené chemickou baterií či soustavou superkapacitorů (kondenzátorů) optimalizované velikosti. Palivový článek pak postupně i během jízdy tyto nabíjí.

Stejně jak pro elektrická vozidla s chemickými bateriemi, tak i pro vozidla, jejichž pohon pracuje na vodíkové palivo, je důležitá čerpací / tankovací infrastruktura. Řada v současnosti provozovaných elektromobilů umožňuje nabíjet vestavěnou chemickou baterii z běžné zásuvky 230 V či vícefázově 400 V. Proto pro svou provozní potřebu potřebují ve veřejném prostoru nabíjet jen omezeně. Toto nelze říci o tankování vodíkových vozidel, které je velmi podobné tankování CNG se všemi provozními a bezpečnostními specifiky. V současnosti je v omezeném komerčním provozu v České republice vodíková tankovací stanice v Neratovicích realizovaná v rámci projektu konsorciem ČVUT Praha, VŠCHT Praha, UJV Řež a dodaná společností Linde. VŠB-TU Ostrava využívá laboratorně k tankování vodíku do realizovaných prototypů infrastrukturu dodanou společností WEH s napojením na zásobníky vodíku Laboratoře palivových článků. K vybudování rozsáhlejší veřejné infrastruktury by měl přispět dotační program Ministerstva dopravy ČR, které je připraveno podpořit do roku 2025 výstavbu zhruba až 12 vodíkových tankovacích stanic. V Moravskoslezském kraji by mohla být reálná výstavba minimálně 2 stanic.

Obr. č. 24: Vodíková Toyota Mirai, (Zdroj: www.byznys.lidovky.cz)

Princip fungování vodíkového palivového článku

Palivový článek je zařízení umožňující přímou přeměnu chemické energie vázané v palivu na energii elektrickou, aniž by bylo potřeba tepelného či mechanického přechodného (transformačního) mezistupně.

Energie se uvolňuje vždy, když dojde k chemické reakci paliva s kyslíkem ve vzduchu. V motorech s vnitřním spalováním probíhá reakce formou spalování a ve formě tepla se uvolňuje energie, která může být použita k vykonání užitečné práce při pohonu pístu. V palivovém článku probíhá reakce na elektrochemickém principu. Energie je uvolňována v kombinaci nízkonapěťové stejnosměrné elektrické energie a tepla. Elektrická energie může být použita k přímému konání práce, zatímco teplo může být pojato jako odpadní či může být zužitkováno, obr. č. 25.

Obr. č. 25: Transformace energie

V galvanických článcích umožňují elektrochemické reakce přeměnu chemické energie na energii elektrickou. Palivový článek (jakéhokoliv typu) je v podstatě galvanický článek, jako je elektrická baterie. V elektrolytických článcích se mění elektrická energie na energii chemickou, stejně jako se to děje v elektrolyzéru či galvanizéru.

Palivové články

Základním znakem palivových článků je závislost spotřeby vodíku a kyslíku na velikosti elektrického proudu procházejícího zátěží. Na elektrodě (katodě) je redukční reakce (nárůst záporného náboje chemických prvků a sloučenin) a druhé elektrodě (anodě) probíhá oxidační reakce (nárůst kladného náboje chemických prvků a sloučenin). Při reakci v palivovém článku je katoda nabita kladně a anoda záporně. Při zpětné reakci, elektrolýze, se stává katoda elektricky zápornou a anoda elektricky kladnou. Elektrony protékají samovolně od elektricky záporného pólu k pólu elektricky kladnému.

V palivovém článku zásobují palivový a oxidační plyn přímo anodu a katodu. Fyzická struktura palivového článku je tedy taková, že plyny protékají kanálky po obou stranách elektrolytu. Elektrolyt je základem pro rozdělení palivových článků na jednotlivé druhy.

Nízkoteplotní palivové články vyžadují na rozdíl od vysokoteplotních článků katalyzátory, jež jsou tvořeny ušlechtilými (vzácnými) kovy, a to především platinou. Jejich úkolem je povzbuzení reakcí, které probíhají na elektrodách. Většina automobilových aplikací využívá nízkoteplotní pevný elektrolyt, jenž umožňuje vést vodíkové ionty, jak je ukázáno na obr. 26.

Obr. č. 26: Obecná ukázka funkce vodíkového palivového článku

Palivové články mohou být prakticky provozovány s různými druhy palivových a oxidačních plynů. Vodík je již dlouhou dobu považován za nejefektivnější palivo pro praktické využití v palivových článcích, poněvadž má větší elektrochemickou reaktivitu (větší schopnost reakce) než ostatní paliva (uhlovodíky, alkoholy). Dokonce i palivové články, jež pracují přímo s palivy odlišnými od vodíku, rozkládají palivo nejprve na vodík a ostatní prvky, než dojde k samotné reakci. Kyslík je obvyklým výběrem při volbě oxidačních paliv díky své vysoké reakční schopnosti a procentuálnímu zastoupení ve vzduchu.

Obr. č. 27: Části pohonné soustavy (Zdroj: propagační materiál Toyota Mirai)

Obr. č. 28: Princip fungování vozidla na vodíkový pohon (Zdroj: propagační materiál Toyota Mirai)

Tankování vodíku

Čerpání vodíku je velmi obdobné čerpání LPG či CNG. Po připojení plnicí hubice k plnicí koncovce vozidla (obr. č. 29) je plnicí stanicí zahájen plnicí proces. Plnicí stanice během tankování kontroluje stav propojení s vozidlem a možné úniky plynu, které mohou mít významný vliv na bezpečnost procesu.

Cena vodíku je různá. V Rakousku je cena 9 euro/kg vodíku (cca 230 Kč). V České republice, jako technický plyn, jej lze pořídit za cca 180 Kč/kg (2018). Při reálné spotřebě 1,5 kg/100 km tak ujetý kilometr přijde na cca 3,50 Kč. Pro porovnaní, v roce 2018, uživatel vozidla na CNG zaplatí cca 1 Kč/km, uživatel elektrického vozidla s bateriemi zaplatí cca 0,45 Kč/km a vozidla na benzin či naftu zaplatí od 2 Kč/km. Lze očekávat, že v budoucnu bude klesat nejen cena tohoto paliva, ale i celého automobilu.

Obr. č. 29: Plnicí hrdlo (Zdroj: www.toyota.cz)

Hlavní předností využití palivových článků v porovnání s chemickými bateriemi u elektrických vozidel z pohledu jejich užitečné hmotnosti a nosnosti je podstatně vyšší výkon na jednotku hmotnosti. Dále delší čas nabíjení chemických akumulátorů elektrického vozidla může mít v některých případech vliv na jeho operační využití. Nabíjení chemického akumulátoru s kapacitou 24 kWh pro dojezd okolo 150 km elektrického vozidla Nissan Leaf ze standardní zásuvky 230 V trvá až cca 8 hodin (v případě, že je téměř vybitý). Při jeho nabíjení stejnosměrnou nabíjecí stanicí (dle strategie operátora nabíjecí stanice) na úroveň 80 % kapacity je nutno počítat s časem minimálně 10 min. Jeho úplné nabití na tomto druhu nabíjecí stanice bude trvat i více než 50 min (podle vnější teploty a stavu akumulátoru vozidla).

Díky specifickým vlastnostem vodíku při jeho tankování dochází při přechodu do nádrže s nižším tlakem k jeho zahřátí. Kompozitní tlakové láhve jsou na zvýšenou teplotu velmi citlivé. Proto je čerpání vodíku delší než čerpání benzinu či nafty ale i LPG či CNG. Pro srovnatelný dojezd (2 – 3x delší dle způsobu řízení a technologického vybavení čerpací stanice). S ohledem na nabíjení elektrického vozidla je však čerpání vodíku kratší. Dojezd vozidla s vodíkovým pohonem může být srovnatelný s benzinovým, naftovým, LPG či CNG spalovacím motorem.

Nevýhodou využití vozidel s vodíkovým palivem, obdobně jako u vozidel s LPG či CNG, jsou přísnější bezpečnostní pravidla, častější kontroly provozního stavu (standardně každé 2 roky), nemožnost využívat parkování v podzemních parkovištích či v současnosti krátká časová životnost lehkých kompozitních nádrží (4 roky). Další velkou nevýhodou palivových článků zůstává dosud jejich vysoká cena (okolo 50.000 Kč/kW) a malá životnost (řádově okolo 10.000 provozních hodin). Dosavadní majoritní výroba vodíku byla realizována z fosilních paliv (např. parním reformingem zemního plynu). Současná situace dalšího rozšiřování obnovitelných a alternativních zdrojů energií a jejich přifázování do elektrifikační sítě způsobuje kolísání jejich parametrů, které se projevuje napříč Evropou. Řízené využití přebytků elektrické energie pro výrobu vodíku může být jejím stabilizujícím a akumulačním prvkem.

Hromadná doprava má mnoho předností před dopravou osobními vozidly, především ve městech. Byly proto v posledních letech investovány nemalé prostředky do výzkumu a vývoje využití alternativních pohonů právě pro hromadnou dopravu. Autobusy s hybridními, elektrickými i vodíkovými pohony se staly nedílnou součástí provozu v evropských městech (Berlín, Barcelona, Londýn, Oslo a další). V České republice byla v roce 2009 realizována a ověřena v provozu linka Neratovice – Praha autobusem TriHyBus. V současnosti tato linka v provozu není.

Alternativní i vodíkové pohony již prokázaly svou uplatnitelnost v individuální, hromadné i nákladní dopravě.

Vodíkové hospodářství a výroba

Vodíková mobilita je součástí širšího celku vodíkového hospodářství. Možnou typologii vodíkového hospodářství znázorňuje obrázek č. 30. Využití vodíku může přinášet výhody v oblasti energetiky jako např. stabilizace parametrů elektrifikační sítě, v oblasti dopravy snížené emise a snížení závislosti na dovozu ropných paliv.

Obr. č. 30: Rozšířené schéma vodíkové ekonomiky

Vodík lze vyrobit mnoha způsoby z různých zdrojů. Prozatím dominuje výroba z fosilních paliv (96 %) zejména zemního plynu, ale částečně i ropy a uhlí s účinností kolem 70 %. Hlavními výhodami těchto procesů jsou značná jednoduchost, dlouholetá provozní praxe a ekonomika, která nezohledňuje vlivy na okolní prostředí – produkce skleníkových plynů. Zbylá 4 % roční výroby vodíku jsou vyráběna elektrolýzou vody s účinností 50 – 70 %. Využití elektřiny pro získání vodíku je výhodné např. ve spolupráci s obnovitelnými a alternativními zdroji energií a např. i s jadernou elektrárnou (stávající jaderné elektrárny využívají vodíku k chladícím účelům). V budoucnu bude možno vyrábět vodík např. při rozkladu organických látek se za přispění některých bakterií či fotokatalytickým procesem s využitím sluneční energie.

Účinnost samotného palivového článku je obecně v rozmezí 40 – 50 %, takže účinnost přeměny (elektřina → vodík → elektřina) dosahuje v současnosti maximálně 25 %. Pro srovnání lze uvést například vznětový motor s účinností přeměny (nafta → mechanická práce) kolem 40 % a lithium-iontový akumulátor s účinností přeměny (elektřina → chemická energie → elektřina) 80 – 90 %. Pro dosažení co nejvyšší účinnosti celého řetězce je potřeba minimalizovat počet energetických přeměn.

Skladování vodíku

Použití vodíku v dopravních prostředcích je problematické vzhledem k hořlavosti a výbušnosti vodíku ve směsích se vzduchem. K iniciaci hoření či výbuchu může dojít nejen plamenem nebo jiskrou, ale i statickou elektřinou či stykem s horkým povrchem. Velkou nevýhodou je možný únik vodíku netěsnostmi instalované soustavy zvláště u dopravních prostředků za provozu při vibracích z jízdy. Vodík má rozměrově nejmenší molekulu ze všech známých prvků. Vodík má malou hustotu energie a je proto skladován ve stlačeném stavu v plynném skupenství či při normálním tlaku za snížené teploty (- 253 °C) jako kapalný. Plynný vodík je skladován v ocelových bezešvých tlakových nádobách či v tlakových nádobách se sníženou hmotností nebo v kompozitních tlakových nádobách.

Obr. č. 31: Zdroje vodíku v ČR v kontextu dálniční sítě

Na území ČR se též nachází asi desítka průmyslových podniků, které vodík vyrábějí (většinou jako meziprodukt). Například Spolchemie v Ústí nad Labem disponuje výrobní kapacitou v množství až 2.000 m³ (N)/hod (asi 4 tuny/den, které by vozidlům na vodíkový pohon umožnily nájezd přes 400.000 km/den). Obr. 31 ukazuje rozmístění těchto producentů v kontextu dálniční sítě ČR. Dalším důležitým výrobcem vodíku je Unipetrol, který plánuje využití volné kapacity výroby vodíku pro zásobování plnicích stanic vodíku budovaných v rámci sítě čerpacích stanic Benzina.

Vzhledem k vlastnostem vodíku je vhodné jej vyrábět a spotřebovávat na jednom totožném místě. Jeho doprava k čerpacím stanicím je spojena s bezpečnostními riziky a je neekonomická. V současnosti nejsou výrobní kapacity, které by umožnily tankování zvýšeného počtu vozidel. Řešením mohou být malé distribuované systémy napojené na elektrifikační síť umožňující výrobu vodíku z přebytků elektrické energie a jeho kompresi do tlakových zásobníků a následný výdej pomocí tankovací armatury jednotlivým vozidlům. Doplnění takovéto stanice o soustavu palivových článků by bylo možno z vodíku zpět vyrobit elektrickou energii a nabíjet elektrická vozidla s chemickými bateriemi s mnohem vyšším elektrickým proudem než umožňuje přívodní vedení elektrifikační sítě.

Z technologického hlediska je dnes standardem vodík jako technický plyn v ocelových tlakových nádobách s „vodním“ objemem 25 nebo 50 l naplněných plynem s tlakem 200 bar (20 MPa). Současné čerpací stanice jsou schopny plnit nádrže vozidel stlačeným plynným vodíkem na tlak 350 bar (autobusy) nebo 700 bar (automobily).

Obecně souhrnně lze stručně konstatovat, že vodíková auta neprodukují žádné nečistoty a současně nevyžadují dlouhé nabíjení baterií, protože vodíkové nádrže je možné natankovat během tří minut. Vodík není spalován v motorech, ale spotřebováván v palivových článcích, kde se mění na elektřinu. A vodík jako alternativní palivo pro dopravní prostředky ať již se spalovacími motory či palivovými články má budoucnost a mohl by nahradit paliva jako benzin či nafta. Vodík je při určitém způsobu zacházení na Zemi prakticky nevyčerpatelným zdrojem energie. Není palivem, je nosičem energie s jednoduše realizovatelným uzavřeným cyklem a jeho využití v budoucnu nemusí být doprovázeno zvyšováním emisí skleníkových plynů.