Stane se vodík palivem blízké budoucnosti?

Alternativní pohony jsou velké téma pro řidiče, ale hlavně pro samotné automobilky. Tlak na snižování emisí nutí výrobce k rychlé transformaci v oblasti pohonných jednotek. Konvenční spalovací motory nahrazují vozy s hybridními nebo čistě elektrickými systémy. Jednou z alternativ je ale také vodíkový pohon, jehož výhodou je delší dojezd, rychlejší tankování a používání až 50x menších baterií v porovnání se současnými elektromobily. 

Natankovat v řádu minut a ujet na jednu nádrž alespoň 500 kilometrů. Samozřejmost, nad kterou se uživatel vozu se spalovacím motorem prakticky nezamýšlí. Je to standard zavedený mnoho desetiletí. S příchodem stále přísnějších emisních norem se však situace postupně mění. Na výrobce je vyvíjen velký tlak, a pokud limity neplní, následují pokuty. Ty mohou každý vůz prodražit o tisíce eur. Snaží se proto nabízet co možná nejvíce modelů s alternativními pohony a snížit tak svůj průměr produkce emisí CO2.

Nejčastěji se k tomu používají plug-in hybridní nebo čistě elektrické vozy, které však narážejí na několik omezení: délku dobíjení a četnost rychlonabíjecích stanic (plug-in hybridní vozy sice fungují i bez nabíjení, ale jejich spotřeba je pak relativně vysoká). Řešení může přinést alternativa, která se rychle rozšiřuje v Asii, je na opatrném vzestupu v západní Evropě a pomalu míří i do České republiky – vodíkový pohon. Velkou výhodou je stejně rychlé a jednoduché tankování jako u vozu se zážehovým nebo vznětovým motorem.

Proč říct ano vodíku?

Mnozí si asi ze školy pamatují, jak funguje elektrolýza. Když se do vody umístí dvě elektrody napojené na baterii, na jedné z nich se začne tvořit vodík. Palivové články ve vozech poháněných vodíkem fungují přesně obráceně. Když se spojí vodík se vzduchem, vznikne elektrická energie. Jedinou odpadní látkou je přitom voda nebo vodní pára. Ve voze je vodík uchováván v palivových článcích a vzduch se jednoduše získává z okolí. Je to velmi čistý způsob výroby elektřiny.

Vůz poháněný vodíkem je vlastně také elektromobil, jen místo velkých a těžkých baterií používá kompaktnější a lehčí palivové články. Úspora hmotnosti je přitom poměrně zásadní. Například v modelu Honda Clarity má svazek palivových článků výkon 103 kW při hmotnosti 52 kg. Baterie použité ve Volkswagenu e-Golf váží více než 300 kg. Navíc obsahují 29 kg lithia, zatímco palivové články vodíkového pohonu potřebují jen několik gramů platiny, podobně jako současné katalyzátory používané u konvenčních spalovacích motorů. Také vodíkový vůz má pro vyrovnávání přebytků energie palivových článků akumulátor, jeho kapacita je ale menší než 2 kWh, což je v porovnání s elektromobily zlomek.

Další výhodou vodíku je rychlé a snadné doplňování. Proces tankování je prakticky stejný, jako při čerpání benzínu nebo nafty. Liší se jen hrdlo nádrže a tvar tankovací pistole s pojistným tlačítkem. Před samotným tankováním se musí vyrovnat tlak v obou nádržích, celý proces tankování je nicméně automatizovaný a trvá pouze několik minut. Pro představu, Hyundai Nexo s dojezdem 800 km je plně natankovaný za pouhých pět minut.

Proč se pistole liší a má pojistný ventil? Představme si, že 1 kg benzínu má objem 1,3 litru, zatímco vodík při stejné hmotnosti a atmosférickém tlaku zabere 11 metrů krychlových. Aby se do malé nádrže osobního vozu dalo natankovat dostatečné množství vodíku, musí být stlačen tlakem 700 atmosfér. Tento proces spotřebuje asi pětinu energie ukryté ve vodíku.

A proč mu zatím říci ne?

Velkou komplikací je však zatím infrastruktura čerpacích stanic. V Česku funguje jediná vodíková stanice v Neratovicích. Ta ale slouží pouze pro testy autobusu s vodíkovým pohonem. Pro systém používaný v osobních autech nemá dostatečný tlak. První veřejná stanice v České republice, kde bude možné natankovat vodík, se plánuje ve středočeské Řeži. Ve zdejší technicko-inženýrské společnosti ÚJV funguje již od loňského prosince dobíjecí stanice pro elektromobily a aktivně se pracuje na variantě pro tankování vodíku. Ten budou vyrábět fotovoltaické panely na střeše areálu.

Další stanice by se měly zásluhou státních dotací objevit nejdříve v příštím roce. Pravděpodobně vzniknou v Litvínově a Praze. Vodíkovou dopravu chce rovněž podpořit město Ostrava. V západní Evropě je situace o něco lepší, ale v porovnání s dobíjecími stanicemi pro elektromobily se síť čerpacích stanic na vodík rozrůstá výrazně pomaleji.

Otázkou je také výroba vodíku, která je poměrně náročná. Postupně se ale objevují nové technologie, které umožňují výrobu například z mořské vody. Vodík také vzniká jako druhotný produkt chemického průmyslu a lze ho získat i pomocí obnovitelných zdrojů. Udržitelnost jeho získávání ve velkém je tedy zřejmě především otázkou času. Vodík se ale dá používat nejen k pohonu aut, ale také jako forma uchování elektrické energie, k čemuž se v současnosti používají například přečerpávací nádrže. To už je ale záležitost sahající daleko mimo svět aut.

Výhody a nevýhody palivových článků

Výhodou palivových článků je kromě nízké hmotnosti i jejich mechanická jednoduchost a postupně se daří omezovat množství drahých materiálů. Článek obsahuje tenkou grafitovou desku a vodivé kovy. Nejčastěji se používá velmi drahá platina, jež však jde nahradit jen o několik procent méně účinným a výrazně levnějším niklem. Jedinou větší komplikací při výrobě palivových článků pro osobní vozy je potřeba jejich miniaturizace. Každý z jednotlivých článků dodává napětí 1,5 voltu a obsahuje miniaturní kanálky pro vodní chlazení a rovnoměrné proudění plynů při celkové tloušťce okolo 1,5 mm. Pro motor s výkonem 100 kW musí být takových článků ve voze přibližně tři stovky. Postupně se ale palivové články zmenšují, u nejnovější generace článků ve voze Honda Clarity se například podařilo zlepšit poměr výkonu a objemu o 60 %.

Systém palivových článků funguje při mírné teplotě s účinností 50 %. Současné spalovací motory mají pro srovnání účinnost 25-30 % a podstatně vyšší teploty. Situace je však horší v zimním období s nízkou venkovní teplotou. Aby voda v palivových článcích nezamrzala, je systém vybaven přídavnými topnými prvky, které účinnost snižují. Soubor článků je zároveň nejodolnější při nepřetržitém provozu, kdy se jeho životnost pohybuje okolo 40 000 hodin. Naopak velmi náročný je provoz na krátké vzdálenosti, kdy dochází k namáhání membrány častou změnou vlhkosti. Což je běžný případ provozu osobního auta. Odhady životnosti palivových článků v takovém režimu se různí (zpravidla se uvádí 2000 až 10 000 hodin), což stále odpovídá nájezdu několika set tisíc kilometrů.

Hyundai investuje 153 miliard

Zatímco někteří výrobci jsou vůči vodíku zdrženliví, jiní chtějí jeho nevyužitý potenciál využít ve velkém. Mezi největší průkopníky vodíkového pohonu patří Hyundai, Toyota, Honda a koncern Daimler. Například jihokorejský Hyundai v rámci programu FCEV Vision 2030 investuje do rozvoje vodíkové technologie 153 miliard korun a vytvoří v tomto odvětví 51 000 pracovních míst. Do roku 2030 chce vyrábět 700 000 systémů palivových článků ročně, včetně půl milionu jednotek pro elektromobily s palivovými články (FCEV).

Prvním krokem je rozšíření výroby palivových článků, kterou má na starosti dceřiná společnost Hyundai Mobis. Výrobní závod Mobis umožní do roku 2022 zvýšit roční výrobu na 40 000 systémů palivových článků ze současných 3000. Automobilka také na začátku letošního roku uvedla na trh model Nexo, druhou generaci SUV kategorie FCEV, která nahradila model Tucson FCEV představený v roce 2013. Nexo jako první používá speciální platformu Hyundai pro modely s palivovými články, která přináší nižší hmotnost, větší vnitřní prostor a optimalizované uspořádání palivových článků. Nexo dokonce nečistoty nejen nevytváří, ale přímo likviduje. Díky svému filtru údajně dokáže na stejné vzdálenosti ze vzduchu odčerpat spaliny dvou vozů se vznětovým motorem.

Ekologická nákladní a veřejná doprava

Jednou z dalších oblastí, na které se Hyundai soustředí, je nákladní a hromadná doprava. A týká se to i Evropy. Na loňském veletrhu IAA v Hannoveru automobilka potvrdila spolupráci se švýcarskou firmou H2 Energy. Společně poskytnou zákazníkům v průběhu pěti let tisícovku nákladních vozů s nosností 4 až 5 tun a elektrickým pohonem napájeným z palivových článků. Současně zajistí jejich dostatečné zásobování vodíkem z obnovitelných zdrojů. Vozy jsou vybaveny novým systémem o výkonu 190 kW, v němž jsou paralelně propojeny dvě sady palivových článků. Jde principiálně o stejné řešení používané také ve zmíněném modelu Nexo. Dojezd 400 km zaručuje osm velkých nádrží na vodík, uložených mezi kabinou a pevnou nástavbou.

V Paříži zase do konce roku 2020 doplní flotilu vodíkových taxi dalších 500 vozů Toyota Mirai. Před konáním olympijských her v roce 2024 tak chce francouzská metropole dosáhnout nulových emisí vozů taxi. Pomoci tomu má i nově vznikající infrastruktura vodíkových čerpacích stanic. V Koreji se během několika let počítá s plošným nasazením vodíkových autobusů, což má přispět ke zlepšení kvality ovzduší ve městech.

Ceny vodíkových vozů budou klesat

Experti na alternativní paliva očekávají, že vodíkovou dopravu čeká vzhledem k její perspektivě podobný vývoj, jakým prošly hybridy a elektromobily. S rozšířením nabídky, infrastruktury a pobídek dojde v následujících letech k výraznému zvýšení prodejů a současnému snížení pořizovací ceny, která zůstává velmi vysoká i proti elektromobilům. Vodítkem může být například to, že od uvedení prvního Priusu v roce 1997 se cena hybridní technologie postupně snížila o 75 %. Vodík tedy čeká dlouhá, ale nadějná cesta.

Fotogalerie