Budoucnost, nebo nákladný sen?

16.10. 00:00 | Autor: Jan Stacha

V zimě se začne prodávat první evropské auto s vodíkovým pohonem. Automobilky považují vodík za palivo budoucnosti. Ale výroba, doprava i skladování nejrozšířenějšího prvku jsou drahé a ne zrovna ekologické.

Podle Evropského parlamentu by měl v roce 2020 vodík pohánět pět procent všech vozidel v Evropě, za dalších dvacet let se jejich podíl má zvýšit na třetinu. Na rok 2040 odhadují nejpesimističtější statistiky vyčerpání zásob stále dražší ropy, většinou pocházející z nestabilních oblastí světa. S tím bude souviset její zdražení. To by mohlo obrátit dnešní situaci, kdy je provoz na vodík několikanásobně dražší než na tradiční paliva. Očekávat v budoucnosti levnější dopravu by však bylo naivní.

Starší než automobil

Vodík sloužil v dopravě ještě před počátky automobilismu. Je to nejrozšířenější prvek ve vesmíru, nejlehčí a nejjednodušší. Poháněl balony a vzducholodě již od druhé poloviny osmnáctého století. První vodíkový balon byl veřejně vypuštěn již v roce 1783, téhož roku se uskutečnila první cesta balonu s lidskou posádkou. Vodíkovou éru ukončila až havárie vzducholodě Hindenburg v roce 1937, po více než sto padesáti letech vodíkového létání. Do automobilu se vodík poprvé dostal až v roce 1979, kdy značka BMW představila prototyp vodíkem poháněného sedanu řady 5.

Vodík je nejekologičtějším palivem. Při jeho spalování se z výfuků jím poháněných vozidel line jen neškodná pára. Toto palivo totiž neobsahuje uhlík, takže odpadají problémy se škodlivými uhlovodíky i oxidem uhelnatým (CO) ve výfukových emisích. S čistotou jeho výroby a zpracování už je to horší. Vodík se na naší planetě vyskytuje jen ve sloučeninách. Jako plyn se nachází jen ve vyšších vrstvách atmosféry, odkud díky své mimořádně nízké hmotnosti rychle vyprchává. Ekologicky nejčistší elektrolýzou z vody (elektrický proud ji rozdělí na kyslík a vodík) se průmyslově vyrábí jen čtyři procenta vodíku. Nejvíce (48 procent) se ho získává rozkladem zemního plynu, který však lze použít v současných vozidlech efektivněji i v jeho původní podobě (viz Alternativy). Může být těžen i z ropy (30 procent) nebo uhlí (18 procent). Dlouhodobým zdrojem, zmiňovaným optimisty, jsou čisté energie z větrných elektráren a solárních článků. Proto jsou prototypy vodíkových aut často fotografovány před idylickým pozadím s vrtulemi větrných elektráren. Jenže tento způsob získání energie je nejdražší ze všech. Realita mnohem více zvýhodňuje tepelné elektrárny, z nichž pochází polovina elektrické energie v současné rozvodné síti. Podle výpočtů amerického ministerstva energetiky produkuje normální benzinový automobil po započtení energie potřebné k výrobě benzinu ze surové ropy a nákladů na dopravu 347 gramů CO2 na jednu míli (1,6 km). Stejný vůz poháněný palivovým článkem vypouští jen páru a odpadní teplo, avšak potřebuje vodík, při jehož výrobě bylo elektrárnami vypuštěno 436 gramů emisí CO2. Situaci tak mohou nejvíce změnit jaderné elektrárny.

Extrémní nároky

Takto se čerpá kapalný vodík na stanici v Berlíně, která je zatím nejblíže ČR. Vodík se používá v kapalném nebo plynném skupenství. Ke zkapalnění je třeba jej ochladit na -253 °C, což je velmi náročné na elektrickou energii. Problematické je též bezpečné utěsnění. Nádrž musí být dokonale izolována, aby nedocházelo k úniku této vysoce výbušné látky. Nevýhodou plynného vodíku je tankování při obrovském tlaku, které je náročné nejen na materiály, v nichž je skladován, ale i bezpečnostně. Podle některých zdrojů je instalace vodíku v automobilu srovnatelně bezpečná jako pohon na propan-butan LPG, který se již hojně používá. Vodík v plynné formě, stlačený tlakem 70 MPa, má jen čtvrtinu energie stejného množství kapalného vodíku. Uchovávání zmrazeného prvku je náročnější, ale umožňuje větší dojezd jím poháněného vozu, u alternativních paliv parametr možná nejdůležitější. Podmínkou je však zachování velmi nízké teploty kapalného vodíku (stlačeného na 0,3 až 0,5 MPa), pohybující se kolem minus 250 stupňů Celsia. Výroba vodíku a jeho doprava do čerpacích stanic jsou mnohem nákladnější než u klasických ropných produktů. Provoz na vodík v obou ze dvou skupenství by byl v současné době nejméně třikrát dražší, než kdyby stejné auto jezdilo na benzin či naftu.

Vodík přímo v motoru

Dokud nebude k dispozici dostatečně hustá síť vodíkových čerpacích stanic, budou roli vodíkem poháněných průkopníků plnit vozidla spalující vodík přímo v upraveném spalovacím motoru, schopném pracovat i na klasický benzin. Při vodíkovém režimu mají zhruba poloviční výkon a téměř nulové emise. Kromě páry je zde jen stopové množství oxidů dusíku, vznikající při spalování oleje sloužícího k mazání motoru. Jejich další velkou výhodou jsou nižší výrobní náklady. Vozidla poháněná palivovými články jsou dražší než původně sériové automobily s benzinovým motorem, upraveným na spalování vodíku. Auto závislé na řídké síti vodíkových čerpacích stanic by si koupil jen dobrodruh. Například z ČR by musel jezdit tankovat do Berlína. Dalším omezením je rozměrná vodíková nádrž, která zabere většinu zavazadlového prostoru automobilu.

Na benzin i na vodík

První takový vůz představila značka BMW koncem září. Jde o luxusní limuzínu řady 7, poháněnou upraveným šestilitrovým dvanáctiválcem z modelu 760i, vybaveným přídavnými vodíkovými vstřikovači v sacím traktu, doplňujícími přímé vstřiky benzinu. Z toho plyne největší výhoda novinky: když vodík dojde, přepne se pohon na normální benzin s oktanovým číslem 98. Čtyřiasedmdesátilitrová nádrž vystačí na 500 kilometrů, osmilitrová tlaková nádrž na zmrazený kapalný vodík přidává dalších 200 km. Problém s udržením nízké teploty vodíku vyřešilo BMW dvouplášťovou nádrží se stěnou tlustou tři centimetry a s extrémními izolačními schopnostmi. Výrobce je ilustruje tímto příkladem: pokud by se do nádrže nalila horká káva, její teplota by klesla na poživatelnou úroveň až za osmdesát dní. Bezpečnost je zajištěna ventilem s Venturiho trubicí, který při zvýšení tlaku v nádrži cíleně odpouští vodík, přeměňovaný v katalyzátoru na páru. Velký dvanáctiválec poskytuje vozu dynamiku, s jakou zájemci o luxusní limuzínu počítají. BMW Hydrogen 7 má v režimu vodíkového pohonu nejvyšší výkon 260 koní/ 191 kW, je schopno zrychlit na 100 km/h za 9,5 sekundy a rozjet se na 230 km/h. Při nižším zatížení motor vozu pracuje s chudou směsí, čímž je docíleno minimálních teplot a snížení produkce oxidů dusíku. Cena za ekologický provoz však bude v tomto případě vysoká. Základní benzinový model se u nás prodává za 3 568 600 Kč, vodíkový vůz bude jistě dražší. BMW Hydrogen 7 má již za sebou testování a je homologováno k provozu v Německu a zemích EU obecně. V zimě by se mělo začít prodávat na domácím trhu.

Vodík a Wankel

Spalovat vodík přímo v benzinovém motoru chce i japonská značka Mazda. Využije k tomu svoji specialitu: Wankelův motor s rotačními písty, kterého se jako jediná automobilka stále drží. Tento agregát je pro spalování vodíku vhodnější než klasický pístový. Extrémně výbušný vodík hoří desetkrát rychleji než benzin, čímž vzniká problém s přehříváním výfukových ventilů a vysokými teplotami výfukového traktu. U motoru s rotujícími písty probíhá sání, expanze i výfuk v oddělených komorách, čímž nedochází ke vzniku tak vysokých teplot. Motor Mazdy RX-8 Hydrogen RE používá přímé vstřikování vodíku a je schopen spalovat i benzin. Na vodík má výkon 109 koní/80 kW, v benzinovém režimu 210 k/154 kW. Stodesetilitrová vodíková nádrž stačí na ujetí sta kilometrů, benzinová nádrž o objemu 61 litrů přidává dojezd dalších 550 km. Vodíkové Mazdy RX-8 jsou nyní nabízeny na leasing státním orgánům, ale pokud o ně bude zájem na trhu, automobilka je schopna takřka okamžitě zahájit sériovou výrobu.

Potrava pro elektromobily

Většina automobilek však vidí budoucnost ve vozidlech poháněných palivovými články. Nejde přímo o pohon, ale o způsob získání elektrické energie. V palivových článcích vzniká elektrochemickou reakcí vodíku s kyslíkem stejnosměrný elektrický proud, sloužící k pohonu elektromotoru vozidla. V nich reakcí vodíku se vzduchem vzniká elektřina, jako odpadní látka zůstává voda. Palivových článků je několik druhů a vývojem jimi poháněných vozidel se zabývá více automobilek než konstrukcí vozidel spalujících vodík přímo v motoru - například Fiat, Ford, Honda, Hyundai, Mazda, Mercedes-Benz, Mitsubishi, Peugeot, Toyota, Nissan, Opel a Volkswagen. Vozidla poháněná palivovými články mají dojezd kolem tří set až pěti set kilometrů a jsou bezpečnější, ale také dražší. Loni v červenci dodala japonská značka Honda první vůz poháněný palivovými články do rukou soukromníků. Rodinka se dvěma roztomilými holčičkami si však vůz nekoupila, má ho jen v užívání za měsíční poplatek 500 USD. Převážně ručně vyrobený prototyp by totiž stál asi milion amerických dolarů.

Co nás čeká?

Současný stav nejlépe vystihuje pořekadlo o začarovaném kruhu. Dokud nebude jezdit dost drahých vodíkových vozidel, nevyplatí se nikomu investovat do ještě nákladnějších čerpacích stanic. Prototypy různých automobilek fungují, ale na trhu by byly neprodejné. První veřejné stanice prodávají stlačený plynný vodík od roku 1999 v německém Hamburku a Mnichově, ale jejich hlavními klienty jsou autobusy. V USA je přes třicet vodíkových čerpacích stanic, z toho polovina v Kalifornii. Živí automobily provozované státními orgány a poštou. Ministerstvo průmyslu a obchodu ČR iniciuje založení České vodíkové technologické platformy, jejímž prostřednictvím chce podporovat rozvoj vodíkových technologií u nás. Bude však trvat dlouho, než platforma založená letošního 2. května přinese první ovoce.

* * *

ALTERNATIVY

Vodík není jediným nástupcem ropných produktů. Jsou tu ještě další alternativy, v současné době mnohem levnější: zemní plyn a pohonné hmoty získané z rostlinných olejů, plodin nebo biomasy, mezi něž patří bionafta nebo alkohol. Jimi lze pohánět jen lehce upravené spalovací motory. Počet jimi poháněných vozidel by se měl podle statistik vyrovnat těm benzinovým a naftovým v roce 2030. Jejich použití je nejjednodušší a nejméně nákladné, ale ani jejich zdroje nejsou bezedné. Pokud by všechna současná vozidla začala jezdit na bionaftu a bioetanol, brzy přestanou stačit pole, na kterých se pěstují plodiny, z nichž se vyrábějí. Jako perspektivnější se jeví zemní plyn, jehož zásoby vydrží podle nejpesimističtějších prognóz alespoň 150 let. V bližším horizontu bude svět jezdit na kombinaci všech zmíněných paliv, pak by měla přijít doba vodíková. Auta na solární pohon nebudou při dnes známých technologiích nikdy tak silná, aby je šlo prakticky využít. Tvůrci elektromobilů ani za více než století nevyřešili problém s malou kapacitou těžkých a drahých akumulátorů, které se dlouho nabíjejí a poskytují jen krátký dojezd. Provoz vozidel poháněných elektromotory je čistý, výroba elektrické energie už čistá být nemusí.

Foto: ARCHIV

Autor: Jan Stacha