Vodíkový pohon automobilů: Nechceme lithium, chceme vodík

Natankovat a vyrazit. Přes půl republiky, do Mnichova, Vídně či Varšavy, nebo jezdit za běžnými povinnostmi celý týden. Samozřejmost, na kterou jsme si zvykli, vypadala poslední dobou jako odsouzená k zániku. Auta na benzin a naftu měl nahradit elektromobil s baterií a nabíječkou. Tak to uplynulých deset let podávali nejen politici a regulátoři, ale často i samotné automobilky.

Málokoho by takové vyhlídky těšily. A ne jen kvůli dojezdu. Masový rozvoj bateriových vozidel přinese obrovské nároky na rozvodnou elektrickou síť, což nejlépe ilustruje představa, jak by se na velkých sídlištích každou noc nabíjelo 20.000 aut. Do extrému dochází zátěž sítě u rychlonabíječek s výkonem 100 kW, což je odběr asi šesti rodinných domů.

Obavy vyvolává i strategické hledisko - dosavadní závislost na arabské a ruské ropě totiž můžeme snadno nahradit závislostí na čínských bateriích. Právě Čína dnes díky obrovským státním investicím získává ve vývoji a výrobě moderních baterií výsadní postavení, zatímco Evropa v tomto desetiletí zaspala a náskok asijských zemí nemá šanci dohnat. Čína si také zajistila politický vliv ve státech severní Afriky, bohatých na vzácné kovy, což do budoucna ztíží konkurenci. Nejde přitom jen o často zmiňované lithium, na jehož těžbu se dnes hledají nová naleziště. Z kvalifikovaných odhadů světových zásob nerostných surovin vychází, že pokud bude elektromobilů přibývat tak rychle jako dosud, kolem roku 2030 dojde kobalt. Náhradní materiály na výrobu elektrod akumulátorů jsou přitom teprve ve vývoji s otevřeným výsledkem.

Tímto krátkým úvodem nechceme říci, že by bateriové elektromobily neměly význam a budoucnost. Nicméně jejich role i schopnosti jsou omezené a všechnu práci dnešních aut nezastanou. Proto nás těší sledovat stále odvážnější krůčky vodíkové technologie, která může dát motoristické budoucnosti pestřejší barvy.

Menší, lehčí, dlouhonohý

Vodíkové auto je také elektromobil. Jen místo baterie veze nádrž vodíku a svazek palivových článků, v nichž chemickou reakcí vzniká elektřina a vodní pára. Jde o zařízení podstatně skladnější a lehčí než baterie – mimochodem proto jsou vodíkovými články už od 60. let vybavovány kosmické lodě. Posuďte sami: v Hondě Clarity má svazek výkon 103 kW a hmotnost 52 kg, srovnatelně výkonná baterie ve Volkswagenu e-Golf váží 318 kg. Navíc obsahuje 29 kg lithia, zatímco vodíkový pohon potřebuje jen gramy platiny, tedy množství srovnatelné s katalyzátory dnešních aut.

Jak se tankuje vodík? Není se čeho bát...

Tímto prostým srovnáním se otevírá důležitý argument: vodíkový pohon bude daleko vhodnější pro dálkové autobusy a kamiony, které by s sebou jinak musely tahat akumulátory vážící přes deset tun. Lépe řečeno dálková a těžká doprava jinou možnost než vodík do budoucna nemá, takže tlak na rozvinutí technologie je o to větší. Jakmile se podaří uvést ji do velkosériové výroby, nebude nic bránit využití v osobních autech.

Čím menší, tím složitější

Mechanicky je celá věc jednoduchá a vyrobená ze snadno dostupných materiálů. Článek tvoří tenké desky z grafitu a vodivých kovů, mezi nimi je natažená tenká polymerní membrána. Složité to začne být až s miniaturizací potřebnou v automobilových aplikacích. Jeden článek podává napětí kolem 1,5 voltu a k dosažení výkonu 100 kW je potřeba jich do svazku poskládat okolo tří set. V každém z nich přitom musejí rovnoměrně proudit plyny i odtékat voda, přitom celý svazek s příslušenstvím nesmí být větší než dnešní spalovací motor. Články mají tloušťku kolem 1,5 mm, mezi ně se ještě musí vejít miniaturní kanály vodního chlazení.

Teoretická účinnost samotné chemické reakce dosahuje 83%. Od toho ale musíme odečíst ztráty chlazením, vhánění vzduchu silným elektrickým kompresorem, další pomocné regulace a nakonec vyrovnávací baterii, protože pro vodíkový článek by bylo příliš obtížné prudce zvýšit výkon při rozjezdu a zrychlení. Praktická účinnost systému tím klesá do rozmezí 35 až 50% podle podmínek a zatížení.

Je to hodně, nebo málo? O tom bychom mohli popsat několik stránek, ale tato otázka je zbytečná. Zaprvé primárním zdrojem energie je elektrárna, vodík je jen nosič. A účinnost českých elektráren se pohybuje kolem 35%, což platí stejně tak i pro elektromobily s baterií.

Při výrobě a distribuci vodíku určitě ztratíme víc energie než při vedení elektřiny kabelem a nabíjení akumulátoru. Například 1 kg vodíku obsahuje 146 MJ energie, třikrát víc než benzin. Jenže zatímco 1 kg benzinu má objem 1,3 litru, kilogram vodíku při atmosférickém tlaku zabere 11 metrů krychlových, tedy prostor odpovídající menší koupelně! Aby se 5 kg tak „řídké“ látky vešlo do nádrží osobního auta, musíme ho stlačit na 700 atmosfér, což stojí 20% energie samotného vodíku. Jenže pak se karta obrátí. Díky vysoké energetické hustotě a 50% účinnosti článků odvede vodík ve vozidle koncového zákazníka víc práce, než kdyby jezdilo na baterie.

Drahý a nebezpečný?

Vodík je silně těkavý a ve směsi s kyslíkem prudce hořlavý, což v laické veřejnosti vyvolává obavy z rizika výbuchu při úniku nebo havárii. Skutečnost je o poznání klidnější. Vodík sám hoření nepodporuje a zápalný je až v koncentraci od 4%. Kterou je velmi těžké udržet, jelikož se vodík díky své těkavosti rychle rozptyluje do ovzduší. Že s takovým autem nesmíte do podzemních garáží bez ventilace, to znají i majitelé vozů na CNG.

Úniky ze systému sledují obvyklá čidla a nádrže jsou vyrobené podle velmi přísných norem. Musejí vydržet trojnásobek předepsaného tlaku, testují se na různé typy nárazů a nesmějí se roztrhnout. I kdyby tedy nádrž něco probodlo, trhlina se nesmí rozšířit.

Obecně nelze říct, že by byl vodík při nehodě rizikovější než benzin nebo zemní plyn. Co vyčítat mu nemají ani elektromobily s lithiovými bateriemi, jak dokazují víc než ojedinělé a obtížně zvladatelné požáry havarovaných vozidel Tesla.

Pádný argument zatím představuje cena téměř kusově vyráběné technologie – vodíková Toyota Mirai dnes v Německu stojí 78 600 Eur. Profesor Werner Tillmetz z Centra pro sluneční a vodíkovou energii Bádenska-Würtenberska má optimističtější pohled: „Pokud budeme uvažovat dojezd nad 500 km, je vodíkové auto už dnes levnější než bateriový elektromobil. Akumulátory také zlevnily sériovostí výroby, což v budoucnu čeká i vodíkové články,“ vysvětlil nám při nedávné prezentaci Mercedesu F-Cell ve Stuttgartu. A představil iniciativu Autostack-Industrie, na níž se jeho výzkumné centrum a další technologické firmy podílí s Daimlerem, BMW a Volkswagenem. Cílem je zahájení velkosériové výroby článků v Německu, která přinese příznivější ceny a posílí konkurenceschopnost domácích automobilek.

Stejně je tomu u plnicích stanic. Výstavba dnes stojí kolem 25 milionů korun, na čemž mají velký podíl výkonná 700barová čerpadla a také systém chlazení potřebný proto, že se vodík při stlačování silně zahřívá.

Jak to přesně funguje

Elektrický proud vzniká reakcí protonů vodíku s kyslíkem. Do článku je přiváděn z jedné strany vodík. Na aktivní vrstvě platinového katalyzátoru se z něj oddělují protony, které částečně vodivou membránou procházejí ke kovové desce na druhé straně, kam ventilátor vhání kyslík. Také zde je katalyzátor, který dělá kyslík reaktivnějším a usnadňuje rozhodující chemický proces, při kterém vzniká voda a elektrický proud. Kovová deska ho pak odvádí do obvodu.

Velkou výzvou miniaturizovaných řešení pro automobily je plynulý přísun vzduchu i odtékání zbytkové vody. Prudké výkyvy tlaku jsou na obou stranách nežádoucí. Proto se ani celý svazek několika set vodíkových článků nepoužívá jako přímý pohon. Pouze rychleji nebo pozvolněji nabíjí baterii, která pokrývá požadavky na okamžité zrychlení. V zimě by také mohla voda na výstupu zamrznout, proto se články musejí vyhřívat.

Kyslík je nasáván z ovzduší. Pro uchování čistoty čerpadla, tenkých kanálů v článku a zejména katalyzátoru je třeba ho účinně filtrovat – zbavit se musí nejen pevných částic, ale i oxidu uhelnatého nebo sloučenin síry. Odolnost těchto filtrů i platinového katalyzátoru je dnes v centru pozornosti konstruktérů. U filtrů se předpokládá se životnost 1000 motohodin (tedy 40 až 60.000 km podle podmínek jízdy), u celého svazku článků 5000 motohodin.

Kde vzít a nekrást

Největší otazníky se zatím týkají toho, kde dostatek čistého vodíku vzít. Pro provoz malého počtu automobilů nebo zkušebních městských autobusů v Evropě i USA stačí přebytky z chemického průmyslu. To platí i o České republice: známý projekt zkušebního autobusu Trihybus, který jezdil v Neratovicích, odstartovala mimo jiné snaha využít přebytky vodíku z výroby PVC v tamní Spolaně. Jak ale bude vodíkových aut přibývat, přestane tento kanál stačit.

Přímá výroba vodíku je možná dvěma základními způsoby. Prvním je využití fosilních paliv. Například formou parciální oxidace mazutu nebo parního reformingu zemního plynu – také tyto procesy používají české rafinerie v Litvínově a Pardubicích. Na první pohled to vypadá zbytečně složité proti přímému využití zemního plynu ve spalovacích motorech. Ale realita je jiná. „Celý cyklus má nižší uhlíkovou stopu než přímé spalování v autě na CNG. Totéž platí i pro čistotu emisí. Při výrobě vodíku parním reformingem zemního plynu nevzniká jiná odpadní látka než oxid uhličitý. Samotné vozidlo pak vypouští jen vodní páru,“ vysvětluje Aleš Doucek, vedoucí vývoje vodíkových technologií z výzkumného ústavu ÚJV Řež. Jasnou nevýhodou je ovšem strategická závislost na největších dodavatelích zemního plynu, jimiž jsou Rusko a politicky stabilní státy severní Afriky. Už proto se tato fáze považuje jen za odrazový můstek.

Bez jádra jen těžko

Druhou možností výroby vodíku je elektrolýza vody, k níž je zase třeba hodně elektřiny. Přesto se obecně považuje za perspektivní cestu. Státy severní Evropy mají rostoucí přebytky energie z větrných elektráren, na jižní polokouli bude podobná situace se sluneční energií.

U nás bohužel nemá velký význam ani jedno. „Česká republika na rozdíl od států severozápadní Evropy nedisponuje přebytky obnovitelné energie. Je to dáno především umístěním naší země na mapě světa – nad naším územím v srdci Evropy je velmi omezené proudění ve srovnání s přímořskými státy, které profitují z proudění vznikajícím pohybem mořských proudů. Dále v našem mírném podnebí nemáme toliko slunečního svitu, který se nabízí v oblasti středomoří, případně v tropickém a subtropickém pásmu. Pokud bychom chtěli vodík vyrábět elektrolýzou vody tak, abychom reálně saturovali významnou část spotřeby nejen v dopravě z jiného zdroje, než konverzí ropných látek nebo zemního plynu, neobejdeme se alespoň v České republice bez jaderné energie,“ shrnuje situaci Jiří Hájek, ředitel úseku vývoje a inovací ve výzkumně vzdělávacím centrum Unipetrolu.

S tím souhlasí i Aleš Doucek z ÚJV Řež a připomíná perspektivu jaderných reaktorů 4. generace, z nichž bude možné využít elektřinu i teplo pro účinnější tepelnou elektrolýzu vody.

Tady narážíme na daleko obecnější problém, že České republice 25 let od pádu komunismu chybí dlouhodobá energetická politika. Bez ní se ale neobejdeme ani v případě elektromobilů s bateriemi.

Vyzkoušeli jsme tři vodíkové automobily

Toyota Mirai

Mezi současnými vodíkovými modely je Toyota Mirai služebně nejstarší, na trh přišla v závěru roku 2015. Přestože některými vnějšími rysy odkazuje na prius, jedná se o zcela svébytně vyvinutý model. Je také podstatně delší – na délku měří 4890 mm a rozvor dosahuje 2780 mm. Složitý agregát dokázali konstruktéři vměstnat do nízké karoserie tak, že ho rozdělili na dvě části. Svazek článků s čerpadly je umístěn naležato pod předními sedadly, zatímco regulační elektronika má místo pod kapotou. Jednu vodíkovou nádrž najdeme pod zadními sedadly, druhou, menší v ochranném rámu pod podlahou kufru. Za zadními sedadly je pak umístěná baterie s kapacitou 1,7 kWh – díky dostatku prostoru zde stačí levnější a rozměrnější typ NiMH, jaký Toyota používá i v priusu nebo hybridním aurisu.

TEST Poprvé za volantem vodíkové Toyoty Mirai. Je tohle budoucnost?

Za jízdy mirai vyzařuje kouzlo nenucené stability dané rovnoměrným rozdělením hmotnosti na nápravy i nízkou stavbou karoserie. Pohon je příkladně tichý, nezvykle působí jen syčení vzduchu, které se na plný plyn ozývá od aparátu pod sedadly.

Mirai stojí v Německu těsně přes dva miliony korun, většina zákazníků dává přednost nájmu, který vychází v přepočtu na třicet tisíc měsíčně. V Evropě se prodalo 700 vozů, v USA necelých 3000.

Honda Clarity FC

Prototypů byla od 80. let celá řada, první komerčně nabízené vodíkové auto na světě ale uvedla Honda – model FCX Clarity z roku 2008. Stejně jako u dnešní Toyoty Mirai šlo od začátku do konce o specifický model. Loni uvedený typ přejmenovaný na Clarity FC naopak zapadá do stavebnice, na které bude založený i bateriový elektromobil a plug-in hybrid. Na mezinárodní prezentaci ve Vídni Honda ukázala flotilu vodíkových verzí s dánskými poznávacími značkami, ta však slouží pouze předvádění a internímu testování, zákazníci budou muset ještě pár let počkat.

TEST Za volantem vodíkové Hondy Clarity jsme vyzkoušeli budoucnost. Pro české chalupáře zatím…

Kvůli požadavkům na unifikaci s ostatními druhy pohonu jsou střeva uspořádána opačně než u toyoty. Celý svazek článků je umístěný pod kapotou, cestující sedí vpředu na akumulátoru, vzadu na vodíkových nádržích. Vysunutí těžkých hmot do převisů karoserie se skutečně podepsalo na jízdních vlastnostech, clarity má méně souvislé pohyby karoserie, více se zaklání a předklání. To je však jediné, co by jí mohl tradiční fanoušek Hondy vytknout. Veškerý další komfort je na výtečnou. Dojezd vypadá navzdory stejně objemným nádržím větší než u toyoty, v praxi jsme však dosahovali hodnot 400 až 500 km podle stylu jízdy.

Mercedes-Benz GLC F-Cell

Zatím nejnovějším přírůstkem vodíkové rodiny je sympatické střední SUV od Mercedesu, zvenku zcela konvenční auto. Uspořádání je zatím zcela neobvyklé. Vodíkové články zde doplňuje baterie nabíjená ze zásuvky, jde tedy o vodíkový plug-in hybrid. Výrobce tuto kombinaci obhajuje tím, že plnicích stanic je zatím málo a přidaných 50 km dojezdu se prostě hodí. A energie ze zásuvky se podle evropských norem považuje za bezemisní, takže ani tento „nevodíkový“ pohon autu nezhorší ekologický výkaz.

Mercedes-Benz GLC F-Cell zamíří s vodíkovými palivovými články na trh

Díky tomuto spojení také stačí méně výkonný a skladnější svazek článků. Vyvine 70 kW, o zbytek se postará elektřina ze sítě. V porovnání s japonskými sedany podává motor vyšší výkon 147 kW, což odpovídá nasazení do rozměrnějšího vozu. Úspornější pojetí prozrazuje pouze zadní pohon, menší objem nádrží i kratší dojezd. Podle odhadů výrobce však bude typickému uživateli 432 km stačit. Nám se líbí, že si tato zvláštní verze zachovává všechno, co dělá mercedes mercedesem: tichou jízdu, snadné ovládání i decentně luxusní interiér.

GLC F-Cell je komerčně nabízený model, vyrábět se však bude v omezených počtech a stejně jako ostatní vodíková auta poslouží výrobci hlavně jako ověřovací laboratoř. Vůz si můžete pouze pronajmout, bližší podrobnosti nejsou veřejně známy.