Budeme jezdit na vodu

PAVEL VACHTL  |  Auta
Ford Airstream bude pohánět elektromotor napájený z palivových článků i lithium-iontové baterie.

Testují se už i experimentální, tzv. extrémní hybridy, které dosahují hodnot efektivity od 63,7 kilometru na jeden litr paliva až po 127,5 kilometru na litr.Během příštích 20–40 let tedy musíme v globálním měřítku přejít na „chytřejší“, případně „čistší“ způsoby využívání energie. Většina z nás se dočká aut, která budou mít jiné pohony a úspornější režimy provozu než doposud.

Spalovací motory, tepelné stroje i fosilní paliva – to vše nám sloužilo dlouhou dobu, avšak z důvodů předpokládaného ubývání zdrojů a růstu cen tradičních paliv se musíme ohlížet po jiných zdrojích energie.Alternativ v počátečních stadiích rozvoje se dnes nabízí mnoho. Situace je nepřehledná – doposud není zcela jasné, který systémový trend nakonec převládne a stane se novým univerzálním standardem.

Hybridy ukazují cestu

Někdy se více druhů paliv či pohonů sejde v jednom zařízení – pro tuto situaci se vžil název hybrid. Hybridní prostředky jsou v současnosti klíčové, protože představují pokrok oproti současným formám využívání a přeměn energie, jednak představují spojitý mezičlánek, který nás může postupně zavést k budoucímu „druhému břehu“, ať už půjde o elektromobily a elektrické pohony nebo o systémy s palivovými články. V oblasti silniční dopravy jde konkrétně o hybridy s tzv. rekuperací energie při brzdění, které obsahují jak spalovací motor, tak elektromotor plus akumulátor. Symbolem této oblasti jsou dnes např. úspěšné série Toyoty Prius nebo Hondy Civic Hybrid, které se v USA prodávají za cenu kolem 24 000 USD a které dosahují efektivity asi 50 MPG (Miles per gallon), což je ekvivalentní dojezdu zhruba 21 km při spotřebě energie skryté v 1 litru běžného paliva. V současnosti se už počty hybridů na světových silnicích začínají počítat na miliony. Dalším logickým krokem, jsou tzv. plug-in hybridy, kdy může být akumulátor automobilu dobíjen nejen spalovacím motorem, ale také před jízdou ze sítě, z elektrické zásuvky. Kritickým bodem je zde hlavně pokročilost akumulátorů – což se promítá do zatím citelně vyšší ceny hybridního či 100% bateriového elektrického auta. Momentálně i zde nastupují lithiové akumulátory, ale čeká se na další pokrok, např. realizovaný prostřednictvím nanotechnologie.

Také je otevřena alternativní cesta přes ultrakapacitory (dvouvrstvé kondenzátory, shromažďující značné objemy elektrické energie). Symboly oblasti plug-in hybridů jsou zejména připravované typy General Motors Chevrolet Volt (2010, uvažovaná cena 30 000 USD, navíc s využíváním více druhů paliva, tzv. systém e-fl ex či fl ex-fuel), General Motors Saturn Vue a plug-in verze Toyoty Prius. Pro silniční plug-in hybridy je „magickou“ metou jízdní efektivity hodnota 100 MPG (42,5 km/l), které má být brzy u sériových typů dosaženo. To je oproti parametrům dnešních běžných vozů (asi 8–12 km/l) citelný pokrok.Testují se už ovšem i experimentální, tzv. extrémní hybridy, které dosahují hodnot efektivity 150 MPG (tedy 63,7 km/l jako u XH-150 od AFS Trinity, s ultrakapacitory) a přes 300 MPG (127,5 km/h plug-in hybrid Aptera).Zároveň se zlepšují i ostatní parametry hybridních vozů, jako jsou akcelerace, maximální rychlost či dojezd na jedno nabití akumulátoru, který činí již běžně kolem 100 km, při využití obou pohonů přes 400 km.

Jak sytit elektromotory

Elektrická energie ze sítě je oproti tekutým dopravním palivům stále cenově výhodná a celková ekologická zátěž provozu hybridů a elektromobilů je také relativně menší, zejména je- li elektřina vyráběna v jaderných elektrárnách. Dokonce i při její produkci v uhelných tepelných elektrárnách je obecně výhodnější provozovat hybrid či elektromobil než auto se spalovacím motorem. Cenou za to je nutnost investic do nové a složitější technologie. Až však bude ekonomicky průchodné vyrábět 100% elektromobily, technologie se opět zjednoduší – elektromobil obsahuje málo pohyblivých částí, např. se obejde bez převodovky. Jedním z účinných způsobů skladování elektřiny jsou palivové články.

Palivové články

Palivové články (fuel cells, FC) se obecně vyznačují asi dvojnásobnou účinností přeměny paliva na elektrickou energii, než mají spalovací motory (někde mezi 40 a 80 %).

Většina palivových článků pracuje za poměrně nízkých teplot – odpadají tak tepelné ztráty. V principu v nich jde o chemickou reakci typu vodík + kyslík (z atmosféry) = > elektrická energie (pro elektromotor) + odpadová voda. Jde tedy o proces inverzní k elektrolýze. Masové nasazení FC v dopravě se však asi v nejbližší době bohužel konat nebude. Původní nadšení bylo výrazně utlumeno, přestože bylo dosaženo technologického pokroku u experimentálních vozů.Výraznou komplikací jsou např. drahé katalyzátory (platina, ruthenium), se kterými se v této oblasti pracuje.Problematická bývá i cena a životnost FC a také otázka, jak levně vyrábět a distribuovat potřebné palivo. Navíc elektromobily a zejména spalovací hybridy jsou jim zatím zdatnou konkurencí – jezdí jich po světě zhruba tisíckrát více než vodíkových FC speciálů.

Netřeba nalévat vodík

Naštěstí nejsme u palivových článků odkázáni výhradně jen na vodík.Lze si ho vyrobit i přímo za chodu palivového článku, a to z nějakého „méně přímého“, ale obvyklejšího paliva. Slabinou nevodíkových paliv a článků je zpravidla menší specifi cký výkon i menší energetická hustota na jednotku hmotnosti. Výhodou však je to, že jsme zde většinou méně závislí na konkrétním druhu paliva, což může být pro prosazení celé technologie FC klíčové. Už existuje experimentální reformér, který umí vyrábět vodík skoro z jakéhokoli kapalného uhlovodíkového paliva včetně rostlinných olejů, zemního plynu, glycerolu a bionaft y (firma InnovaTek). Také probíhá intenzivní výzkum článků typu SOFC či MCFC, se kterými se počítá pro hybridní energetické jednotky, zvládající kogeneraci vodíku, elektřiny a tepla, patrně se spřaženou plynovou turbínou. Jejich vysoká pracovní teplota (až 1000 stupňů Celsia) přináší nutnost dlouhého startu, což je nevhodné pro dopravní prostředky. Jejich výhodou je možnost použití více druhů paliv, včetně „méně ušlechtilých“ (metan, uhelný a zemní plyn, odpadní plyny z chemiček, bionaft a) a malá citlivost vůči nečistotám. Momentálně se testují na této bázi minielektrárny s výkonem několika MW, v dlouhodobých plánech jsou bloky o výkonu stovek MW. Slibný je vývoj v oblasti přímých metanolových/etanolových článků (DMFC), ty však zatím podávají menší výkony a hodí se hlavně jako zdroj energie pro lehkou mobilní elektroniku.

Zapojme „přírodu“

Poměrně časté jsou snahy vyrábět vodík přímo u čerpacích stanic pomocí slunečních panelů (Honda). Trochu exoticky mohou působit postupy, které pro generování vodíku, bionaft y, metanolu nebo etanolu využívají metabolismu geneticky změněných mikrobů, planktonu či řas. Tyto organismy jsou „krmeny“ většinou biomasou, celulózou či odpadními vodami, za event. působení světla -tedy fotosyntetického mechanismu.

Nelze však vyloučit, že i toto může být potenciálně způsob, který nás jednou zachrání před energetickou krizí. Vždy, když se do procesu produkce energie či energetického paliva zapojí „přírodní síly“, vyjde to pro nás mnohem výhodněji. Zcela vážně se proto testují i palivové články s mikroby uvnitř či palivové články schopné získávat energii z glukózy v lidské krvi.

Auto na vodu

V polovině června tohoto roku přinesla agentura Reuters chytlavou zprávu, že poměrně neznámá japonská firma Genepax vyvinula auto s palivovým článkem „poháněným“ vodou. Tuto zprávu přinesly i některé odborné technologické a ekonomické servery.

Stejně jako v případě podobných zpráv z minula a „zaručených“ návodů z internetu, je zde namístě skepse a ostražitost. Pomocí celkem jednoduché logiky můžeme zjistit, že v jakémkoli procesu nemůže být jediným vstupním palivem to, co je v něm zároveň odpadem, tedy látkou, která se nachází na „konečné“. A tou odpadní látkou je v případě palivových článků právě – voda.Nicméně reálné palivové články, využívající vodu, kupodivu skutečně existují.Pro mobilní telefony je připravují např. firmy Samsung a NTT Docomo ve spolupráci s Aquafairy.

Na podobném principu asi budou fungovat i nouzové energetické zdroje do terénu (HydroPak), které nabízejí firmy Horizon Fuel Cell a Millennium fuel. V tomto případě se spíše mluví o „vodou aktivovaných“ palivových článcích. Jak to asi funguje? Ve velké části případů jde o bouřlivou reakci vody a reaktivního kovu (lithium), popřípadě jeho hydridu, popř. ještě o účast speciálního katalyzátoru (rhenium) nebo sloučenin zvaných organosilany. Tato speciální směs je dodávána v kartridžích, které pak reagují s vodou asi jako nějaký vodíkový „šumák“. Technologickou „vychytávkou“ pak může být to, aby byl uvolněný vodík do článku dodáván postupně a plynule. Čili i tyto články jsou pokračováním trendu „vodík nemusíme tankovat, vyrobíme si ho“. Pro tuto výrobu potřebujeme činidlo, které se samo stává palivem.

Druhy palivových článků Dnes se používá či testuje asi 6–7 základních typů palivových článků, podle typu elektrolytu:

  1. alkalické – AFC
  2. s fosforečnou kyselinou – PAFC
  3. s tuhým keramickým oxidem – SOFC
  4. s elektrolytem s roztavenými karbonáty – MCFC
  5. s pevným polymerním elektrolytem/ membránou pro přestup protonů -PEMFC, ty mají pracovní teplotu „jen“ asi 80 stupňů Celsia
  6. s reakcí zinek-vzduch – Zinc-Air FC či jinými hořícími kovy
  7. palivové články s přímým vstupem metanolu/etanolu jako paliva. Nepotřebují vodík a nemusejí mít na vstupu ani tzv. reformér, který konvertuje primární palivo na vodík. Vodík je „vytažen“ z molekuly metanolu či etanolu při kontaktu s katalyzátorem na anodě. Odpadními produkty jsou oxid uhličitý a voda. V r. 2006 byl experimentálně vyvinut speciální palivový článek, kterému jako palivo stačí roztok dřevěného uhlí (University of Hawaii). I některé další typy palivových článků se mohou obejít bez vodíku na vstupu. Jde např. o typy MCFC a SOFC, ty se ovšem nehodí pro dopravní prostředky, spíše pro stacionární použití.Elektromobily a spalovací hybridy jsou zatím zdatnou konkurencí – jezdí jich po světě zhruba tisíckrát více než vodíkových speciálů. Důvody pro nevodíková paliva ve FC
  8. Manipulace s vodíkem je poměrně složitá, rovněž transport a skladování (vodík rád uniká i z běžně uzavřených nádrží, kde je zkomprimován při tlaku až 70 MPa/megapascalů).
  9. Vodík není primárním přírodním palivem, musí se vyrobit, nejčastěji pomocí tzv. reformace páry za působení uhlovodíků (metan, uhlí), elektrolýza vody je mimo laboratorní podmínky spíše nehospodárná. Je tedy energetickým médiem, nikoli zdrojem. Primární závislosti na fosilních palivech se tedy tímto nemusíme zbavit. 3. Chybí hustá infrastruktura výroby a rozvozu vodíku. Síť čerpacích stanic je zatím ve světě skromná. Na světě je nyní něco kolem 200 čerpacích stanic na vodík, z toho asi jedna pětina v Kalifornii. Poptávka není zatím velká, automobilů na vodík je na světě jen několik tisíc.

Zcela vážně se proto testují i palivové články s mikroby uvnitř či palivové články schopné získávat energii z glukózy v lidské krvi.

Nejčtenější