Přečtěte si: Publikace Elektromobilita v praxi: Jak se zorientovat na poli elektromobility
|
|
|
Přečtěte si: Publikace Elektromobilita v praxi: Jak se zorientovat na poli elektromobility |
 
        |
Drahý pokus, nebo vozidlo budoucnosti?18.12.2017 Mezi odbornou i laickou veřejností se stále více hovoří o „vodíkových automobilech“. Pro někoho je to lék na přetížené životní prostředí, pro jiného – snad pod vlivem vzpomínek na školní chemické pokusy – velmi nebezpečný experiment. Podívejme se zde nyní, zcela střízlivě a zároveň bez předsudků, na situaci a vývoj v oboru vodíkových, či přesněji, palivočlánkových vozidel, která jsou důležitou součástí elektromobility a jako všechno na světě mají své příležitosti i omezení. Vodík, palivový článek a „auta na kořalku“ Vodík, tento nejhojnější prvek ve vesmíru, lze mimo jiné využít také coby zdroj energie pro pohon vozidel, a to dokonce hned několika způsoby. Lze jej například přidávat do palivových směsí ve spalovacím motoru, případně jej přímo spalovat v plynovém motoru. Ovšem takový způsob využití vodíku je značně energeticky neefektivní. Mnohem zajímavější je vyrobit z vodíku v palivovém článku elektřinu, a tu potom dále využít pro pohon elektrických vozidel.
Schéma palivového článkuFungování palivového článku je dobře patrné z obrázku výše. Na anodě se odštěpují z vodíku volné elektrony, které při průchodu vnějším obvodem vytvářejí elektrický proud. Kationty vodíku procházejí elektrolytem a na katodě se slučují se vzdušným kyslíkem a s elektrony z vnějšího obvodu za vzniku vodní páry. Existují různé druhy palivových článků s různými elektrolyty i prvotním vstupním médiem (palivem), od čehož se odvíjejí jejich provozní vlastnosti a oblasti využití. Na vstupu do energetické jednotky palivočlánkového vozidla je nejčastěji chemicky čistý vodík a elektrolytem je protonvýměnná membrána (PEM). Tato technologie představuje „mainstream“ u palivočlánkových dopravních prostředků. Není však jediná. Například dánský výrobce Serenergy testuje pro pohon elektrických dopravních prostředků tzv. reformní metanolový palivový článek. Palivem je směs metanolu a vody. Z ní vzniká při tzv. reformování za vysoké teploty vodík, ze kterého se dále v palivovém článku s PEM vyrábí výše popsaným způsobem elektřina. Japonská automobilka Nissan zkouší pro změnu palivový článek typu SOFC známý spíše ze stacionárních aplikací, který používá jako elektrolyt keramickou hmotu složenou z pevných oxidů, nejčastěji oxidů zirkonu a ceria. Na vstupu má tento pohon směs etanolu s vodou - jde tedy téměř doslova u „auto poháněné kořalkou“. Vodík zde opět vzniká reformováním. Provoz palivových článků využívajících na vstupu ten, či onen líh není plně bezuhlíkový - na výstupu je vždy vodní pára a oxid uhličitý. Protože však líh vzniká kvašením rostlin a jejich částí, které při svém růstu oxid uhličitý spotřebovaly, je celý proces uhlíkově neutrální. Odkud se bere vodík a kolik stojí? Celosvětově se dnes většina vodíku (cca 95 %) vyrábí z fosilních paliv (parním reformingem zemního plynu, parciální oxidací nižších uhlovodíků a jako vedlejší produkt při zkapalňování či zplyňování uhlí). Všechny tyto procesy jsou doprovázeny výraznými emisemi oxidů uhlíku. Tímto způsobem nicméně vzniká vodík především jako odpadní surovina v chemické výrobě a případný provoz palivočlánkových elektrických vozidel pak není příčinou jejich vzniku. Jedná se vlastně o využití odpadu či druhotných surovin pro energetické účely. Současně ve světě existuje celá řada projektů zaměřených na provoz palivočlánkových vozidel, kdy je vodík vyráběn pomocí elektrolýzy štěpením vody za využití „zelené“ elektřiny z obnovitelných zdrojů energie. Uhlíkové emise se pak v celém řetězci od výroby k pohonu blíží nule a bývají zatíženy pouze požadavky na kompresi vodíku při tankování. Energetická účinnost celého takového procesu je nevalná, ale vzhledem k tomu, že prvotní energie je zde zdarma, není to v tomto případě rozhodující. Jak se říká: Pán bůh není dobrý energetický manažer… Nezbytnou podmínkou provozu palivočlánkových vozidel je samozřejmě vodíková plnicí infrastruktura. Zatímco na západ od našich hranic nejsou vodíkové plnicí stanice výjimkou, v ČR je zatím jediná, a to v Neratovicích, kde vznikla jako součást českého projektu TriHyBus (viz foto). Časy se však mění. Palivočlánková elektromobilita je nedílnou součástí Národního akčního plánu čisté mobility. Na základě zpracovaných studií se u nás předpokládá do roku 2025 vybudování dvanácti vodíkových plnicích stanic. A jak je to s cenou vodíku? V rámci zmíněného českého projektu TriHyBus se počítá s cenou 120 Kč/kg. Při průměrné spotřebě palivočlánkového automobilu kolem 1 kg/100 km bychom se tedy s jednotkovou cenou paliva za těchto předpokladů pohybovali zhruba kolem poloviny nákladů na benzín či naftu.
TriHyBusPalivočlánkové auto – malý Hindenburg? Vodík je bezesporu velmi výbušný plyn, je však také extrémně lehký. To má některé důsledky pro bezpečnost palivočlánkových vozidel: Pokud by vodík náhle uniknul do otevřeného prostoru, například při dopravní nehodě, nestane se prakticky nic. Vodík se okamžitě rozptýlí v ovzduší dřív, než by stačil explodovat. Bezpečnostní riziko by mnohem spíše mohly představovat drobné úniky vodíku v pohonném systému vozidla, pokud by vedly k vytváření „vodíkových kapes“ v uzavřeném prostoru. Na to je pamatováno při konstrukci palivočlánkových technologií a jejich kontrolních a řídicích systémů. Není se tedy třeba obávat, že by každé palivočlánkové auto bylo takovou „malou vzducholodí Hindenburg“, neustále hrozící katastrofou pro svoji osádku a široké okolí. Mnohem spíše se může stát, že přepečlivá vozidlová elektronika uzavře přívod vodíku i při banální mechanické závadě, jaká se nevyhne ani běžným sériovým vozidlům. Palivočlánkový automobil dobývá svět Palivočlánkové osobní a užitkové automobily dnes zvolna přicházejí do nabídek významných světových automobilek, z nichž za největší tahouny trhu lze v současné době považovat značky Hyundai a Toyota. Své prototypy ale představily i další automobilky. Vedle zmíněného Nissanu také například Honda, BMW nebo Daimler. Palivočlánková energetická jednotka se u pohonu osobního automobilu používá buďto jako hlavní zdroj elektřiny (obvykle o výkonu řádově desítek kilowatt) doplněný trakčními bateriemi pro vyrovnávání výkyvů v okamžité potřebě energie, nebo jako několikakilowattový prodlužovač vzdálenosti k bateriovému elektromobilu. Příkladem prvního řešení je palivočlánkový osobní vůz Hyundai ix-35 nebo Toyota Mirai. Příkladem druhého řešení je užitkový vůz Renault Kangoo ZE-H2. Palivočlánkové osobní automobily používají (s výše uvedenými výjimkami) čistý vodík o tlaku 70 MPa, tedy dvojnásobném oproti tlaku používaném u palivočlánkových autobusů nebo jiných těžkých vozidel. To umožní uložit do nádrží větší objem paliva, je to však náročnější na použité materiály, a tím i nákladnější. Dojezd palivočlánkových automobilů se zpravidla pohybuje kolem 400 – 600 km na jedno naplnění nádrže, které trvá řádově jednotky minut. To je srovnatelné s tradičním pohonem využívajícím spalovací motor. V případě užitkových automobilů se dojezd pohybuje kolem 300 km, je tedy plně dostačující pro denní městský provoz. Dosavadní zkušenosti ukazují na poměrně vysokou provozní spolehlivost těchto vozidel. Počty palivočlánkových automobilů ve světě se dnes pohybují odhadem ve stovkách a poptávka roste. Palivočlánkové automobily se dnes typicky používají jako služební vozidla pro organizace veřejné správy a městských služeb – příkladem je park patnácti palivočlánkových automobilů Hyundai v Kodani nebo deseti vozů Toyota ve službách skotského města Aberdeenu. Začínají se využívat také v taxislužbě nebo pro carsharing jako například projekt BeeZero v Mnichově. Mezi jednotlivými uživateli je o ně zájem především v USA a v Japonsku. Cenová strategie palivočlánkových vozů je podle dosavadních informací směřována nejprve na cenovou úroveň dnešních luxusních elektromobilů. Postupně se ceny těchto vozidel přibližují běžným bateriovým elektromobilům. V převážné většině jsou však dnes tato vozidla dodávána pouze na leasing. Tomu jsou přizpůsobovány i dotační nástroje v zahraničí, které podporu leasingu umožňují. Palivočlánkový autobus – bez emisí a bez omezení dojezdu Palivočlánkové autobusy jsou jedním z důležitých vývojových směrů v oblasti bezemisní městské mobility. Podobně jako palivočlánkové osobní automobily spojují výhody lokálně bezemisního provozu elektrických vozidel a dojezdu na jedno naplnění nádrže či nabití baterií dostačujícího pro celodenní provoz. Palivočlánkových autobusů jezdí dnes po Evropě, USA a Kanadě desítky až stovky a poptávka, podobně jako u palivočlánkových osobních automobilů, rychle roste. Samostatnou kapitolou je nenasytný asijský, především čínský trh. Nabídka technických koncepcí palivočlánkových jednotek pro autobusy sahá od cca 100 a více kilowattového palivového článku jako hlavního zdroje energie, doplněného slabšími bateriemi pro vyrovnávání výkyvů ve spotřebě, po převážně bateriové elektrobusy doplněné palivočlánkovými prodlužovači dojezdu. Na rozdíl od osobních automobilů používajících vodík o tlaku 70 MPa, si palivočlánkové autobusy, podobně jako jiná těžká palivočlánková vozidla, zpravidla vystačí s tlakem polovičním, tedy 35 MPa. To omezuje jejich dojezd na jedno naplnění nádrže, zároveň to však klade menší nároky na kompresi vodíku i na konstrukci nádrží. Pohon je obvykle řešen tak, aby autobus na jedno naplnění ujel cca 300 km, což je dostačující pro celodenní provoz s nočním naplněním. Palivočlánkové autobusy jsou relativně nejdražšími elektrickými autobusy. Je u nich však také patrný nejrychlejší pokles jednotkových nákladů v důsledku technického vývoje a ekonomie z rozsahu. Cílem rozvojových projektů je přiblížit cenu palivočlánkového autobusu ceně čistě bateriového elektrobusu. Ta se dnes pohybuje na úrovni cca dvoj- až trojnásobku ceny dieselového autobusu. Plíživě tichý kalifornský kamion Palivočlánkové pohony jsou lákavé i pro rozvoz zboží těžkými nákladními automobily v hustě osídlených oblastech. Důkazem je připravovaný projekt palivočlánkového kontejnerového trucku Kenworth pro Los Angeles. Elektromotor zde bude pohánět přes automatickou čtyřstupňovou převodovku zdvojenou zadní nápravu tahače. Jako zdroj energie budou sloužit lithium-iontové trakční baterie, doplněné 85kW palivočlánkovou jednotkou. Lithium iontové baterie zajistí vozidlu dojezd cca 50 km. Zásoba vodíku bude dimenzována tak, aby na jedno naplnění nádrží vozidlo zvládlo celodenní provoz. Co z toho plyne pro české provozovatele vozidel? Autor tohoto článku měl tu čest se v říjnu 2017 zúčastnit diskuse u kulatého stolu, organizovaného časopisem Fleet. K využívání palivočlánkových vozidel ve vozových pracích zde uvedl zhruba toto: „Nemohu vám radit, abyste si pořídili palivočlánkové automobily, protože pro ně prozatím není vodíková infrastruktura a protože jsou drahé. V blízké či vzdálenější budoucnosti se vám však může naskytnout příležitost zapojit se do rozvojového projektu, který bude palivočlánková vozidla zkoušet v praktickém provozu. Nebojte se takových projektů, může to být velmi zajímavá zkušenost. Konečné rozhodnutí je přitom samozřejmě na vás.“ A s tímto konstatováním lze uzavřít i tento článek. Obrázek a foto © redakce Proelektrotechniky.cz
|
|
Naše tipy |
|
Copyright © 2012 – 2024 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services |
| |
Přečtěte si také:
