Auto na vodík si zatím koupit nemůžete. Pokud však žijete v Kalifornii, můžete si jej pronajmout. Nespotřebovává benzín. Neznečišťuje ovzduší. Výfuk se skládá pouze z páry. Tajným palivem je vodík. Je to nejjednodušší a nejhojnější prvek ve Vesmíru. Někteří odborníci se domnívají, že za 20 až 30 let budeme všichni řídit tato úsporná vozidla.
Myšlenka není nová. Technologie využití vodíku k výrobě energie se datují do první poloviny 19. století. Je starší než auto samotné. Novinkou je, že se na silnicích objevují auta na vodíkový pohon. Místo zapáchajících plynů vychází z výfukového potrubí pára. Dnes existuje několik aut na vodíkový pohon. Většina z nich jsou koncepční vozy. Mezi tato ekologicky šetrná vozidla patří Chevrolet Equinox. BMW 745h je dalším příkladem. Honda FCX je model, který je v současné době k dispozici k pronájmu v Kalifornii.
Možnost vytvoření vodíkového auta poskytuje palivový článek. Přeměňuje vodík na elektřinu. Jedinými vedlejšími produkty jsou teplo a voda. Protože vodík neznečišťuje životní prostředí, jeví se jako ideální palivo pro 21. století. Mnoho lidí ve vládě a automobilovém průmyslu je nadšeno z jeho potenciálu. Vodíková vozidla mají potenciál pro vysokou účinnost paliva. Nabízejí naději na ekologickou a ekologickou jízdu.
“Pokud nežijete ve velmi specifických částech země a nemáte kapsy vystlané hotovostí, neočekávejte, že během příští dekády uvidíte ve své garáži vodíkové auto.”
Stále existuje mnoho problémů, které je třeba vyřešit. Než se vodík stane hlavním palivem, je třeba odpovědět na řadu otázek. Mělo by to mít významný dopad na naše současné využívání fosilních paliv. Odkud například získáme vodík? Jak drahé budou tato úsporná auta při nákupu? Dokážete najít vodní stanici, kde si naplníte nádrž? A možná to nejdůležitější: Je vodík jako palivo skutečně tak bez znečištění, jak se zdá?
Na tyto otázky se podíváme na následujících stránkách. Ale právě teď vám můžeme dát jednu rychlou odpověď. Pokud nežijete ve velmi specifických částech země a nemáte kapsy nacpané hotovostí, nečekejte, že během příští dekády uvidíte ve své garáži auto na vodík.
Vodíkové palivové články
Sir William Robert Grove nevynalezl jen zařízení. Obrátil fyziku naruby. V roce 1839 vzal velšský vědec proces elektrolýzy – pomocí elektřiny rozštěpil vodu na vodík a kyslík – a postavil jej na hlavu. Elektřinu a vodu získával z vodíku. Nazval to „plynový voltaický článek“. Říkáme tomu vodíkový palivový článek.
O desítky let později Francis Bacon zdokonalil technologii. Právě tento vynález se stal srdcem moderních vodíkových aut.
Od vesmírných kapslí po městské ulice
Na počátku 60. let vytvořila společnost General Electric první praktický systém. Poháněl vesmírné kapsle na oběžné dráze. V 90. letech již palivové články poháněly městské autobusy. Možnost jejich použití nebyla odhadem. Bylo to prokázáno.
Představte si palivový článek jako baterii s komplexem nadřazenosti. Baterie ukládá palivo uvnitř. Palivový článek vyžaduje doplnění paliva. Jeho palivem je vodík. Toto je nejjednodušší prvek. Jeden elektron. Jeden proton.
Prvek vyrábí energii oddělováním elektronů od protonů. Tyto elektrony proudí jako čistý elektrický proud. Ionizované atomy vodíku se setkávají s kyslíkem. Tvoří vodu. Dalším vedlejším produktem je teplo. Tato voda obvykle vychází jako pára.
Nulové výfukové emise. Jedete – vydechujete páru.
Mechanika PEM
Auta používají určitý typ prvku. Palivový článek s polymerovou membránou. Je to světlo. Je kompaktní.
Má dvě elektrody. Anoda se záporným nábojem. Katoda s kladným nábojem. Katalyzátor. A membrána.
Vodík přichází ve formě molekul H2. Dva atomy vodíku spojené dohromady. Katalyzátor na anodě přeruší vazbu. Získáte vodíkové ionty (protony) a elektrony. Ionty procházejí membránou. Elektrony nemohou. Jsou nuceni jet oklikou.
Tento bypass je zdrojem energie. Toto vlákno používáte k práci.
Kyslík vstupuje do katody. Protony a elektrony se tam znovu spojují. Spojují se s kyslíkem. Tvoří se voda. Většina z toho se stává výfukem.
Prvky jsou ploché. Tenký. Jsou naskládané. Více prvků v zásobníku znamená vyšší napětí. Jednoduchá matematika.
Iniciativa pro palivo zdarma
Energeticky účinná vozidla, jako jsou vozidla s vodíkovými palivovými články, byla široce považována za odpověď na energetické potřeby 21. století. V roce 2003 toto přesvědčení vyjádřil prezident George Walker Bush. Oznámil iniciativu Free Fuel Initiative s rozpočtem 1,2 miliardy dolarů.
co je cílem? Podpora vývoje palivových článků.
Oproti fosilním palivům mají dvě hlavní výhody. Za prvé, olej není vyčerpán. Udržujeme stávající zásoby. Snižujeme závislost na zahraniční ropě.
Za druhé, znečištění klesne na nulu. Jedinými vedlejšími produkty jsou teplo a voda. Emise uhlíku z automobilů souvisí s globálním oteplováním. Palivové články se do tohoto seznamu nepřidávají.
Na další stránce se podíváme na výrobu. Jak se tato auta staví. A co je důležitější, odkud pochází vodík?
Výroba vodíkových aut není žádná velká věda. Moc se to neliší od sestavení běžného auta se spalovacím motorem. Zásadní změny se samozřejmě dotknou pohonné jednotky a elektrické architektury. Sada palivových článků vyrábí elektřinu spíše než spalování paliva. To znamená, že pohonné ústrojí má více společného s akumulátorovým elektromobilem než s tradičním sedanem.
Skutečným úzkým hrdlem nejsou montážní linky, ale samotné palivo.
Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Tvoří asi 90 % všech atomů. Člověk by si myslel, že získat to bude triviální. Ale to není pravda. Vodík je také nejlehčí prvek. Jakýkoli volný vodík na povrchu Země nezůstává na místě: uniká do vesmíru. To, co na planetě zůstává, je propojeno ve spojeních. Nejčastěji se jedná o molekuly vody (H2O). Voda pokrývá povrch naší planety. A je toho hodně.
Jak tedy oddělíme molekuly H2O? Nebo mám hledat zdroj jinde?
Metoda elektrolýzy
Nejjednodušší cestu objevil před více než 150 lety sir William Grove. Elektrolýza. Průchodem elektrického proudu vodou se molekuly H2O rozkládají. Tento proces je opakem toho, jak funguje palivový článek. Využívá anodu a katodu, obvykle vyrobené z inertních kovů.
Když proud ovlivňuje vodu:
– Vodík se shromažďuje na katodě.
– Kyslík se shromažďuje na anodě.
Proces je pomalý. Ale je to škálovatelné. Může být prováděn v průmyslovém měřítku. Je čisté, pokud elektřina pochází také z čistých zdrojů.
Zkratka přes zemní plyn
Existuje i jiný způsob. Zemní plyn. Skládá se z uhlovodíků. Parní reformování extrahuje vodík z tohoto plynu a zanechává uhlík. Toto je v současné době dominantní metoda výroby vodíku v průmyslovém měřítku. Je pravděpodobné, že tato metoda bude první, která bude použita pro pohon první vlny vozidel s palivovými články.
Má to ale háček. Parní reformování je založeno na fosilních palivech. Pokud je cílem zastavit spalování fosilních paliv, pak je použití zemního plynu k výrobě vodíku ironií. To je možná nejhorší možný zdroj zeleného paliva.
Továrny o velikosti garáží a auta na vodní pohon
Někteří odborníci sní o miniaturních vodíkových rostlinách. Takový, který se vám vejde do garáže. Nebudete muset navštěvovat čerpací stanici. Prostě doma natankujete.
Nejradikálnější verze této myšlenky zahrnuje provádění elektrolýzy přímo v autě. Auto, které jezdí na vodu. Zní to jako sci-fi. To ale vyžaduje energii. Elektřina pro elektrolýzu musí odněkud pocházet. Z baterie. Vůz jedoucí na vodu tedy stále potřebuje pravidelné dobíjení. Nejedná se o perpetum mobile. To je jednoduše přesunutí zdroje energie z plynového čerpadla do zásuvky ve zdi.
Cesta před námi
Budou tato ekologická auta budoucností? Mnozí v to doufají. Ale cesta ke světu poháněnému vodíkem je plná potenciálních překážek. Výrobní náklady. Mezery v infrastruktuře. Ztráta účinnosti.
Na tyto problémy se podíváme v další části.
Nevýhody vodíkových aut
Pořád slyšíš ten humbuk. Vodíkové palivové články jsou často zobrazovány jako „svatý grál“ udržitelné dopravy. Zní to čistě. To zní efektně. To zní jako budoucnost. Realita je ale mnohem složitější. K tomu, aby tato auta ovládla silnice, nás dělí ještě desítky let. Překážky nejsou jen technické. Jsou ekonomické, logistické a upřímně řečeno pro zastánce této technologie trochu trapné.
Tyto poruchy můžeme rozdělit do tří kategorií. První jsou peníze. Hodně peněz. Druhým je fyzika ukládání plynu, který odmítá zůstat na jednom místě. A třetí je nepříjemná pravda o tom, odkud tento vodík vlastně pochází.
Infrastrukturní noční můra a cenovka
Pojďme se bavit o dolarech. Kdybyste si dnes koupili auto na vodík, neměli byste ho kde natankovat.
Infrastruktura pro tankování prakticky neexistuje. Kalifornie je výjimkou. Guvernér Arnold Schwarzenegger tuto oblast svého času aktivně propagoval, proto se tam nacházejí čerpací stanice. V jiných regionech? Zkuste najít benzínovou pumpu. Je to jako hledat jehlu v kupce sena.
Vytvoření takové sítě není levné. Pesimistické odhady odhadují náklady na národní infrastrukturu na 500 miliard dolarů. A nejde o víkendový projekt. Může trvat čtyři desetiletí, než se to podaří.
Pak je tu samotné auto.
Palivové články používají jako katalyzátor platinu. Platina je drahá. Velmi drahé. Cena jednoho vozu přesahuje 100 000 USD. Některé odhady jsou ještě vyšší. Proto je nekupují. Jsou pronajaté. A to jen na některých trzích. Průměrný kupující si to nemůže dovolit.
Vědci hledají levnější katalyzátory. Víme, že existují v laboratořích. Nikdo neví, kdy budou rozšířeny pro sériovou výrobu. Do té doby zůstává bariérou vysoká cena.
Problém fyziky ukládání
Vodík je plyn. Rozšiřuje se. Snaží se vyplnit každý dostupný krychlový palec. Stlačit to do nádrže auta je pro inženýry bolest hlavy.
Ale je tu také tepelný problém, který většině lidí uniká. Když je vodík v nádrži zaparkovaného auta, zahřívá se. Plyn expanduje. Tlak stoupá. Nádrž musí uvolnit přebytečný vodík, aby nedošlo k prasknutí.
Nechat auto na pár dní zaparkované? Možná zjistíte, že je nádrž prázdná. Všechno to palivo uniklo, protože ho vytlačila fyzika tepelné roztažnosti. Není to jen neúčinné. To je bezpečnostní riziko.
Vodík je hořlavý. Pamatujete na katastrofu vzducholodě Hindenburg ve 30. letech 20. století? Tento výbuch byl pravděpodobně požárem vodíku. To je důvodný strach.
Existuje však dobrá stránka. Požáry vodíku hoří při nižší teplotě než požáry benzínu. Je méně pravděpodobné, že způsobí sekundární exploze. A protože vodík je lehčí než vzduch, stoupá. Pokud unikne, rychle se rozptýlí. Nehromadí se na zemi jako benzín. Riziko výbuchu na úrovni země je tedy nižší. Nebezpečí úniku však zůstává neustálým technickým problémem.
Paradox znečištění
To je hlavní otázka. Je vodík skutečně zelený?
Výfukové potrubí říká ano. Jedinými emisemi z palivového článku jsou teplo a voda. Čistě. Perfektní. Krásný.
Ale podívej se na zdroj. Vodík je potřeba někde vyrábět.
Většina vodíku se vyrábí ze zemního plynu. Tento proces, nazývaný parní metanové reformování, uvolňuje oxid uhličitý. Fosilní paliva používáme k vytvoření „čistých“ paliv. To maří samotný účel.
Pak je tu elektrolýza. Rozdělení molekul vody pomocí elektřiny. Pokud tato elektřina pochází z uhelné elektrárny, jednoduše přenášíte znečištění z auta do sítě. Nevyloučíš to. Prostě to posuneš.
Důležitý je životní cyklus emisí. Pokud je energie k výrobě paliva špinavá, pak je špinavé i palivo.
Alternativa v podobě hybridů
Optimisté říkají, že tyto problémy vyřešíme. Prý se objeví infrastruktura. Ceny budou klesat. Skladování se stabilizuje.
Termíny jsou ale dlouhé. Desítky let, ne roky.
Mezitím máme lepší možnosti pro okamžité zvýšení efektivity. Hybridní elektrická vozidla již existují. Pracují. Jsou cenově dostupné. Dnes si je můžete koupit.
Toyota Prius. Ford Fusion Hybrid. Tato vozidla nevyžadují novou infrastrukturu. Nejsou závislé na vzácných kovech, jako je platina, za přemrštěné ceny. Tepelnou roztažností neztrácejí palivo do atmosféry.
Pragmatickou volbou jsou prozatím hybridy. Vodík může zůstat cílem vzdálené budoucnosti. Cestu tam ale blokuje fyzika, politika a čistá ekonomie.
Pokračujeme v čekání na vodíkový úsvit. Může to přijít. Ale slunce vychází nejdříve někde jinde.
