Přečtěte si: Pozvánka na odbornou konferenci Efektivní elektromobilita v organizacích II




Pozvánky na akce


Stalo se










Vodíková mobilita a vodíková energetika – již ne vzdálená budoucnost

Čím se tedy bude topit, nebude-li uhlí?“ – „Vodou, ovšem rozloženou na její prvky,“ odpověděl Cyrus Smith. „Budou ji rozkládat bezpochyby elektřinou, která se stane mocnou a hybnou silou. – Věřím, že vody bude využíváno jako paliva. Voda je uhlím budoucnosti.“

Jules Verne: Tajuplný ostrov, 1874

15.1.2016 Slova geniálního spisovatele, který snad musel své vize vkládat do knih pro mládež proto, aby nebyl dospělými považován za nebezpečného podivína, jsou dnes, po půldruhém století, realitou. A tato realita již dávno přesáhla rámec laboratoří, experimentálních zařízení, nebo jednorázových projektů ve vojenství a kosmické technice a nezadržitelně se vydala směrem ke komerčním trhům. V tomto článku si ukážeme základní principy a trendy v nejdůležitějších oblastech použití vodíkových technologií: jako zdroje energie v elektromobilitě a jako stacionárních jednotek pro výrobu elektřiny a tepla.

Vodík a palivový článek

Vodík jako zdroj energie může být využíván více způsoby. Lze jej například přidávat do palivových směsí ve spalovacím motoru, případně jej přímo spalovat v plynovém motoru. Takto byly experimentálně provozovány třeba před cca deseti lety některé vodíkové autobusy v Berlíně. Tento způsoby využití energie vodíku je však značně energeticky neefektivní.

Mnohem zajímavější je vyrobit z vodíku elektřinu a tu potom dále využít jako zdroj energie pro rozmanité účely, například pro pohon elektrických vozidel. Zařízení, které vyrábí z vodíku elektrochemickou cestou elektřinu, se nazývá palivový článek.

Obr. 1 Schéma fungování palivového článku (zdroj: ÚJV Řež, a.s.)

V palivovém článku (viz schéma na obrázku č. 1) se při chemické reakci vstupních látek – paliva a okysličovadla – na elektrodách ponořených do elektrolytu přeměňuje chemická energie na elektrickou energii. Palivem bývá nejčastěji čistý vodík, existují však i například palivočlánkové energetické jednotky, které si vodík na vstupu nejprve vyrobí chemickou reakcí například z běžného zemního plynu nebo ze směsi metanolu.

Na anodě se z paliva odštěpují volné elektrony, které při průchodu vnějším obvodem vytvářejí elektrický proud. Kationty paliva procházejí elektrolytem a na katodě se slučují se vzdušným kyslíkem a s elektrony z vnějšího obvodu za vzniku vodní páry. Jako katalyzátoru, nutného pro odštěpení volných elektronů z vodíku, se u mnoha typů palivových článků používá platina. I když je tohoto vzácného kovu třeba mikroskopické množství (a tudíž například na celkové ceně palivočlánkového vozidla se dnes cena této platiny podílí řádově několika málo procenty), mohlo by to do budoucna znamenat problém. Proto je snaha platinu do budoucna nahradit jinými materiály.

Palivové články pracují při různých provozních teplotách, od 80 °C až po 1000 °C. Články s provozními teplotami kolem 100 °C (80 až 120 °C) se nazývají nízkoteplotní, články s vyššími provozními teplotami jsou vysokoteplotní. Jejich vlastnosti jsou různé podle typu. Obecně lze ale říci, že nízkoteplotní články jsou v porovnání s vysokoteplotními méně náročné na odolnost zařízení, ale náročnější na kvalitu paliva.

Podle druhu elektrolytu mají také palivové články rozmanitou energetickou účinnost a také další vlastnosti, které je předurčují pro různé oblasti využití.

Například alkalické palivové články, kde elektrolytem bývá hydroxid sodný nebo hydroxid draselný, mají poměrně vysokou energetickou účinnost, která dosahuje 60 %. Tyto články jsou jedny z nejdéle používaných (kosmická loď Apollo ze 60. let byla například vybavena sérií alkalických palivových článků o celkovém výkonu 75 kW). Energetická účinnost palivových článků s polymerovou protonvýměnnou membránou (neboli PEM – membrána propouštějící pouze kationty vodíku), které jsou dnes nejběžnější u palivočlánkových elektrických vozidel, se pohybuje v rozmezí 25 – 58 %. U palivových článků s tavenými uhlíkatými sloučeninami (MCFC) se energetická účinnost pohybuje kolem 45 – 47 % a u palivových článků s pevnými oxidy (SOFC) kolem 35 – 43 %. U posledních dvou uvedených typů, často používaných u pevných energetických jednotek, se jako vstupní médium zpravidla používá metan obsažený v zemním plynu, případně bioplynu, a vodík z něj následně vzniká chemickou reakcí v energetické jednotce.

Protože se palivový článek u vozidel používá jako zdroj energie pro elektromotor, který umí s energií hospodařit mnohem lépe než spalovací motor, je i s touto účinností palivočlánkový pohon energeticky významně efektivnější než například pohon na dieselový motor nebo na stlačený zemní plyn. Na příkladu autobusů s různými pohony to ukazuje graf na obrázku č. 2.

Obr. 2 Porovnání jednotkové spotřeby energie u různých pohonů autobusů (zdroj: Clean buses for your City, CIVITAS 2014)

Podobně například palivočlánková kogenerační jednotka může oproti kogenerační jednotce vybavené spalovacím motorem ušetřit až 40 % energie.

Tam, kde se jako palivo používá vodík, je třeba jej dodat ve velmi čisté podobě (čistota přes 99 %). A kde se vodík bere?

Celosvětově se dnes většina vodíku (cca 95 %) vyrábí s fosilních paliv (v první řadě parním reformingem zemního plynu, dále parciální oxidací nižších uhlovodíků a v poslední řadě jako vedlejší produkt při zkapalňování či zplyňování uhlí). Všechny tyto procesy jsou doprovázeny výraznými emisemi CO2. 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, kdy je vodík vyráběn pomocí elektrolýzy štěpením vody za využití „zelené“ elektřiny z obnovitelných zdrojů energie (fotovoltaika či vítr). V případě, že je takto vyrobený vodík použit v dopravním sektoru, mohou se emise CO2 v celém řetězci od výroby k pohonu blížit nule a být zatíženy pouze požadavky na kompresi vodíku při tankování. Do této kategorie spadá většina nově vybudovaných zdrojů vodíku primárně zaměřených na jeho výrobu pro provoz palivočlánkových vozidel.

Emise a „ekologie“ palivových článků

Pokud jde o emise a s nimi spojenou „ekologičnost“ palivočlánkových zdrojů energie, je třeba rozlišit emise v místě použití a emise v celém řetězci „well-to-wheel“, tedy doslova „od jámy po kolo“.

Z toho, co jsme si řekli výše, je zřejmé, že lokální emise palivočlánkových aplikací jsou nulové. Emise „well-to-wheel“ u palivových článků se odvíjejí od konkrétního způsobu výroby. Jak řečeno, je přitom třeba rozlišit, zda tyto emise vznikají kvůli použití vodíku v palivovém článku nebo zda by vznikaly i bez něj.

Porovnáme-li tedy například emise skleníkových plynů na ujetý kilometr u palivočlánkových vozidel oproti emisím ze spalovacích motorů, mohou se pohybovat od téměř nuly (při výrobě vodíku elektrolýzou z obnovitelných zdrojů) po více než ekvivalent emisí spalovacího motoru (při výrobě z fosilních paliv). Ve druhém případě však s tím, že tyto emise nevznikají jako důsledek provozu palivočlánkových vozidel, nýbrž jako efekt příslušné chemické výroby, ať se již vzniklý vodík dále používá pro pohon vozidla nebo jinak.

Vedle emisí skleníkových plynů šetří palivočlánkové pohony vozidel či palivočlánkové energetické jednotky oproti tepelným strojům další škodlivé emise, které vznikají bez ohledu na druh pohonu. Patří sem zejména pevné částice nebo oxidy dusíku, které vznikají například i při spalování takového „zeleného“ paliva, jako je zemní plyn.

Palivočlánková mobilita – začalo to vidlicemi

Jednou z nejstarších oblastí mobility, kde se začaly používat palivočlánkové energetické zdroje, jsou elektrické vidlicové vozíky a další manipulační technika. Podobně jako bateriové manipulační vozíky se tato technika používá zejména tam, kde je nutný nebo žádoucí bezemisní provoz při manipulaci s materiálem. Palivové články jako zdroj elektrické energie mají však oproti bateriím některé významné provozní výhody, zejména ve větší produktivitě a menších provozních nákladech, což je dáno náročností bateriového hospodářství a dobou dobíjení baterií oproti plnění vodíkové nádrže. Podle některých zdrojů ušetří palivočlánkové vidlicové vozíky oproti bateriovým 80 % nákladů na pracovní sílu při plnění/dobíjení a 75 % prostoru.

Tomu odpovídá i rozvoj této oblasti palivočlánkové elektromobility, především na americkém trhu. Ten dnes nabízí palivočlánkové vidlicové vozíky s energetickými jednotkami od pěti různých výrobců. Typickým představitelem palivočlánkové pohonné jednotky pro manipulační techniku v USA je technologie GenDrive od společnosti Plug Power pracující s napětím 36 V DC při výkonu 8 kW nebo 48 V DC při výkonu 10 kW. Tato technologie využívá palivové články kanadského výrobce Ballard. Zásoby vodíku pohybující se od 1,5 do 1,8 kg vystačí na provoz při osmihodinové směně a jejich doplnění trvá méně než tři minuty. V porovnání se stejně výkonnými bateriemi ušetří 30 % veškerých provozních nákladů při produktivitě vyšší o 15 %.


Obr. 3 Palivočlánkový vysokozdvižný vozík v závodě BMW v Greeru, Kalifornie (zdroj: BMW)

Celkový počet palivočlánkových manipulačních vozíků v USA již dříve přesáhl tisícovku a po realizaci zmíněných záměrů Walmart jich zde bude fungovat přes tři tisíce. Evropské ověřovací projekty naproti tomu sledují jako optimistickou cílovou hodnotu v příštích letech 200 palivočlánkových manipulačních vozíků na 10 – 20 místech v Evropě.

Palivočlánkové osobní a užitkové automobily

Palivočlánkové osobní a užitkové automobily dnes zvolna přicházejí do nabídek významných světových automobilek jako je Hyundai či Toyota, ale také například Volkswagen. Jak takové palivočlánkové osobní auto vypadá, si ukažme na příkladu jednoho z nich, o němž se dnes velmi často hovoří. Je jím palivočlánkový sedan Toyota Mirai (viz obr. 4).

Obr. 4 Palivočlánkový sedan Toyota Mirai (foto: Toyota)

Základem pohonu tohoto vozidla (viz obr. 5) je systém Toyota Hybrid Synergy Drive, známý například z hybridních vozů Toyota Prius. Vlastní pohon v jeho nejnovější verzi obstarává synchronní střídavý elektromotor o nominálním výkonu 60 kW a maximálním výkonu 90 kW, pracující s napětím 650 V AC. Jako zásobník elektrické energie slouží nikl-metal-hydridová (NiMH) baterie o napětí 273,6 V a kapacitě 6,5 Ah. Systém je doplněný ostatní trakční výzbrojí (trakční invertor) a účinným energetickým managementem.

Obr. 5 Toyota Mirai – schéma pohonu (zdroj: Toyota)

Primárním zdrojem elektrické energie je palivočlánková jednotka o výkonu 100 kW, která pracuje s čistým vodíkem o tlaku 70 MPa. Palivový článek během provozu běží nepřetržitě, a pokud je vozidlo v klidu, dobíjí trakční baterii. Elektřinu tak získává elektromotor podle okamžité situace z baterie nebo přímo z palivového článku.

Kombinace palivočlánkového zdroje a trakčních baterií není pouhým výmyslem konstruktérů, nýbrž způsobem, jak optimálně využít vlastností obou energetických zdrojů: Zatímco palivový článek může běžet po celou dobu provozu na plný výkon a pokrývat základní spotřebu energie pro pohon, trakční baterie vykrývá výkyvy v okamžité spotřebě energie. Oproti čistě palivočlánkovému pohonu se touto kombinací ušetří více než polovina spotřebované energie. Jak uvidíme dále, tato koncepce se dnes používá také například u palivočlánkových autobusů.

Prakticky dosažitelný dojezd na jedno naplnění nádrže činí cca 650 km, přičemž vlastní tankování vodíkem trvá cca 3 minuty.

Palivový článek však nemusí být hlavním a jediným zdrojem elektrické energie pro trakční elektromotor automobilu. Lze také využít bateriový elektromobil a pro prodloužení dojezdu jej doplnit palivočlánkovou energetickou jednotkou. Příkladem je užitkový vůz Renault Kangoo ZE-H2.

Základem jeho konstrukce je užitkový elektromobil Renault Kangoo ZE, poháněný 44kW elektromotorem. Jako zásobník energie slouží 22kWh lithium-iontové trakční baterie, umístěné pod podlahou vozidla, které umožňují dojezd na jedno nabití až 170 km při maximální rychlosti 130 km/h.

Elektrický pohon je ve verzi H2 doplněný o palivočlánkový prodlužovač dojezdu o výkonu 7 kW. Palivem je čistý vodík o tlaku 35 nebo 70 MPa. Spotřeba vodíku činí 0,3 kg/h, tedy cca 1 kg/100 km v městském provozu.

Nádrž je schopna pojmout až 1,5 kg vodíku. Celkový dojezd vozidla na jedno nabití trakčních baterií a jedno naplnění nádrže se tak v městských podmínkách podle výrobce prodlouží na cca 320 km, tedy na téměř dvojnásobek.

Jak patrno, v obou případech se využitím palivového článku spojují výhody elektromobilu (lokálně plně bezemisní provoz) a automobilu se spalovacím motorem (dojezd na jedno naplnění nádrže či nabití baterií pohybující se ve stovkách kilometrů. Počty těchto automobilů ve světě se dnes pohybují odhadem ve stovkách a poptávka roste. Jen Toyota obdržela letos v USA více než 1900 objednávek na výše zmíněný model Mirai. Zpravidla jsou tato vozidla součástí velkých projektů čisté mobility, kdy uživateli jsou především veřejné organizace. Palivovými články jsou tak dnes poháněny třeba i některé typické londýnské taxíky.

Palivočlánkové autobusy

Palivočlánkové autobusy jsou jedním z důležitých vývojových směrů v oblasti bezemisní městské dopravy. Podobně jako palivočlánková osobní auta 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. K nejznámějším výrobcům těchto autobusů patří belgický Van Hool, německý EvoBus nebo kanadský New Flyer. Vznikají i další prototypy, například tzv. American Fuel Cell Bus v USA nebo palivočlánkový autobus Toyota, používající pohon odvozený od výše zmíněného sedanu Toyota Mirai.

Ukažme si nyní takový palivočlánkový autobus blíže, opět na konkrétním příkladu autobusu EvoBus typu Mercedes-Benz CITARO FuelCELL Hybrid o přepravní kapacitě 66 osob, z toho 33 sedících (viz foto – obr. 6). Jako zdroj energie slouží dva palivočlánkové moduly o celkovém výkonu 120 kW, doplněné lithium-iontovými bateriemi o kapacitě 26 kWh s výkonem 258 kW. Celkem 35 kg vodíku o tlaku 35 MPa je uloženo v sedmi nádržích. Palivočlánkové moduly, nádrže na vodík i trakční baterie jsou umístěny na střeše vozidla. K pohonu slouží dva elektromotory o výkonu 80 kW, zabudované v nábojích kol. Spotřeba vodíku se pohybuje v rozmezí 10 – 14 kg/100 km. Pro různé evropské projekty bylo těchto autobusů vyrobeno více než dvacet.

Obr. 6 Palivočlánkový autobus EvoBus (foto: PostAuto Schweiz AG)

Pět těchto autobusů provozuje v rámci evropského projektu CHIC od roku 2011 společnost PostAuto Schweiz AG, hlavní švýcarský autobusový dopravce, v hornatém terénu švýcarského kantonu Aargau. Ke konci července 2015 dosáhly tyto autobusy důležitý milník: dohromady najezdily celkem milión kilometrů.

Podobně jako u palivočlánkových osobních a užitkových automobilů se i u palivočlánkových autobusů uplatňují dvě základní koncepce: palivočlánková jednotka jako hlavní zdroj energie doplněná trakčními bateriemi pro vyrovnání výkyvů ve spotřebě během jízdy nebo bateriový elektrobus s palivočlánkovým prodlužovačem dojezdu. Příkladem druhého řešení je kloubový elektrobus od polského výrobce Solaris s přídavnou palivočlánkovou jednotkou, provozovaný v Hamburku.

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. 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.

Na kolejích, na vodě i ve vzduchu – další palivočlánková elektromobilita

Palivové články dobývají nejen silnice, ale i koleje, vodu a vzduch. Opět několik příkladů:

Francouzský výrobce elektrických dopravních prostředků Alstom například od letoška připravuje pro regionální dopravu v Německu elektrické vlaky s palivočlánkovými zdroji energie od kanadského výrobce Hydrogenics. Čínský trh se pro změnu ve velkém chystá na využití palivových článků u tramvají. Pro aplikace v kolejové dopravě je ovšem třeba nejprve vyvinout a odzkoušet dostatečně silné palivočlánkové zdroje elektřiny.


Obr. 7 Palivočlánková loď Alsterwasser (zdroj: Proton Motor)

V roce 2008 zahájila v Hamburku elektrická vyhlídková loď Alsterwasser (viz obr. 7). Zdrojem elektřiny pro její pohon je 48kW palivový článek od německého výrobce Proton Motor.

V německém Stuttgartu se v rámci projektu HY4 nyní připravuje futuristické čtyřmístné palivočlánkové letadlo, jehož první start se plánuje na léto 2016 (obr. 8). S cestovní rychlostí 145 km/h, maximální rychlostí 200 km/h a skromnými požadavky na délku přistávací dráhy si tento plně bezemisní letoun dělá ambice na budoucí využití jako ekologické aerotaxi na husté síti německých regionálních letišť. 

Obr. 8 Vizualizace palivočlánkového letadla HY4 (zdroj: DLR)

Palivočlánkové elektrárny, kogenerační jednotky, záložní zdroje

Samostatnou kapitolou jsou stacionární palivočlánkové zdroje energie. Palivový článek se zde používá pro výrobu elektřiny nebo (častěji) jako zdroj pro kombinovanou výrobu elektřiny a tepla neboli kogeneraci.

Hlavní doménou je tzv. mikrokogenerace, neboli energetická jednotka pro výrobu elektřiny a tepla pro domácnosti, resp. rodinné domy nebo malé firmy, s elektrickým a tepelným výkonem řádově v jednotkách kilowattů. Těch je nyní jen mezi evropskými uživateli řádově mezi tisícem a dvěma tisíci kusů. Na trhu se však stále častěji objevují i palivočlánkové jednotky s výkony většími, pohybujícími se až v megawattech.  

Palivočlánkovou jednotku u těchto větších výkonů lze dále doplnit o expanzní turbínu, pracující na principu tzv. Rankinova organického cyklu. Při něm je využívána energie při expanzi stlačeného zemního plynu na normální atmosférický tlak, která by jinak zůstala nevyužitá. Prakticky jde o turbogenerátor pracující podobně jako parní turbína s generátorem, převádějící tepelnou energii páry na mechanickou, a následně elektrickou. Plyn (tedy organická látka), který je zde použit místo vodní páry, se vyznačuje vyšší molekulovou hmotností než je voda, což vede k pomalejším otáčkám turbíny, nižšímu tlaku a menší erozi kovových částí a lopatek turbíny. Výše uvedená elektrická účinnost vlastního palivového článku je tímto způsobem zvyšována až na 60% účinnost celého energetického zařízení.

Příkladem malé mikrokogenerační jednotky je Vitovalor 300-P, určený do obytných budov pro jednu až dvě domácnosti. Tato kogenerační jednotka vznikla ve spolupráci firem Viessmann a Panasonic. Pro její instalaci je zapotřebí plocha 0,65 m2. Elektrický výkon zařízení je 750 W a tepelný výkon 1 kW, což odpovídá denní výrobě cca 15 kWh elektrické energie a 19 kWh tepelné energie. Při tomto výkonu pokryje Vitovalor 300-P většinu běžné denní spotřeby jedné domácnosti.

Obr. 9 Palivočlánkový park Gyeonggi Green Energy (foto: FuleCell Energy)

Naopak největším palivočlánkovým zdrojem energie na světě je v současné době tzv. palivočlánkový park Gyeonggi Green Energy, který byl zprovozněn v polovině února 2014 v jihokorejském městě Hwasung (obr. 9). Tento park má celkový instalovaný výkon 59 MW. Rozkládá se na ploše cca 2 hektary a sestává z 21 palivočlánkových jednotek od amerického výrobce FuelCell Energy, každá o výkonu 2,8 MW. Kromě plynulé dodávky elektřiny dodává tento park také teplo pro dálkové vytápění.

Mezi další zajímavá využití palivových článků ve stacionárním režimu patří například záložní zdroje energie (UPS) pro nejrůznější účely.

Příkladem takovéhoto zdroje může být UPS s palivočlánkovým zdrojem energie od německého výrobce Proton Motor, nabízený s moduly o průměrném výkonu 5 a 20 kW, který lze krátkodobě (po dobu méně než 60 s) zvýšit o 20 %. Základem těchto zařízení jsou palivočlánkové jednotky vlastní konstrukce Proton Motor, používající technologii protonvýměnné membrány, s čistým vodíkem o tlaku 20 nebo 30 MPa jako palivem. V závislosti na dodávaném výkonu se doba provozu zařízení na jedno naplnění nádrže pohybuje (za příznivých teplotních podmínek) v rozmezí od 10 hodin při 20 kW po 72 hodin při 2,7 kW.

Takovéto záložní zdroje si letos u výrobce objednaly i německé státní dráhy (DB) náhradou za dosluhující dieselové agregáty. Ve prospěch palivočlánkového zdroje přitom hovořil nejen bezemisní provoz, ale i vysoké náklady na údržbu u původních dieselových zdrojů.

Otěže přebírá trh

Pořizovací náklady palivočlánkových zařízení stále ještě několikanásobně převyšují konvenční technologie. S vývojem technologií a s počtem aplikací však přichází ke slovu i ekonomie z rozsahu a jednotková cena těchto zařízení postupně klesá.

Od devadesátých let dvacátého století například klesly pořizovací náklady palivočlánkových autobusů v průměru o více než 75 %. Během následujících patnácti let se čeká další pokles o více než 40 %.

Kanadský výrobce palivočlánkových jednotek Ballard, jeden z nejznámějších ve svém oboru, například uvádí, že u své současné palivočlánkové jednotky pro těžká vozidla FCvelocity®-HD7 snížil oproti jejímu vývojovému předchůdci investiční a provozní náklady o 30 % při současném zvýšení životnosti zařízení. To je dáno úspornější konstrukcí s menším počtem součástek, snížením spotřeby energie při běhu naprázdno a v neposlední řadě velkou sériovostí většiny komponent, která snižuje kapitálové náklady výrobce na jednotku produkce. Za uplynulých šest let se tak podařilo snížit náklady energetických jednotek tohoto výrobce o 65 %.

Po provozní stránce zároveň vykazují palivočlánkové zdroje energie vysokou míru spolehlivosti, která se příznivě promítá do jejich provozních nákladů. Například vlastní energetická jednotka zpravidla bývá nejméně zranitelnou součástí palivočlánkového autobusu. Nejčastějším důvodem odstávky těchto autobusů mimo provoz jsou již tradičně zcela banální mechanické závady typu prasklé čelní sklo, prasklé potrubí, nefungující ventil apod. To ovšem jsou dětské nemoci všech prototypů bez ohledu na druh pohonu.

Samostatnou kapitolou je vodíková plnicí infrastruktura, do níž je nutno investovat nemalé částky. Jen Německo například deklaruje do roku 2023 vybudování sítě cca 400 vodíkových plnicích stanic.

Do této oblasti podnikání nyní vstupují velké a bohaté petrochemické a plynárenské společnosti, které ve vodíkové ekonomice tuší budoucnost. Za všechny hovoří výrok zástupce koncernu Shell, citovaný v souvislosti s přípravou evropské studie palivočlánlových a bateriových elektrických autobusů: „A zase budeme první!“

I když jsou tedy palivočlánkové technologie co do ceny stále ještě neschopné konkurence s masově vyráběnými konvenčními řešeními, je zřejmé, že do budoucna tomu může být jinak. Svoji roli přitom může sehrát mj. nedostatek fosilních paliv i větší politický tlak na ochranu životního prostředí.

Z hlediska tržní zralosti palivočlánkových technologií je zřejmý náskok Severní Ameriky, tedy Kanady a USA, nebo Japonska před Evropou. Zjednodušeně lze říci, že zatímco Evropa zkoumá a vyvíjí, Amerika a Japonsko prodávají. Je například typické, že většina evropských palivočlánkových autobusů používá kanadské palivové články a jiný kanadský výrobce palivočlánkových stacionárních zdrojů uzavírá dohody s evropskou energetickou skupinou o společné expanzi na evropských trzích.

Do hry zároveň vstupuje čínský trh s obrovským potenciálem odbytu, který se bude nejspíš pohybovat o řády výš než kdekoli jinde. Přitom z uzavíraných dohod o spolupráci je již nyní zřejmé, že první se na něm budou profilovat (a následně profitovat) opět zavedení výrobci palivočlánkových zařízení z Kanady.

S příležitostmi, které nabízí zahraniční spolupráce v globálním měřítku, i s významnou podporou palivočlánkových technologií v Evropě se nicméně může tento stav proměňovat.

A co u nás doma?

Hlavním nositelem vodíkových technologií pro praktické použití je v České republice ÚJV Řež, člen skupiny ČEZ. Na poli vodíkových technologií má na svém kontě dva významné projekty.

Prvním z nich je TriHyBus – trojitě hybridní autobus (viz foto – obr. 10), který pro svůj pohon využívá elektromotor zásobený elektrickou energií ze tří různých zdrojů: palivový článek, baterie a superkapacitor. K pohonu slouží 120kW asynchronní elektromotor od Škoda Electric. Jako zdroje energie slouží palivový článek, trakční baterie a superkapacitory. Palivový článek německého výrobce Proton Motor (PEM technologie) má relativně malý maximální výkon 48 kW a malou dynamiku. Doplňuje jej 22 lithium-iontových trakčních baterií o maximálním výkonu 120 kW a čtyři superkapacitory o výkonu až 200 kW při rozjezdu. O efektivní zapojení těchto zdrojů do pohonu autobusu se stará samostatná řídící jednotka. Výsledkem je velmi nízká spotřeba vodíku (7,5 kg/100 km oproti běžným 10 kg/100 km nebo více u standardních palivočlánkových autobusů – viz příklad výše).

Obr. 10 TriHyBus (foto: archiv autora)

TriHyBus byl vyvinut a zprovozněn rámci projektu spolufinancovaného z národních a evropských zdrojů, který byl realizován v letech 2008 – 2009. Autobus TriHyBus je nyní příležitostně provozován v MHD Neratovice a jedná se o jeho další budoucnosti.

Pro účely tohoto projektu byla v Neratovicích zřízena vodíková plnicí stanice, zatím jediná v ČR.

Dalším českým počinem je projekt „Akumulace energie z obnovitelných zdrojů energie ve vodíku“, který byl realizován v letech 2010 – 13 s testovacím provozem v roce 2014. Jeho nositelem je opět ÚJV Řež. Cílem projektu bylo vyvinout, realizovat a optimalizovat systém pro akumulaci elektrické energie ze zdroje s proměnlivým výkonem. Jako obnovitelný zdroj energie byly zvoleny běžné fotovoltaické panely, které si řada lidí pořizuje například na rodinné domy. Dosavadní provoz ukazuje životaschopnost takového systému. Projekt se tak řadí bok po boku jiným úspěšným systémům v této výkonové kategorii v zahraničí.

Není proto náhodou, že Česká republika byla letos v červnu prvním z nových členských států EU, kterému Německo nabídlo oficiální spolupráci v oboru vodíkových technologií a palivových článků. Došlo k tomu formou přizvání ČR do mezivládní podpůrné skupiny pro rozvoj vodíkových technologií, kde se bude ČR spolu s Švédskem, Rakouskem, Nizozemskem, Velkou Británií, Francií a Dánskem podílet na rozvoji vodíkové infrastruktury v regionu. Tato spolupráce nabízí přístup k pokročilým technologiím, spolupráci s německými firmami a v neposlední řadě i možnost využít investice z německého Národního inovačního programu.

Závěrem

Co tedy víme?

Zdroje fosilních paliv, především ropy a zemního plynu, nejsou (bez ohledu na různost všech odhadů) neomezené a jednou budou vyčerpány nebo se jejich čerpání stane neekonomické. Velké množství těchto zdrojů se navíc nachází v regionech, které lze označit za rizikové.

Dát kolo do pohybu je energeticky efektivnější pomocí proudu v cívce elektromotoru než expanzí výbušné směsi ve válci spalovacího motoru. Podobně je, zejména u menších energetických jednotek, energeticky efektivnější výroba elektřiny elektrochemickým procesem v palivovém článku oproti generátoru poháněnému tepelným strojem.

Vyprodukované emise „well-to-wheel“ u palivočlánkových jednotek závisí na způsobu výroby vodíku, zpravidla jsou však významně nižší než u spalovacích motorů a v případě výroby vodíku elektrolýzou z obnovitelných zdrojů jsou prakticky nulové. Lokálně je provoz palivočlánkových aplikací zcela nebo téměř bezemisní (podle použitého média na vstupu).

Současné baterie u elektrických vozidel nicméně stále neumožňují takový uživatelský komfort jako spalovací motory, především z hlediska dojezdu a délky nabíjení. Palivočlánková elektrická vozidla naproti tomu nabízejí spojení bezemisního provozu a délky dojezdu i doby plnění nádrže srovnatelných se spalovacími motory. Palivočlánkové stacionární zdroje nabízejí oproti srovnatelným konvenčním technologiím významné energetické úspory a ekologický provoz.

Palivočlánkové energetické jednotky se již dostaly na takovou technologickou úroveň, že zpravidla představují jednu z nejspolehlivějších komponent celého vozidla či jiného zařízení.

Významnou překážkou masového rozvoje palivočlánkových technologií jsou nyní především velká investiční náročnost a – v případě použití čistého vodíku – také chybějící vodíková plnicí infrastruktura.

Vysoké pořizovací náklady jsou dány nejen složitostí používaných zařízení, ale především stále malou ekonomií z rozsahu. Dosavadní vývoj však naznačuje, že ekonomie z rozsahu začíná pomalu fungovat i zde. Začíná se rozvíjet globalizovaný trh s palivočlánkovými energetickými jednotkami, na kterém má Severní Amerika (především Kanada) a Japonsko výrazný náskok před Evropou.

Vodíková plnicí infrastruktura pro vozidla bude představovat velký objem utopených nákladů, které bude nutno postupně vynakládat, má-li se palivočlánková elektromobilita stát masovým fenoménem. Velké a bohaté plynárenské a petrolejářské koncerny i vlády vyspělých zemí (především zemí bohatých na obnovitelné zdroje energie, u nichž se nabízí ukládat vyrobenou elektřinu pomocí elektrolýzy do zásob vodíku) však vnímají vodíkovou elektromobilitu jako perspektivní směr a jsou ochotny do něj přiměřeně investovat.

Existují i další palivočlánkové aplikace, například palivočlánkové technologie pro vozidla a stacionární zdroje, používající na vstupu metanol, které se rozvíjejí v omezeném měřítku, ale stále ještě neřekly své poslední slovo.

Dohromady je to prozatím málo na to, aby se vize Julesa Vernea o vodě a vodíku jako „uhlí budoucnosti“ staly v Česku přes noc každodenní skutečností. Je to však dost na to, aby se u nás s vodíkovými technologiemi vážně počítalo a věnoval se čas a prostředky na jejich rozvoj a komercializaci, počínaje osvětou mezi potenciálními uživateli a dalšími zúčastněnými stranami a konče spolufinancováním z veřejných zdrojů, které pomůže nastartovat trh.

Namístě je tu přitom připomenout si slova jiného klasika, tentokrát českého: „Kdo chvíli stál, již stojí opodál“. 

Jakub Slavík

Zdroje informací:
Portál www.proelektrotechniky.cz
Dokumenty a prezentace ÚJV Řež
Studie „E-mobilita v MHD“
Tiskové zprávy výrobců
Archiv autora

O autorovi:

Ing. Jakub Slavík, MBA je manažerský konzultant s třicetiletou praxí v dopravě a energetice, který ve spolupráci se Sdružením dopravních podniků ČR podporuje rozvoj elektrické dopravy ve městech. Provozuje také informační portál www.proelektrotechniky.cz, jehož je zároveň odborným redaktorem, průběžně sledujícím mj. vývoj a zajímavé projekty z oblasti vodíkových technologií ve světě. Je zpracovatelem studie „E-mobilita v MHD“ (2013 a 2015) a autorem knih „Z inženýra manažerem“, „Finanční průvodce nefinančního manažera“ a „Marketing a strategické řízení ve veřejných službách“.

Přečtěte si také:

Smart city v praxi: Připravujeme odbornou konferenci pro AMPER 2016

23.9.2015 Téma inteligentních měst – smart city – se stává stále aktuálnějším s ohledem na potřebu měst využívat ke svému rozvoji možnosti, které nabízejí moderní technologie. Týká se to všech základních oblastí infrastruktury smart city: inteligentní energetiky a služeb, inteligentní mobility a informačních a komunikačních technologií jakožto zastřešující a propojující technologie. V neposlední řadě se inteligentním městům nabízejí možnosti dotací ze zdrojů EU nad rámec operačních programů.


Aktualizovaná verze studie „E-mobilita v MHD“ zveřejněna

31.3.2015 Na konci března 2015 byla zveřejněna k volnému využití aktualizovaná verze studie „E-mobilita v MHD“ již dříve avizovaná na našem portále. Tato studie se zabývá stavem a vývojem elektrických autobusů v ČR a ve světě, tj. především bateriových a palivočlánkových elektrobusů a diesel-hybridních autobusů. Jako nových technologií u elektrických autobusů si aktualizovaná verze všímá také plug-in hybridních autobusů a parciálních trolejbusů. Jejím zpracovatelem je firma Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services a hlavním příjemcem Sdružení dopravních podniků ČR (SDP ČR). Studie vznikla v rámci činnosti Pracovní komise pro elektromobilitu při SDP ČR. 


Smart city – inteligentní město, město budoucnosti

17.2.2015 Na redakci našeho portálu se obrátili kolegové s prosbou, abychom koncept smart city vysvětlili mladým čtenářům ve věku -nácti nebo čerstvých -ceti. Takové prosbě nejde odolat, zvlášť když ve zmíněném věku je právě teď generace našich dětí. Vymyslel jsem si tedy návštěvu ve fiktivním smart city a duchem jsem se přitom vrátil o nějakých třicet let zpátky. Redakční počítač byl najednou pryč a já posedával v moderním vlaku, s cizími nápisy za okny…


Nápověda k článkům 12

Co to je a jak funguje inteligentní město – smart city

27.1.2015 Na našich stránkách Proelektrotechniky.cz někdy píšeme o projektech „inteligentních měst“ neboli „smart city“ ve světě, například v souvislosti se španělskou Barcelonou, japonskou Jokohamou i „chytrým městečkem“ Fujisawa na předměstí Tokia. Z porovnání informací z těchto projektů je zřejmé, že koncept smart city se aplikuje po celém světě, ovšem je vykládán velmi rozmanitě. 


Vodík pro palivočlánková vozidla: úskalí statistik a srovnávání

26.1.2015 V rámci připravované aktualizace studie „E-mobilita v MHD“ se její zpracovatelé zabývají mj. jednoduchým srovnáním elektrických pohonů pro autobusy, mj. i z hlediska dopadu na životní prostředí. Jedním z podkladů pro toto srovnání byla i publikovaná metodická pomůcka „CIVITAS policy note: Smart choices for cities – Clean buses for your city“, publikovaná v roce 2013 v rámci evropské iniciativy CIVITAS. Zpracovatelé zde narazili na problém srovnatelnosti a interpretace dat v souvislosti s palivočlánkovým pohonem. 



Naše tipy





















Copyright © 2012 – 2017 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services