Vodíkový palivový článek - pohon budoucnosti?

První palivový článek spatřil světlo světa již v roce 1839. Objevil ho sir William Grove, britský soudce a vynálezce, který vyšel z předpokladu, že princip elektrolýzy vody musí fungovat i obráceně. Doufal, že sloučením vodíku s kyslíkem pomocí správné metody získá elektrickou energii. Sestrojil proto zařízení míchající vodík s kyslíkem, kterým následně skutečně elektrickou energii vyrobil.

Palivové články nevyužívají k výrobě energie spalování, ale převádějí energii ukrytou v atomech vodíku přímo na elektrickou energii. K tomu je využíván kyslík, který s vodíkem elektrochemicky reaguje za vzniku elektrické energie a vody. Vlastní palivový článek je tvořen elektrodami, které si lze představit jako tenké vrstvy uhlíku, na nichž jsou naneseny částečky platiny nebo slitiny platiny a ruthenia. Tyto dvě uhlíkové vrstvičky jsou umístěny ze dvou stran polymerní fólie, membrány, která je schopna vést ionty. Pokud se na uhlíkové elektrody připojí vodivé desky, které umožňují přivádět na jedné straně vodík, na druhé straně kyslík nebo vzduch, lze z nich zároveň odebírat elektrickou energii. Ta vzniká rozdělením atomů vodíku na anodě na protony a elektrony. Membrána elektrolytu umožňuje průchod uvolněného protonu ke katodě, zatímco volné elektrony procházejí odděleným obvodem a vytvářekí elektrický proud. Kyslík nebo vzduch na katodové straně článku pak reaguje s protony a elektrony vodíku, čímž vzniká voda a teplo.Teoretická účinnost se podle typu paliva může pohybovat kolem 80 - 90 %, na rozdíl od spalovacího motoru, který z principu nemůže přesáhnout účinnost kolem 40 %. V praxi samozřejmě nevznikají v systému zcela ideální podmínky, a tak v důsledku neideálního chování dochází ke snížení účinnosti. Ta se pak pohybuje mezi 40 až 60 %. V každém případě je ale výsledná účinnost přibližně dvojnásobná oproti klasickému spalovacímu motoru.

Ačkoliv je více než zřejmé, že vodíkový pohon je z ekologického hlediska pro životní prostředí neškodný, stojí zatím v tomto případě proti jeho většímu rozšíření především ekonomika. Cena vozidel s vodíkovým pohonem se v současnosti pohybuje zhruba od dvou set tisíc dolarů do jednoho milionu. I přesto se např. japonská Honda zavázala, že do roku 2015 sníží jejich cenu na úroveň 50 tisíc dolarů (1 250 000 Kč), ale i to je pro běžného spotřebitele hodně. Japonský výrobce a přední novátor v této oblasti rovněž přiznává, že vývoj vozidla s vodíkovým pohonem zatím stojí zhruba stokrát víc než vývoj obdobného vozu s konvenčním spalovacím motorem. S cenou 200 tisíc dolarů (5 milionů korun) se tak jen velmi těžko stane prodejní jedničkou autosalonů. Manažeři japonské automobilky jdou ovšem o krok dále a již dnes nabízejí dlouhodobý pronájem současných vozidel (zatím jediného modelu FCX) za cenu přibližně 500 dolarů měsíčně.

Větším problémem, než je pořizovací cena vozidla, je vlastní palivo. V současnosti absolutně nevyhovující infrastruktura i potíže se zajištěním dostatku vodíku. Ačkoli je to prvek, který se na zemi i v celé sluneční soustavě vyskytuje téměř všude, nelze jej těžit, ale musí se vyrábět. Z ekologického hlediska s sebou nese výroba vodíku z uhlí nebo zemního plynu stejnou zátěž pro životní prostředí jako dnešní spalovací motory. Pro výrobu vodíku pomocí elektrolýzy vody je zase potřeba dostatek elektrické energie, což znamená výstavbu dalších elektráren. Využití atomové energie přináší zatím neřešitelný problém s ukládáním nebo zpracováním radioaktivního odpadu, a tak se jako jediné ekologicky "čisté" řešení nabízí sluneční, vodní nebo větrná energie. Elektřina z větrných elektráren sporná není - navíc je to technologie značně využívaná i v sousedním Německu. Britská vláda spočítala, že k výrobě vodíku pro kompletní vozový park roku 2020 by celé pobřeží Británie musel lemovat pás větrných turbín široký deset kilometrů. V Evropě je přitom jen málo zemí, kde jsou podmínky pro fungování větrných elektráren tak příhodné jako v Anglii.Stejný problém zatím také znamená bezpečné skladování vodíku a jeho doprava. Vodík je totiž sám o sobě nestabilní, hořlavý a se vzduchem tvoří třaskavou směs. Podle analýzy plynařského gigantu Linde by mohlo v roce 2020 jezdit po silnicích EU asi šest milionů vodíkových aut. V Unii ovšem už dnes jezdí téměř 200 milionů automobilů a za čtrnáct let se jejich počet ještě zvýší. Evropa proto uvolňuje na vývoj vodíkového pohonu stejné prostředky jako USA.

Zhruba v roce 2020 by měla těžba ropy slábnout, přičemž to samé čeká o deset let později zemní plyn. Poptávka ovšem poroste a s ní i cena, protože ropa se přeci jen nepoužívá pouze jako palivo. Jediná země s jasnou vizí tohoto období je Island, který má dostatek ekologicky nezávadné geotermální a vzdušné energie, takže může vyrábět vodík z vody. Již dnes tak lze v Reykjavíku narazit na autobus s vodíkovým pohonem. Do roku 2015 začne vodík využívat islandská rybářská flotila (hlavní zdroj příjmů) a v průběhu let 2030 až 2040 má vodík převzít strategickou roli ropy.Vzhledem k této "nedostatečnosti" ostatních průmyslových zemí se vývoj prozatímních alternativních paliv, které mají současnou spotřebu ropy alespoň snížit, ubírá směrem k biopalivům, zejména etanolu. Lze jej vyrábět nejen z obilí, ale i ze zbytků dřeva, lodyh nebo rákosu. Cílem přitom zůstává, aby byla výroba etanolu praktická a konkurenceschopná do šesti let. Jen v USA může toto palivo za pár let nahradit 20 až 30 procent současné spotřeby ropných paliv. Dlouhou cestu s etanolem urazila již Brazílie. Po téměř třicetiletém úsilí se stala světovou jedničkou ve využití alkoholu jako paliva. Přesto nejsou Brazilci nejodvážnější. Snad nejrazantnější krok chystají Švédové, kteří se chtějí s ropou úplně rozloučit. Švédská závislost má být překonána do roku 2020, přičemž benzin a nafta budou nahrazeny palivy z obnovitelných zdrojů, ať už to bude bionafta z řepky či etanol z obilí a cukrovky. Ale ani zde to není nic nečekaného, protože již od roku 1970 snížili Švédové svou závislost na ropě ze 77 na 32 procent. Jejich země kryje z alternativních zdrojů čtvrtinu své spotřeby energie - to je čtyřikrát vyšší podíl než v průměrné zemi EU.Dokud se však neobjeví nové masově použitelné technologie, zůstane role etanolu omezená. Totéž platí i pro bionaftu, v jejíž výrobě je EU zatím jedničkou, protože olejnaté plodiny potřebné pro výrobu nelze pěstovat neomezeně.

V rámci různých projektů financovaných EU dnes jezdí v devíti evropských městech necelá třicítka experimentálních autobusů. Ani u nás naštěstí výzkum a aplikace vodíkových technologií nespí a vodíkový autobus lze v ČR očekávat do dvou let. Ptáte se kde? K velkému překvapení to nebude Praha. V rámci projektu financovaného Operačním fondem EU Infrastruktura a státním rozpočtem ČR, řešeného VŠCHT v Praze, bude v Neratovicích postavena vodíková čerpací stanice. Český autobus bude poháněn elektromotorem a elektřinu mu budou dodávat vodíkové palivové články. Předpokládaný dojezd se bude pohybovat mezi 400 až 500 kilometry na jedno natankování. Vzhledem k tomu, že jde o autobus pro hromadnou městskou dopravu, je to víc než dostatečné.Zdrojem vodíku pro u nás zatím ojedinělý autobus nebude klasický způsob výroby z fosilních paliv. Vodík totiž pochází z elektrochemické výroby hydroxidu sodného a chloru. Tato technologie je v Neratovicích založena na bázi tzv. rtuťové, amalgamové elektrolýzy.

Z toho vyplývá, že po ukončení celého procesu obsahuje vodík nezanedbatelné množství rtuti ve formě par. Rtuť je sice odstraňována v několika technologických krocích, nicméně stopová množství této látky ve vodíku zůstávají. Vyvstává tedy otázka, zda při vlastním provozu autobusu na principu palivových článků fungujících na základě tohoto vodíku, nemůže dojít ke znehodnocení elektrod palivového článku tímto prvkem. Tímto problémem se rtutí se ještě nikdo ve světě nezabýval a výzkum českých vědců tak překračuje hranice naší země.Na vývoji českého vodíkového autobusu se podílí konsorcium firem. Vlastní palivové články budou nakoupeny z Německa. Konstrukci autobusu vyrobí Škoda Plzeň, která příslušnou technologii zvládla už před lety na trolejbusech. Ačkoli má Česká republika oproti západní Evropě, USA i Japonsku ve využívání vodíkových aplikací v dopravě několikaleté zpoždění, zůstává jedničkou mezi novými členskými zeměmi EU. Ostatní státy v tomto směru nevyvíjejí nějakou intenzivnější činnost kromě Polska, které se ovšem zabývá možností získávání vodíku z uhlí, nikoli jeho vlastní aplikací jako paliva.

-vcht-

VŠCHT v Praze

www.vscht.cz