Víc jak třicetiletou snahu po „zeleném“ alternativním pohonu tramvají se podařilo koncem letošního roku korunovat Číně spoluprací s plzeňskou Škoda Transportation. Upravenou škodováckou tramvaj 27T osadil CSR Sifang v Qingdau pokročilými palivovými články PEM kanadského výrobce Ballard Ltd. a prototyp první vodíkové tramvaje světa se právě zajíždí na zkušebním továrním okruhu.
Šance vodíku v městské dopravě?
Vůči zavedeným elektrickým tramvajím nebo lehkému metru má vodík co do energetické účinnosti na první pohled mizernou šanci. Současná elektrická trakce umí převést na kola až 90 % energie z trolejí a ze sítě. Pokud je ovšem elektřina vyráběna z fosilních paliv, pak faktor znečišťování vzduchu mluví ve prospěch tohoto nejlehčího plynu světa, pakliže je produkován využitím přebytků větrné energie nebo z jiných obnovitelných zdrojů. I nejlepší současné mobilní vodíkové palivové články PEM nabízejí nižší energetickou účinnost než konvenční elektrifikace vzhledem ke konverzním ztrátám při jeho výrobě v elektrolyzérech (s účinností 80 %), skladováním (90 %) nebo principem přeměny na elektřinu (45 %). Využitím regenerativního brzdění se tak dají srovnat s účinností dieselového pohonu, ovšem zbaveného proklínaných exhalací. Vývoji vlaků, tramvají či autobusů čerpajících elektřinu z palivových článků, které se obejdou bez trolejového vedení a kouřících elektráren v pozadí, fungujících na palivo vyrobené z obnovitelných zdrojů, se věnuje od přelomu století několik evropských projektů, kterým se však dosud nepodařilo získat potřebnou finanční podporu. 
Španělsko a Belgie od roku 2011 zkoušejí několik tramvají FEVE pro krátké tratě s vodíkem v tlakových nádobách na střeše, poháněných čtveřicí asynchronních motorů s výkonem 120 kW. Dánsko a Německo v rámci projektu VLTJ ve spolupráci s Alstomem testují jednotky pro regionální železnice poháněné vodíkem z palivových článků. Studie DSB odhadují, že „zelená“ trakce s palivovými články na tratích s nižší hustotou provozu by v roce 2020 mohla být už jen o 5–15 % dražší než dnešní konvenční elektrifikovaný provoz na tratích s trolejí. Čína, která musí zbavit svá města hrozící otravy exhalacemi, se rozhodla jednat rychleji. Po tříleté úspěšné spolupráci s plzeňskou Škoda Transportation vyrobil dominantní železniční výrobce CSR Qingdao Sifang Co. transferem technologií pro tramvaje 15T ForCity Alfa a platformy 26T a 28T ForCity Classic testovací sérii tříčlánkových tramvají 27T upravených na čínské tramvajové standardy a osadil je mobilními palivovými články FCvelocity kanadské společnosti Ballard.
Vodíková tramvaj 27T v čínském designu
Tříčlánková tramvaj 27T vyrobená podle technologií Škoda Transportation v Sifangu v březnu 2014 má až na tvar přídě téměř shodnou konstrukci s našimi tramvajemi 15T For City Alfa. Má čtyři plně otočné podvozky s nezávisle zavěšenými koly na nápravnici s přímým pohonem. Vlastní pohon zajišťuje 16 synchronních motorů s permanentními magnety. Čínské vozidlo je však obousměrné, širší o 190 mm a delší o 3 790 mm. Interiér je určen pro 60 sedících cestujících (na snímcích poznáváme z Prahy důvěrně známá překližková sedadla) a 320 stojících cestujících. Podle čínských standardů byla výška snížena na 2 225 mm. Panoramatická čela protáhli čínští designéři do klínovité přídě a zvolili vlastní barevné řešení. Obrovskou předností společného projektu je možnost variantního osazení třemi typy alternativního „beztrolejového“ provozu: akumulátory, superkapacitory nebo mobilními palivovými vodíkovými PEM články. Podle údajů Sifangu na jeho zkušebním okruhu při využití maximální rychlosti 70 km/h činí dojezd tramvaje při použití palivových článků FCvelocity®-HD7 kolem 100 km a tankování vodíku u plnicí stanice netrvá déle než tři minuty.
Chlazení se automaticky stará o to, aby teplota bloků palivových článků nepřekročila 100 °C. Instalovaný blok mobilních článků od Ballarda může dosáhnout maximálního výkonu 200 kW, samotné články mají mít zaručeny životnost 20 000 provozních hodin. Články pracují tiše a jediným produktem jejich provozu jsou vodní kapky a odvětrávaná pára. Podle projektového manažera Škoda Transportation splňuje testovaná jednotka nejpřísnější bezpečnostní normy, mimo jiné evropský standard odolnosti vůči srážce stupně EN 15227, takže rám vozu je schopen odolat při nárazu tlaku až 100 MPa.
Mobilní palivové PEM články dozrávají
Na rozdíl od akumulátorů přeměňují chemickou energii přiváděného vodíkového paliva reakcí s oxidačním činidlem přímo na elektrickou energii bez jakéhokoliv mezistupně. Z pěti odlišných základních typů dosud vyvinutých od jejich objevu v 60. letech 20. století se pro mobilní použití k pohonu dopravních prostředků nejlépe hodí tzv. nízkoteplotní palivové články s polymerní membránou označované jako PEM. Přiváděný vodík spalují při teplotách kolem 100 °C kyslíkem z přiváděného vzduchu. Modulární článek se skládá ze dvou elektrod pokrytých slabou vrstvou uhlíku s podílem platiny sloužící jako katalyzátor. Elektrody jsou odděleny tenkou polymerní membránou propouštějící při reakci kladné ionty (protony). Vodík je přiváděn na anodu, kde na vrstvě katalyzátoru dochází k jeho disociaci na kladné ionty a elektrony. Protony procházejí polymerní vrstvou, kdežto elektrony musejí projít ke katodě vnějším okruhem, v kterém mohou konat jako elektrický proud užitečnou práci. Cyklus se uzavírá na katodě sloučením dvou protonů, dvou elektronů a atomů kyslíku ze vzduchu přiváděného na katodu. Reakcí vzniklá voda, vzhledem k teplotě reakce obvykle v podobě páry, je jediným, „čistým“ odpadem…
Mobilní a modulární palivové PEM články pro dopravní prostředky vyvíjí a od roku 2001 vyrábí tradiční kanadská společnost Ballard v Burnaby a jejich vývoj dotáhla již do sedmé generace, označované jako FCvelocity®-HD7. Kompaktní článek v rozměrovém modulu, jaký používají elektrické akumulátory, je schopen poskytovat z každého kg své hmotnosti elektrický výkon až 3 kW a při správném chlazení vzduchem garantuje výrobce životnost až 20 000 provozních hodin. Cena se pohybuje kolem 200 000 Kč/kW. Novou generaci článků HD7 dodává Ballard jako moduly integrující jak vzduchový kompresor, tak chladicí oběhové čerpadlo. S úspěšnou kanadskou firmou čile spolupracují Škodovy závody nejen na dalším vývoji čínských vodíkových nízkopodlažních tramvají, ale i na ekologicky čisté městské dopravě v Rize v rámci programu Hy-Trolley. Další strategií české firmy je vývoj „zelených“ tramvají typu „catenary-free“, zatím pro turecké město Konya, schopných v historických uličkách města, jež se nehodlá nechat znetvořit trolejovým vedením, ujet pomocí baterií na střeše až tříkilometrovou trasu.
Ing. Jan Tůma
Foto: Cidaut Co., Ballard Co., TRV Co.