Elektromobilita je v současnosti hlavní preferovanou cestou snižování emisí CO2 vypouštěných v rámci osobní automobilové dopravy. Dalším zajímavým konceptem je vodíkový pohon, zejména v podobě palivových článků. Nejde však o jedinou možnost využití vodíku. V Centru vozidel udržitelné mobility při FS ČVUT v Roztokách u Prahy např. Ivan Bortel v rámci své disertační práce sledoval z hlediska snižování emisí skleníkových plynů potenciál vznětového dvoupalivového motoru vodík/nafta.
I když je vliv osobní automobilové dopravy na produkci CO2 poměrně nízký, tvoří pouze 5,5 % produkce pocházející z lidské činnosti, automobilový průmysl zažívá velmi silný legislativní tlak na další snižování emisí. „Vzhledem k tomu, že se koncentrace CO2 ve výfukových plynech měří za reálného provozu, má například elektromobil emise nulové a automobil na konvenční paliva mu nemůže konkurovat. Jenomže je třeba uvažovat také o emisích, které se produkují v celém řetězci výroby paliva,“ říká Ivan Bortel a dodává, že tento přístup se nazývá well to wheel (od zdroje až ke kolu), a pokud vezmeme v úvahu i současný energetický mix EU, je uhlíková stopa klasického osobního automobilu se vznětovým spalovacím motorem porovnatelná s elektromobilem. O něco přísnějším je ještě přístup, který zohledňuje veškeré emise, které vozidlo produkuje od výroby až po likvidaci. Do něj se započítávají také emise vzniklé při těžbě materiálů. „Nazývá se cradle to grave (od kolébky do hrobu). Oba tyto přístupy je však těžké zakotvit do legislativy. Proto akademická sféra musí hledat řešení, která splňují požadavky dané legislativou, a zároveň minimalizují reálné negativní dopady osobní dopravy. A to je podle mě důvod, proč se spalovacím motorem pokračovat,“ vysvětluje, proč se začal ve své disertační práci věnovat zrovna tomuto tématu.
Motor v simulacích prošel legislativními požadavky EU od roku 2030 Cílem výzkumného projektu bylo tedy stanovit potenciál motoru osobního vozidla s ohledem na požadavky současné i budoucí evropské legislativní limity na emise CO2 za použití alternativních paliv. Tým měl k dispozici vznětový dvoupalivový jednoválcový motor AVL 5402.088 o objemu 0,5 l, který svými parametry odpovídá válcové jednotce běžného osobního automobilu. Původně na něm v laboratoři probíhaly pokusy pouze s kapalnými palivy, takže jej bylo potřeba před vlastními experimenty upravit tak, aby byl plně použitelný pro vodík. Jenomže vodík sám o sobě není jako palivo úplně vhodný, protože má nízkou odolnost vůči klepání, tedy abnormálnímu spalování. „Jeho oktanové číslo se pohybuje pouze kolem 60, což způsobuje, že se palivo následkem vysokého tlaku a teploty začne vzněcovat spontánně i mimo frontu plamene a hoří velice rychle. Motor se tak velmi namáhá a poškozuje.“ Pracovní skupina se s touto potíží vyrovnala tak, že jako palivo použila chudou směs, v níž je větší množství vzduchu a menší množství vodíku. „Přeplňováním jsme vytvářeli dostatečně chudou směs na to, aby ke klepání nedocházelo, a zároveň jsme dosáhli dostatečného výkonu motoru.“ Na fyzické experimenty pak navazovala teoretická část projektu, kdy se výsledky měření simulačně extrapolovaly do fiktivního čtyřválcového motoru o objemu 2 l, což je i dnes běžný objem vznětového motoru pro osobní automobily a MPV. Charakteristiky byly stacionární, nepočítalo se tedy s přechodovými režimy. Samotné zjišťování potenciálu probíhalo tak, že výchozím bodem bylo vozidlo o určité hmotnosti, která se navýšila o přestavbu na vodíkový pohon, a provedla se simulace homologačního jízdního cyklu WLTC v prostředí GT-Suite tak, jak jsou osobní a lehká užitková vozidla běžně homologována, přičemž cílem bylo zjistit, jaká bude produkce CO2 v gramech na kilometr. „Režim spalování chudé homogenní směsi vodíku má svá omezení v nízkém zatížení, kde motor musí pracovat jako čistě vznětový. I přesto se nám však podařilo prokázat, že koncept dvoupalivového motoru nafta-vodík vykazuje potenciál ke splnění požadavků Evropské komise z hlediska emisí CO2 platných od roku 2030, kdy bude legislativa požadovat limit 59,4 g CO2/km. Při simulaci jízdy vozidla v testovacím cyklu WLTC bylo totiž dosaženo vynikající hodnoty 44,1 g CO2/km,“ říká k výsledkům experimentů dále Ivan Bortel a doplňuje, že při spalování vodíku vzniká jako odpadní produkt pouze voda. „Úroveň škodlivých emisí je obdobná nebo nižší v porovnání se vznětovým motorem, například v případě počtu emitovaných částic došlo k poklesu o jeden řád. Dvoupalivový vodíkový vznětový motor tak snižuje požadavky na systém dodatečné úpravy spalin, který díky vývoji v posledních letech umožňuje opravdu účinné čištění výfukových plynů.“ Výhodou tohoto dvoupalivového motoru je také fakt, že může na naftu zajistit nouzový dojezd, pakliže nebude dostupný vodík, což by mohlo vzbudit zájem jak v zákaznících, tak zároveň i společností, které se zabývají budováním potřebné infrastruktury. Podle Ivana Bortela navíc koncept umožňuje také náhradu vodíku za zemní plyn (CNG), případně za biometan, a tak umožnit nouzový dojezd k vodíkové plničce. „Určitým problémem jsou v tomto případě emise nespáleného metanu, k jejichž snížení by bylo nutné optimalizovat tvar spalovacího prostoru, snížit objem zhášecích prostor a případně využít pokročilých spalovacích metod, například reaktivně řízeného kompresního zapalování (RCCI).“ Další možností, jak snížit množství CO2 ve výfukových plynech, je náhrada motorové nafty hydrogenovaným rostlinným olejem (HVO). „Experimenty prokázaly, že toto palivo nemá negativní efekty a snižuje emise většiny škodlivých látek. Při využívání nafty a vodíku pokles emisí CO2 přibližně odpovídá stupni energetické náhrady, což například v jízdním cyklu WLTC přináší úsporu ve výši 70 % oproti vznětovému motoru. HVO by mohlo přinést další snížení.“
Rodokmen vodíku bude hrát hlavní roli Experiment tedy ukázal, že při měření lokálních emisí má dvoupalivový koncept potenciál dalšího rozvoje v aplikovaném výzkumu. Avšak k tomu, aby bylo snížení emisí skutečné, je třeba uvažovat v optice well to wheel a vodík vyrábět pouze za pomoci vhodných technologií. Obnovitelné zdroje energie jsou nestabilní, energie je často k dispozici ve chvíli, kdy po ní není poptávka. Znamená to, že přebytky energie z těchto zdrojů by se mohly elektrolýzou převádět na vodík. „Pokud by však byl vodík vyráběn elektrolýzou s využitím energie například z hnědého uhlí, celý koncept rázem postrádá smysl, protože pro efektivní snižování emisí CO2 je třeba vodík vyrobený z obnovitelných zdrojů. Případně se dá ještě uvažovat o využití zbytkového vodíku z průmyslových provozů,“ vysvětluje. Problém je ale v tom, že legislativa rozděluje vodík z obnovitelných zdrojů a klasický vodík, který do emisních limitů započítat nelze. „Formálně by tedy i vozidlo, jež pohání nezelený vodíkový pohon, limity nesplňovalo, avšak z logiky věci vyplývá, že než vodík jako nevyužitelný zlikvidovat ve spalovně, je lepší jej spotřebovat ve vozidlech.“ Ivan Bortel soudí, že vodík opravdu může být palivem budoucnosti a společnost by neměla protežovat pouze jednu ekologickou variantu, kterou je v současnosti elektromobilita, a to vlivem započítávání pouze lokálních emisí. „Podle mě by se měly podporovat všechny smysluplné varianty. Měly by mít možnost, aby si samy našly segment, kde budou fungovat. Každá se hodí na něco jiného a trh to velmi dobře ví. Asi těžko si představíme elektromotor v kamionu dálkové dopravy, ale velmi ho oceníme ve vozidlech všech kategorií pohybujících se primárně v městském provozu,“ říká na závěr. /Kristina Kadlas Blümelová/
