Zamyšlení nad budoucím rozvojem automobilů poháněných vodíkem

V poslední době se v médiích stále více objevují zprávy o vývoji automobilů poháněných vodíkem. Světové automobilky jako je General Motors, Toyota, BMW nebo Honda se předhánějí v tom, kdo dříve vyrobí vozidlo schopné běžného provozu s parametry odpovídajícími současným automobilům poháněným benzinem nebo naftou. Proč vodík? Vodík je lehký (cca 14krát lehčí než vzduch) bezbarvý a reaktivní plyn s chemickou značkou H2. O jeho využití jako o palivu pro pohon automobilů se začíná stále více uvažovat vzhledem k neustále rostoucím cenám fosilních surovin ropy a plynu a vzhledem ke značné závislosti ekonomik vyspělého světa na producentech těchto surovin. Rovněž oteplování atmosféry způsobené skleníkovými plyny (zejména oxidem uhličitým) uvolňovanými při spalování benzinu a nafty je silným stimulem pro hledání alternativ. Při spalování vodíku totiž dochází k jeho reakci s kyslíkem O2 přítomným ve vzduchu, přičemž vzniká pouze voda (H2O) ve formě páry (2H2+O2?2H2O) neškodná pro životní prostředí. Na zemi je vodík součástí mnoha látek, ze kterých ho lze různými postupy získat (voda, uhlovodíky). Jako prvek se však vyskytuje poměrně vzácně. To je jeho nevýhoda v porovnání s fosilními surovinami. Na výrobu vodíku je totiž nutno nejprve vyrobit energii např. v jaderné elektrárně, a tu až poté využít na výrobu vodíku např. elektrolýzou z vody. Z pohledu energie je tedy vodík pouze nositelem nebo zásobníkem energie podobně jako baterie, nikoli jejím primárním zdrojem, jako je tomu u ropy a plynu. Pokud uvážíme, že by všech zhruba 500 mil. automobilů na světě bylo poháněno vodíkem, pro jeho výrobu by bylo třeba nepředstavitelného množství energie. Proto se intenzivně hledají energeticky účinné postupy výroby vodíku z levných surovin. Spalování vodíku je možno realizovat po jeho smísení se vzduchem ve spalovacím prostoru motoru, přičemž energie uvolněná touto reakcí se mění na mechanický pohyb pístu. Tento přístup zvolila firma BMW u svého nového vodíkového prototypu Hydrogen 7. Druhý přístup, u kterého je dle některých názorů získávána energie z vodíku s vyšší účinností, využívá palivových článků, což jsou zařízení, která přeměňují energii získanou reakcí vodíku a kyslíku na energii elektrickou. Ta je pak využívána k pohonu elektromotorů umístěných ve vozidle. Nedávno představený model Honda FCX Clarity využívá právě tohoto uspořádání. Energie, kterou je možno získat spálením např. 1 kg vodíku je značná a je zhruba 2,6krát vyšší než energie získaná z 1 kg benzinu. Avšak díky tomu, že vodík, a to i ve zkapalněném stavu, je velmi lehký (hustota zkapalněného vodíku je pouhých 70 kg/m3, přičemž hustota benzinu je cca 750 kg/m3), je pro získání stejného množství energie (pro ujetí stejné vzdálenosti) potřeba cca 4krát větší objem zkapalněného vodíku než benzinu. V řeči spotřeby: automobilu s průměrnou spotřebou benzínu 4 l/100 km odpovídá spotřeba zkapalněného vodíku 15 l/100 km. Jak vodík uskladnit? Z uvedených údajů o značných objemových nárocích vodíku vyvstává zásadní otázka, kterou se v současnosti zabývají inženýři na celém světě: jak uskladnit co největší hmotnost vodíku v co nejmenším objemu? Objem nádrže je obvykle omezen konstrukčním řešením vozidla a závisí na jeho velikosti, typu a třídě. Na základě požadavku co největší hmotnosti uskladněného vodíku byl nedávno Americkým energetickým úřadem (US Department of Energy (DoE) doporučen minimální hmotnostní obsah vodíku ve vodíkovém zásobníku určeném pro osobní automobily na 6 %. Je-li tedy např. hmotnost vodíkové nádrže včetně náplně 50 kg, musí v ní být nejméně 3 kg vodíku. Nižší hmotnosti vodíku výrazně omezují akční rádius vozidel a tím je činí nekonkurenceschopnými vozidlům na klasická paliva. V porovnání s benzínem nebo naftou se může 6 % zdát jako málo, neboť nádrže v současných automobilech obsahují mnohem větší hmotnostní podíl paliva. Je třeba si však uvědomit, že plynný vodík je velmi lehký a zmíněné 3 kg odpovídají za normálního tlaku objemu plynného vodíku cca 33 m3. Na to, abychom takto velký objem dostali do automobilu, je třeba nádrží, které splňují velmi přísné bezpečností a tedy zejména mechanické nároky. Proto zbylých 94 % celkové hmotnosti nádrže s vodíkem představuje samotná nádrž. V současnosti se zvažují tyto hlavní metody uchovávání vodíku: 1. Zkapalnění a uchování v tepelně izolovaných zásobnících, 2. Stlačení vysokým tlakem a uchování v tlakových nádobách, 3. Uchování v pevné fázi – ve formě hydridů kovů nebo adsorpce v porézních materiálech s vysokým měrným povrchem. U v současnosti vyráběných prototypů vodíkových automobilů je využíván zejména první způsob uchování vodíku, u kterého jsou dosahovány obsahy vodíku cca 10 %, což převyšuje minimální požadavek DoE. Tento způsob se však z globálního energetického hlediska jeví problematickým, uvážíme-li, že zkapalnění vodíku vyžaduje teploty nižší než -250 °C, což je extrémně energeticky náročné. Uvádí se, že zkapalnění spotřebuje až 30 % veškeré energie, kterou lze spálením vodíku získat. Kromě toho je třeba u zkapalněného vodíku počítat s jeho průběžnými ztrátami odparem, které činí kolem 1 % za den. Hlavní nevýhodou druhého způsobu – tedy uchovávání ve stlačeném stavu – je relativně nízký hmotnostní obsah vodíku. V klasických ocelových tlakových nádržích činí pouze zhruba 1 %, u novějších nádrží z kompozitů vyztužených uhlíkovými vlákny může dosahovat až k 5 %. Toto stlačení však opět vyžaduje ohromné množství energie podobně jako při zkapalňování. Při uchovávání zkapalněného i stlačeného vodíku je třeba vzít v úvahu také značné nároky na zabezpečení vodíkových systémů, neboť vodík se ve směsi se vzduchem stává výbušným a i malé úniky mohou mít katastrofální následky. Pro masivní využití zkapalněného nebo stlačeného vodíku bude nutno vybudovat rozsáhlou infrastrukturu zahrnující energetické zdroje, výrobny vodíku, jeho dopravu a sítě čerpacích stanic, což bude pravděpodobně proces trvající řadu let. Poněkud odlišné principy a nároky má třetí způsob uchovávání vodíku – uchovávání v pevné fázi. Zde je největší pozornost věnována sloučeninám některých kovů s vodíkem, které se nazývají hydridy. Tyto sloučeniny jsou totiž v sobě schopny absorbovat značná množství vodíku převyšující komerční požadavky. Zejména hydridy na bázi lehkých kovů (Mg, Ca, Li, Na, Al) jsou v centru pozornosti pracovišť vyvíjejících automobily na vodíkový pohon. Tyto hydridy se obvykle vyrábějí syntézami kovů s plynným vodíkem za vysokých teplot a tlaků. Za normální teploty jsou stabilní, nerozkládají se a jsou tedy relativně bezpečnými zásobníky vodíku. K jejich rozkladu dochází až za vyšších teplot, přičemž se uvolňuje vodík, který je přiváděn k palivovému článku. Žádoucí je, aby rozklad probíhal za teplot jen mírně zvýšených (150-200 °C), aby samotný ohřev hydridu nespotřebovával nadměrné množství energie. Právě hledáním hydridů s nízkými teplotami rozkladu a s vysokými obsahy vodíku se v současnosti zabývá řada výzkumných a vývojových pracovišť. Jsou již navrženy účinné systémy schopné absorbovat vysoká množství vodíku, která se blíží a u některých dokonce převyšují 10 %. Jmenovat lze např. hydridy MgH2, LiBH4, NaBH4, NaAlH4, Mg(AlH4)2 a další. Například první zmíněný hydrid MgH2 obsahuje 7,6 % vodíku, což znamená, že při rozkladu 1 dm3 tohoto hydridu získáme cca 1200 dm3 plynného vodíku. Automobil vybavený hydridovým systémem musí obsahovat zásobník hydridu, zařízení k jeho ohřevu a palivový článek. Jistou nevýhodou tohoto systému je, že po rozkladu veškerého hydridu v zásobníku se produkty rozkladu musejí ze zásobníku odstranit a ten se musí znovu naplnit novým hydridem. Východiskem by mohly být hydridy schopné uvolnění vodíku a jeho opětovné absorpce opakovaně, např. u speciálního čerpacího zařízení. Takové hydridy jsou sice v současnosti dostupné, ale obvykle se vyznačují nižšími obsahy vodíku, které jsou schopny uchovat. Proto se spíše nabízejí menší zásobníky na jedno použití, které by bylo možno snadno vyjmout a vyměnit za nové, přičemž jejich opětovné naplnění by probíhalo ve specializovaných pracovištích podobně jako je tomu v současnosti např. u lahví se stlačenými plyny. Jiný navržený systém založený na hydridech nevyužívá jako zdroje vodíku tepelného rozkladu hydridů, nýbrž jejich reakce s vodou, při níž rovněž vzniká vodík. Pokud by byla využita voda odcházející jako odpad z palivového článku, je množství získaného vodíku dokonce ještě vyšší než je jeho obsah v hydridu, neboť část vodíku při reakci pochází z vody. Alternativou jsou „paliva“ ve formě suspenzí hydridu ve vodě nebo v oleji, u kterých je vývin vodíku iniciován buď přídavkem katalyzátoru nebo ve druhém případě vody. I u těchto systémů se „palivo“ musí po spotřebování hydridu vypustit, recyklovat a doplnit nové. Výhodou je, že není nutno vyvíjet složité a nákladné hydridy s nízkými rozkladnými teplotami. Vodíkový systém založený na hydridech by vyžadoval menší nároky na infrastrukturu v porovnání se systémy pracujícími se stlačeným nebo zkapalněným vodíkem. Nutností by byly zdroje energie, výrobny vodíku a hydridů a pracoviště pro recyklaci jejich zásobníků. Odpadla by však nutnost sítě čerpacích stanic, neboť zásobníky hydridů nebo jejich suspenze by principiálně mohly být dostupné u stávajících stanic. Hlavním faktorem, který pravděpodobně dosud brání masivnějšímu rozšíření systémů založených na hydridech, je vysoká cena těchto sloučenin. Odráží se zde poměrně komplikovaná cesta, která vede od výroby elementárních kovů, výroby vodíku, jejich transportu až po tlakovou syntézu hydridu. Uvážíme- li např. cenu hydridu NaBH4 obsahujícího cca 10 % vodíku ve výši 80 USD/kg, pak při spotřebě 1 kg H2/100 km je cena za 1 km rovna 8 USD, což je nesrovnatelně více v porovnání s benzinem nebo naftou. Výrazné snížení ceny hydridů je tak základním předpokladem pro jejich výraznější zavedení do praxe. Zde se otevírá velké pole pro výzkum nových typů sloučenin a nových levnějších postupů jejich výroby. Co závěrem? K masovějšímu zavedení vodíkových technologií do automobilového průmyslu v nejbližších letech brání vysoké ceny energií nutných pro výrobu, skladování a distribuci vodíku. Dalším důvodem je nedostatečná infrastruktura. Vodík se může stát konkurencí klasických paliv, pokud nové energetické zdroje a vylepšené postupy umožní jeho výrobu z vody ve velkých množstvích a za přijatelnou cenu. Systémy založené na uskladnění vodíku pomocí hydridů nabízejí alternativu k čistému vodíku, neboť nevyžadují tak velké investice do infrastruktury. Tyto systémy však budou konkurenceschopné pouze tehdy, pokud ceny hydridů, např. díky novým postupům jejich výroby, výrazně poklesnou. Dalibor Vojtěch Ústav kovových materiálů a korozního inženýrství, VŠCHT Praha