Pohon na vodík pomalu proráží v dopravě: Potenciální možnosti jeho využití jsou obrovské
Ať natočím jakékoliv video, nebo napíšu jakýkoliv článek, ve kterém se alespoň okrajově zmíní elektrifikace, neuteče ani pár minut, než se začnou rojit komentáře typu „baterky jsou slepá cesta, falešná ekologie, budoucnost je ve vodíku“ a podobně. Ono jezdit na elektřinu a jako vedlejší produkt mít jen vodní páru, zní opravdu jako sen. Je to ale s vodíkem všechno jenom růžový a chlupatý?
Princip palivového článku je znám přibližně 200 let. Vodík je navíc nejhojněji zastoupený prvek ve vesmíru, tak proč toho nevyužít. Palivový článek na vodík funguje tak, že se v něm mísí vodík a kyslík – tadá, máte elektřinu. Vodíková auta tak jsou také elektromobily, jen neberou energii z velkých baterií, ale samy si elektřinu vyrábí z vodíku. To zní skvěle. Navíc odpadá dlouhé nabíjení, odpadá velká hmotnost spojená s bateriemi. Auto jezdí bez lokálních emisí. Když je to tak dokonalé, tak kde tedy jsou všechna ta vodíková auta? Proč se ulice plní hloupými bateriovými elektromobily, když na papíře vodíková auta plně vyhrávají? Aktuálně lze koupit v podstatě jen Hyundai, Toyotu, Hondu. Mercedes s vodíkem tak okrajově koketuje, a počítá s ním spíš v nákladní dopravě. BMW experimentuje s vodíkem už nějakou dobu. BMW 7 generace E66 šlo dokonce v omezené sérii koupit s vodíkovým pohonem. Nešlo však o palivový článek, nýbrž šestilitrový dvanáctiválec přímo spalující vodík. Aktuálně automobilka pracuje na vodíkové X5, která se má do dvou let objevit v nabídce.
Co tedy brání rozšíření aut s vodíkovým palivovým článkem (FCEV)?
Nejdřív se podíváme na samotná auta. Z principu je to stále elektromobil. Velká výhoda v bezemisním provozu. Skvělý je také fakt, že odpadá dobíjení. I nejmodernější elektromobily se v domácích podmínkách dobíjí až desítky hodin, na veřejných stanicích (u nás nejčastěji 50kW) řádově hodiny. Když máte štěstí na „superdobíječku“, dá se výsledný čas srazit na vyšší desítky minut (ovšem z 10 % na 80 %). Auta s palivovými články jsou také výrazně lehčí, a teoreticky schopna delších dojezdů. Rychlost čerpání je asi 1 kg za minutu (což stačí na nějakých 100 km), takže cca 5 min do plna. Otazník byl také v bezpečnosti. Ale nemějte strach, nejezdíte na vodíkové pumě. Je pravda, že vodík se vzněcuje ve velice nízkých teplotách a může dojít k vznícení při kontaktu se vzduchem, ale také je výrazně lehčí než vzduch. Při poškození nádrže tak vyletí ven dřív, než stačí dojít k výbuchu – prostě vysyčí. I kdyby se při tom zapálil, tak vyhoří tak rychle, že to bude jen jak rachejtle. Toyota testovala karbonové nádrže střelbou ze zbraní o kalibru 50, a nic se nestalo. Při proražení vodík vysyčel tak rychle, že se nestihl ani vznítit. V další fázi, kdy ho zkusili cíleně zapálit, dokonce vyhořel tak rychle, že nestihl ani zapálit auto. Auta jsou navíc vybavena bezpečnostním ventilem, který pří narušení talku vodík vypustí do atmosféry. Vodíková auta jsou tak řádově bezpečnější, než vozy se spalovacím motorem – pokud jde o rizika požáru. Větší nebezpečí hrozí spíš z velkého tlaku v nádrži a zanedbání výměny, než z požáru a výbuchu.
Zatím tedy vodík boduje. Oproti bateriovému elektromobilu jim ale chybí jednoduchost. Naopak FCEV jsou velice složité. Samotný článek ve poměrně velký, takže zabírá spoustu místa. Dále je potřeba invertor jako u bateriových elektromobilů. Navíc ale ještě potřebujete talkové nádrže na vodík. A jelikož má vodík nízkou energetickou hustotu – 2x méně než benzín – musí být velké, a zabírají tak hodně místa. Také je potřeba je každých 8 – 20 let vyměnit. Zároveň musí každý rok, nebo po 15.000 kilometrech, na kontrolu. Dále je potřeba měnit filtry na vzduch a chladivo (maximálně po 3 letech a 36 tkm). Stejně jako bateriový elektromobil, i vůz s palivovým článkem potřebuje baterii, protože článek není schopný nárazově produkovat velké množství energie. Vodík je tak extrémně těkavý, že ho nelze skladovat dlouhodobě, a časem z nádrže uteče – pokud tedy jezdíte spíš svátečně, může se stát, že vám prostě z nádrže vysyčí. Výzva pro výrobce je také vodní pára vznikající jako vedlejší produkt. Velké množství aut by mohlo způsobovat v chladných dnech náledí. Další problém je v ceně. FCEV jsou aktuálně dražší než elektromobily – to se samozřejmě bude měnit. Toyota tvrdí, že do 10 let budou FCEV za cenu benzínu, to bohužel ale nejspíš i bateriové elektromobily. Za posledních deset let klesla cena baterií o 87 %. Dnes cena jedné kWh baterie atakuje 100 dolarů, do roku 2025 spadne pod 70. Zatím je problém i cena provozu FCEV. U nás není ani jedna stanice (jedna neveřejná, první veřejná ja plánovaná na rok 2021). Ani Německo na tom není lépe. Evropská vodíková velmoc jich má jen něco přes 80, a 1 kg stojí přes 250 korun. Po celém světě je jen něco přes 400 veřejných stanic. Takže na celém světě je vodíkových stanic méně než dobíjecích stojanů pro elektromobily v České republice.
Další věc je samotný vodík. Jde sice o nejběžnější prvek ve vesmíru, malý problém je ale v tom, že na naší planetě se objevuje ve vázané formě. Čistý vodík tak musíme získávat. A tady je první háček. Celý ten cirkus kolem bateriových elektromobilů je především kvůli omezení emisí a závislosti na ropě. Jenže vodík se dnes víc než z 90 % získává z fosilních paliv. 50 % ze zemního plynu, asi 30 % z ropy, asi 18 % z uhlí. Nejběžnější způsob je získávání ze zemního plynu. Problém je ten, že proces získávání ze zemního plynu je tak neefektivní, že vyrobený vodík má méně energie než plyn, se kterým jsme začínali. Proces výroby z ropy je tak ztrátový, že když vyrobíme vodík, tak skončíme s o 30 % méně energií. Pří výrobě z fosilních zdrojů navíc kvůli vodíku musíme likvidovat povrch země, dna oceánů, likvidovat celé ekosystémy. A co je horší, stále tím prohlubujeme závislost na ropě – z toho hlediska vodík nic neřeší, zůstávají i emise z rafinace ropy. Proto se zdá lepší způsob získávat vodík pomocí elektrolýzy. Jenže tady opět narážíme na problém efektivity procesu. Je na něj potřeba obrovské množství elektřiny – a spousta lidí argumentuje proti elektromobilu s tím, že jezdí na uhelnou elektřinu – takže opět žádná výhoda. Na elektrolýzu je navíc potřeba tolik elektřiny, že se víc vyplatí jí rovnou dávat do aut. I zatím nejefektivnější postup protonové výměny má účinnost jen kolem 80 %. Často lidé taky poukazují na nedostatečně silnou elektrickou síť pro dobíjení – v případě elektrolýzy jsou nároky na síť ještě větší. Běžná elektrolýza má účinnost 55-60 %, a na 1 kg vodíku je potřeba cca 9l vody a 60 kWh elektrické energie. Už jen když zvážíte ten proces – vezmete elektřinu, přeměníte ji na vodík jen kvůli tomu, abyste jí obratem v autě zase měnili na elektřinu – je jasné, že celý princip postrádá efektivitu.
Ale dobře, jsme ve fázi, kdy máme vodík. Teď ho musíme dostat do nádrží. A to je další problém. Vodík se pro přepravu musí buď silně stlačit, nebo extrémně podchladit (až k -250 stupňům), což přináší další ztráty – kolem 10-13%. Z rafinérií tak budou muset jezdit kamiony s obří tlakovou nádobou na zádech, nebo extrémně podchlazeným vodíkem – až do kapalné podoby. Na benzínce se opět bude muset pod obřím tlakem nebo chladem přečerpat. A samotné udržování vodíku v tomto stádiu je velice energeticky náročné. Také se nabízí přepravovat vodík potrubím, jenže tady jsou ztráty až 40 %. Dalo by se tedy říct, že výsledná výroba vodíku by ideálně měla probíhat v co největší blízkosti čerpání. Buď tedy budou muset vzniknout na mnoha místech výrobny vodíku, nebo to čerpačky budou muset řešit individuálně. Například Shell v Anglii přišel s konceptem, kdy si pomocí elektrolýzy (pamatujete, ten úžasně efektivní proces) přímo na pumpě vyrábí vlastní vodík z přebytků elektrické sítě mimo špičku. Jenže proč tu elektřinu tedy rovnou nedat do auta? Další věc je, že celé zařízení vyrobí maximálně 80 kg vodíku denně. Pro pokrytí potřeby většího množství aut by tedy musela být „rafinérka“ u každé benzínky gigantická. Chybějící infrastruktura je tedy další hřebík do rakve. Investice do výstavby funkční sítě by byly astronomické. Přitom infrastruktura pro elektromobily už existuje, používáte ji každý den. Navíc u elektromobilu je jedna skvělá možnost – samozřejmě ne pro každého, ale může výrazně ulehčit dobíjecím stanicí i síti. Představte si, že byste měli na zahradě vlastní vrt i rafinerii, a benzín si mohli vyrábět sami, a nikomu za něj neplatili. Třeba byste ho vyráběli i moc, a poskytli ho trhu – tohle je s bateriovými auty možné pomocí solárů a vlastní „elektrárny“. Tak jako tak můžete nabíjet všude, kde dosáhnete do zásuvky, to vodík nikdy nenabídne.
Takže si to nějak shrneme. Auta na vodík jsou slabší, pomalejší, složitější na výrobu i provoz. Jejich provoz je (minimálně zatím) velice náročný, a taky drahý – což určitě vyřeší čas. Zároveň ale taky nejsou nijak zásadně ekologická – což můžete namítat výrobou baterií pro BEV, ale to je téma na jiný článek. Navíc jak jsme si řekli, i auta s palivovým článkem potřebují lithium-ointové baterie. Vodíková auta taky ztrácí v efektivitě. Účinnost spalovacího motoru je někde mezi 30-40 %. U elektromotoru se pohybujeme nad 95 %. A ten využívá i FCEV, ale kvůli celým těm kouzlům s přeměnou vodíku na elektřinu dokáže FECV dosahovat celkové účinnosti jen kolem 60 %, což je sice zlepšení, ale oproti bateriovým vozům stále krok zpět. I když odečteme všechny ztráty pro bateriové elektromobily – 5 % ztráty v síti, 1-2 % ztráty při dobíjení, efektivita nabíjení baterie je někde kolem 92 % (takže další 8 dolů), něco se ztratí v invertoru. Takže i při použití nejhoršího scénáře dokáže bateriový elektromobil dostat kolem 80 % energie se kterou začínáme na silnici. Pro FECV platí většiny ztrát (krom z dobíjení) taky. Jenže když k tomu připočtete ztráty z výroby vodíky, přepravu, uskladnění, a efektivitu systému, tak FECV dokáže aktuálně dostat pouze 25 % energie se kterou začínáme (elektřina) na silnici.
Za mě tedy vodík v osobní přepravě nedává smysl. A je to i vidět v krocích automobilek, které masivně investují do baterií. Vedle vyvíjí i vodík, jako zadní vrátka, ale dle vyjádření automobilek nepočítají s tím, že vodík v budoucnu bude brát víc než 10 % trhu, a bude tak spíš alternativou, která bude vhodná v určitých segmentech trhu. Samozřejmě nemám křišťálovou kouli, a trh se nakonec může vyvinout jinak a všechno ukáže teprve čas, ale vzhledem k tomu, že vodíková auta víc problémů přináší, než řeší, tak tomu moc nedávám. Technologie získávání vodíku se samozřejmě bude vyvíjet, ale žádný převratný objev pravděpodobně nehrozí, a uvidíme tak v průběhu let spíš postupné vylepšování, které ale budou zaznamenávat i baterie a dobíjení. Věřím, že časem se nůžky rozevřou ještě víc – ve prospěch bateriových vozů.
Znamená to ale, že bychom měli vodík hodit přes palubu a věnovat se pouze bateriím? To rozhodně ne. Protože existují jisté segmenty trhu, kde se vodík vyloženě hodí. Stejně jako dnes se někde hodí jezdit na benzín, někde na diesel, někde na baterky, tak vodík se zdá jako ideální řešení v nákladní, lodní a letecké dopravě, kde bateriové elektromobily nedávají smysl – především kvůli hmotnosti. U náklaďáku chcete přepravit co nejvíc, co nejdál, co nejrychleji. Když tedy dáte těžkou baterii, připravíte se o část nákladu (ovšem Tesla tvrdí, že tahač Semi bude mít užitečné zatížení stejné, jako dieselové tahače) – to znamená, že budete muset jezdit častěji, to zvedne cenu přepravy, to zvedne cenu zboží. U vodíku takový problém není, navíc bude možné zdolávat mnohem delší trasy v mnohem odlehlejších oblastech, kde je problém se sítí. Stejně tak pro lodě je to ideální řešení, a první výletní vodíková loď by měla vyjet do pěti let. Letecký průmysl je ještě hudba budoucnosti, ale vodíkové prototypy už létají, a na rozdíl od bateriových letadel mají slibné výsledky. Vodík tak není slepou uličkou, jen se nehodí všude, a jeho rozšíření musí mít smysl. Což ostatně platí o všem.
Nejde plošně říct, že všichni budou jezdit jen s bateriemi. Nejde říct, že všichni budou jezdit na fosilní paliva. Každému se hodí něco jiného, každý je v jiné situaci. Automobilový svět bude dle mého v budoucnu vypadat tak – bavíme se v řádu desítek let – že pravděpodobně půjde o mix bateriových vozů, těžké dopravy na vodík, a nadšenců se spalováky a syntetickými palivy … a nebo se taky můžu mýlit. Jako už se mi stalo mockrát. Tak jako tak věřím, že vodík v osobní přepravě ve většině případů nedává smysl. Pro budoucnost dopravy bude důležité najít správný balanc, který udrží rychlost rozvoje, ale nebude planetu zatěžovat víc, než je nutné.
.« Test Mercedes-Benz B 250e: Inteligentní měšťák Test Hyundai H1: Zajímavá alternativa pro velké rodiny »
