Vodík jako alternativní ekologické palivo

Obsah

0.      Úvod……………………………………………………………………….…..2

1.      Charakteristika vodíku

1.1  Základní atomové a fyzikální vlastnosti vodíku………………………….........2

1.2  Dějiny výzkumu vodíku…………………………………………………......3

1.3  Výskyt a formy vodíku………………………………………………...……4

2.      Technologie vodíku

2.1.   Příprava a výroba vodíku……………………………………………..…...4

2.2 Doprava a skladování vodíku……………………………………………....5

2.3 Bezpečnostní opatření……………………………………………………...6

2.4 Uplatnění vodíkové politiky……………………………………………...…6

2.5 Přeměna vodíku na elektrický proud…………………………………..…...7

3.      Palivové články

3.1 Princip činnosti palivového článku……………………………………..…..8

3.2 Používaná paliva pro palivové články………………………………..…….8

3.3 Druhy palivových článků……………………………………………….….9

3.4 Perspektivy masového průmyslového využívání palivových článků…….......11

4.      Vodík jako přímé palivo

4.1 Vodík jako alternativní automobilové palivo…………………………....…12

4.2 Vodík jako alternativní letecké palivo………………………………...…...17

5.      Praktické uplatnění vodíkových článků v automobilovém průmyslu

5.1 Scania………………………………………………………………..….18

5.2 BMW……………………………………………………………….…..19

5.3 Opel Zafira…………………………………………………………...….20

5.4 Hyundai……………………………………………………………..…..21

5.5 Ford……………………………………………………………….……21

6.      Závěr……………………………………………………………………..…22

Použité informační zdroje………………………………………………….....23

Úvod

Energetická spotřeba má stále rychleji rostoucí charakter, jejíž nedostatek může vést k hluboké krizi. Stále se rozšiřující průmyslová zóna potřebuje dostatek fosilních paliv, jejichž zásoby jsou zatím dostatečné, ale ne nevyčerpatelné. Uhlovodíkové suroviny se také ve velké míře zpracovávají v petrochemickém průmyslu (plasty). Spotřeba fosilních paliv vede k tomu, že se používají méně ušlechtilejší druhy. Na spalování se používají paliva s nižší kvalitou a vyšším obsahem síry, jako např. hnědé uhlí. Používání těchto méně kvalitních paliv vede k dramatickému zhoršování ekologické situace. Náhradu za tyto paliva musíme hledat již dnes, protože vývoj nových technologií je velmi technicky i finančně nákladný. Potřebujeme najít takový energetický zdroj jehož zpracování je co nejednoduší, nejekonomičtější a především dostatečné množství. Při hledání tohoto paliva bylo stanoveno jako nejvýhodnější (se současným technickým vybavením) palivo vodík. Jeho zásoby jsou prakticky nevyčerpatelné, zpracování je jednoduché, i když klade větší nároky na splnění bezpečnosti. Tato práce se zejména zabývá jeho využitím v dopravním průmyslu.

1.0 Charakteristika vodíku

1.1 Základní atomové a fyzikální vlastnosti vodíku

     Krystalická struktura vodíku – každá kulička                    Schéma struktury vodíkového

           představuje molekulu vodíku ()                                             atomu

1.2 Dějiny výzkumu vodíku

• 1671 R. Boyle ukázal, že se působením kyseliny sírové na železo uvolňuje hořlavý plyn. K podobnému závěru došlo v 17. století mnoho jiných chemiků.
• 1766 H. Cavendish působil různými kyselinami na železo, zinek cín, a  zjistil některé vlastnosti vodíku ( např. vodík je mnohem lehčí než vzduch).
• 1781 H. Cavendish zjistil, že při výbuch vodíku v kyslíku vzniká voda a dokázal tímto pokusem, že voda není prvek.
• 1783 A. L. Lavoisier navrhl název hydrogen (z řeckého ydor geinomai – voda tvořící).
• 1800 W. Nicholson a A. Carlisle rozložili elektrolyticky vodu na kyslík a vodík. Po sloučení (explozi) těchto dvou prvků opět vznikla voda.
• 1810 – 1815 H. Davy zjistil, že vodík je základním prvkem v kyselinách. Do té doby se mylně předpokládalo, že je to kyslík.
• 1866 T. Graham objevil nápadnou rozpustnost vodíku v paladiu.
• 1878 J.N. Lockyer objevil spektrální důkaz vodíku ve sluneční chromosféře.
• 1895 Vodík byl zkapalněn v takovém množství, že bylo možné pozorovat zakřivení kapaliny v kapiláře.
• 1906 J.J. Thomson potvrdil přítomnost pouze jednoho elektronu v atomu vodíku
• 1909 Zavedena stupnice pH pro vyjádření koncentrace vodíkových iontů.
• 1920 W.M. Latimer a W. H. Rodebush zavedli pojem vodíkové vazby.
• 1923 J. N. Bronsted definuje kyseliny částice jež mají vlastnost uvolňovat proton.
• 1924 R. Meeke obejvil spektrálně orto- a para- vodík.
• 1929 – 1930 Objevena kvantově mechanická představa tunelového efektu při reakcích spojených s přenosem protonu.
• 1931 W. Hieber a E. Lautert připravili první hydridokomplex přechodného kovu.
• 1932 Obejvení deuteria a obohacování vodíku deuteriem difúzí plynů a elektrolýza vody.
• 1934 Příprava tritia bombardováním sloučenin deuteria  a  deuterony
• 1939 L. W. Alvarez a R. Cornog dokázaliradioaktivitu triria, kterou přepověděl T. W. Bonner r. 1938
• 1946 Poprvé dokázán proton ve sloučeninách (NMP-spektroskopií)
• 1947 Poprvé připraven  Ukázalo se, že působí jako všestranné redukční činidlo.
• 1950 První důkaz tritia v atmosférickém vodíku. Později byl prokázán i v dešťové vodě. [3]

1.3 Výskyt a formy vodíku

Vodík je nejrozšířenějším prvkem ve vesmíru. Přepokládá se, že tvoří 90% atomů ve vesmíru a 75% se podílí na hmotnosti vesmíru. Již z tohoto hmotnostního podílu je vidět jeho důležitost a téměř neomezený nedostatek jeho zásob. Na Zemi je třetím nejrozšířenějším prvkem po kyslíku a křemíku. Asi 15,4% atomů zemské kůry a oceánů tvoří vodík vázaný ve sloučeninách.

Vodík je hlavní složkou hvězd a zároveň jejich hlavním palivem. Hvězdy získávají svou energii díky fúzní reakci vodíkových jader za vzniku hélia.

Vodík tvoří více chemických sloučenin než ostatní prvky včetně uhlíku a sloučeniny tvoří s většinou prvků periodické tabulky.

Vodík má jednoduchou elektronovou konfiguraci, přesto se, ale může vyskytovat ve více jak 40 formách. Rozmanitost vyplývá jednak z exisetnce atomů, molekul a ionizovaných částic v plynné fázi  jednak z existence tří izotopů   a odpovídajících molekul  a konečně z existence jaderných spinových izomerů homonukleárních dvouatomových molekul, tj. orto-divodíku, orto-dideuteria,    para-dideuteria, orto-ditritia a para-ditritia.

V přírodě je vodík složen převážně z atomů tvořených protonovými jádry. Vodík na Zemi obsahuje kolem 0,0156% atomů deuteria, které má v jádru neutron. Připojení druhého neutronu vede k nestabilitě jádra. Proto je tritium radioaktivní, emituje částice s nízkou energií a poločasem rozpadu 12,35 roku.

Vodíkový atom má velkou ionizační energii (1311 kJ/mol) – podobá se tedy více halogenům než alkalickým kovům. Odtržením elektronu dostaneme proton. Vázán na jiné částice je znám v roztocích i pevných fázích (např.  apod.).

U všech homonukleárních dvouatomových molekul tvořených nuklidy s nenulovým spinem se předpokládá vznik jaderně spinových izomerů. Tento jev byl poprvé prokázán u divodíku, kde je zvláště nápadný. Jestliže jsou dva jaderné spiny paralelní (orto-vodík), je výsledné jaderné spinové kvantové číslo 1 (tj. ½ + ½) a stav je třikrát degenerovaný. Jsou-li dva protonové spiny antiparalelní (para-vodík), je výsledný jaderný spin nulový a stav je nedegenerovaný.

2.0 Technologie vodíku

2.1 Příprava a výroba vodíku

V dnešní době se při výrobě vodíku nejvíce využívá metody zplynování uhlí. Touto metodou se vyrobí 90% produkce. Za další perspektivní metody se považují: elektrolýza vody, termické štěpení vody a zplyňování biomasy, zvláště biomasy odpadní.

Vodík lze vyrobit reakcí vody nebo zředěných kyselin s elektropozitivními kovy. Reakce může být explozivní. Laboratorní metody užívají pro přípravu vodíku reakce sodíkového amalgamu nebo vápníku s vodou, popř. reakci zinku s kyselinou chlorovodíkovou. Pro přípravu malého množství vodíku je výhodná hydrolýza hydridů kovů, kterou se vyvine dvojnásobné množství vodíku než je obsaženo v hydridu – např.:

Vhodným zdrojem vodíku je elektrolýza okyselené vody s použitím platinových elektrod. Velmi čistý vodík lze ve větším množství získat poměrně drahou elektrolýzou horkého roztoku hydroxidu barnatého mezi niklovými elektrodami. Jiné průmyslové procesy jsou založeny na reakci vodní páry s uhlovodíky nebo s koksem:

Většina průmyslově vyrobeného vodíku se spotřebuje přímo v závodě, v němž se vyrábí (např. při syntéze amoniaku, v petrochemickém průmyslu apod.). Přesto se velké množství dodává i na trh. Například v USA se ročně prodá na trhu okolo 3×10⁹ m³, tj. 250 000 tun. Ve velkém měřítku převládá výroba z uhlovodíků s použitím zemního plynu nebo suroviny z olejových rafinérií. Míchá se s párou a směs se vede přes niklový katalyzátor při teplotě  700 – 1000°C:

Vodík vzniká také jako vedlejší produkt při elektrolýze solanky při výrobě chlóru a hydroxidu sodného. Uvedené způsoby výroby nejsou vždy praktické, zejména potřebujeme-li malé množství plynu na různě vzdálených místech. Pro takové případy (např. plnění meteorologických balonů) byl vyvinut vodíkový generátor. V němž se odpařuje směs metanolu a vody, vede se přes chromitový katalyzátor při teplotě 400°C, kde se metanol krakuje na vodík a oxid uhelnatý. Vodní pára dále reaguje s oxidem uhelnatým a vzniká oxid uhličitý a další vodík:

2.2 Doprava a skladování vodíku

Velkovýrobny vodíku budou vázány na zdroje energie tepelné (jaderné), elektrické (vodní), nebo solární. Ty nebudou rozmístěny rovnoměrně, proto se bude uvažovat o dálkovém transportu, možná i transoceánském a transkontinentálním, přičemž druhý by mohl navazovat na první – zkapalněný vodík lze přepravovat buď v kontejnerech, nebo v říčních tankových lodích. Kontejnerová přeprava bude zřejmě efektivnější, neboť nebude vázána jen na splavné řeky, bude se kombinovat s železniční a silniční dopravou. Přepravní kontejnery umožní i skladování, resp. Vyrovnání bilančních výkyvů mezi výrobou, dopravou a spotřebou. Jejich nevýhodou zůstane výbušnost směsi vodíku se vzduchem, tedy riziko výbuchu při netěsnostech systému a při dopravních nehodách.

Vedle dálkového transportu zkapalněného vodíku se jistě uplatní potrubní rozvod plynného vodíku, tak jak je běžné u zemního plynu. Lze očekávat, zachování principu rozvodu vysoko-, středo-, a nízkotlakými plynovody. Tím bude zajištěna dosažitelnost vodíku jako nosiče energie jak pro velké, tak pro menší odběratele.

Největší zkušenosti se skladováním a použitím vodíku jako paliva mají firmy angažující se v kosmické technice, např. firma Lockheed Martin vyrábějící raketoplány. Pro užití mimo kosmickou techniku vyvinula a vyrobila roku1996 německá firma Linde A. G. Kovovou dvouplášťovou nádobu s evakuovaným prostorem mezi stěnami s vnější tepelnou izolací. Předpokládá se, že se k naplnění nádrží kapalným vodíkem buď využijí čerpadla, nebo přepouštění  při tlakovém spádu mezi skladovací nádrží a nádrží dopravního prostředku. Prakticky již byl uvedený systém distribuce zvládnut v rámci projektu Solar-Wasserstoff v SRN, kdy trvalo plnění 120 litrové nádrže na kapalný vodík u zkušebního vozu BMW-735 pouhých 5 minut. Dnes se v osobních automobilech poháněných zemním plynem místo ocelových tlakových láhví využívají tlakové nádoby z kompozitních materiálů na bázi aramidových nebo uhlíkových vláken a syntetických pryskyřic. Mají při shodném provozním tlaku třetinovou hmotnost, jednodušší konstrukci a nižší cenu. Jejich použití pro stlačený plynný vodík je v principu také možné, ale akční rádius vozidel se oproti použití zkapalněného vodíku sníží.

2.3 Bezpečnostní opatření

Výbušnost směsi vodíku se  vzduchem vyžaduje přísná bezpečnostní opatření ve všech prostorách, kde se s vodíkem manipuluje, zejména pak v prostorách uzavřených. Bezpečnostní pravidla se budou vztahovat i na prostory pro řidiče a pasažéry dopravních prostředků poháněných vodíkovými motory. Nízká hustota vodíku oproti vzduchu vyvolává intenzivní promíchávání směsi plynů, a tím rychlí vznik velkého obejmu výbušné směsi v širokém rozmezí koncentrací. Lidskými smysly, nelze únik vodíku do atmosféry poznat. Bude nevyhnutelné používat detektory hořlavých plynů, které jsou schopny registrovat již 10% dolní meze výbušnosti směsi vodíku se vzduchem. Mohou být připojeny na optickou a akustickou signalizaci, popřípadě mohou blokovat chod zařízení pracujících s vodíkem nebo startovat havarijní ventilaci ohoržených prostor. Významný nástup vodíku jako nosiče energie - paliva – lze proto očekávat až v ,, postropném věku“. [2]

2.4 Uplatnění vodíkové energetiky

Po přechodnou dobu může vodíku jako nosiči energie konkurovat metanol, biopaliva z obnovitelných zdrojů a plynná paliva, především zemní plyn a bioplyny. S rostoucím nedostatkem uhlíkatých surovin a důrazem na produkci potravin bude jejich význam klesat.

Využití vodíku jako paliva bude zajímavé pro proudové letecké motory. Ty mají měrnou spotřebu paliva na tunokilometr nebo osobokilometr nejvyšší (přibližně třikrát až pětkrát vyšší proti silničním motorovým vozidlům) a jejich relativní podíl na ceně přepravy je vysoký. Odhaduje se, že do roku 2030 vzroste cena jejich současného paliva (kerosinu) zhruba pětkrát. Proto se v posledních letech známé letecké konstruktérské firmy (Tupolev, Daimler-Benz, Aerospace, Dornier, Airbus Aerospace aj.) a firmy se zkušenostmi v kryogenní technice (Linde A. G.) zabývají vývojem motorů, palivových nádrží a letounů poháněných vodíkem. Již roku 1988 se zkoušel vodíkový tryskový motor na dopravním letounu TU-154 (vzlétl pod typovým označením TU-155).

Výhodou spalovacích turbín a jimi poháněných turbodmychadlových leteckých motorů je jejich poměrně jednoduchá adaptace na vodík. Spočívá hlavně v úpravě počtu směšovacích trysek nebo zkrácení spalovacích komor pro vyšší rychlost hoření vodíku a nutnost jeho dokonalého směšování se spalovacím vzduchem. Větším problémem je konstrukce a umístění palivových nádrží, jejichž provozní teplota musí být –250 °C při provozním tlaku 1,2 Mpa. Proto nemohou být v křídlech jako dosud, bude se muset změnit konstrukce letadel. Navíc se palivové systémy musí doplnit o tepelné výměníky - výparníky pro zplynění kapalného vodíku, čímž se patrně (dle dosavadních technologických znalostí) sníží nosnost nebo dolet letadel.

Složitá bude též konstrukce pístových zážehových spalovacích motorů na vodík, konkrétně zajištění optimálních podmínek hoření při tak mimořádné rychlosti hoření a výbušnosti směsi vodíku se vzduchem v koncentraci od 4 do 74 objemových procent. Bude se muset upravit systém směšování paliva se vzduchem a časování zážehu. Již dnes výrobci motorů vyvíjejí vodíkové čtyřtaktní pístové spalovací motory. BMW zkouší vodíkový motor v modelu 735 a Hyundai Motor Company zkouší šestnáctiventilový čtyřválcový vodíkový motor 2,0 DOHC.

2.5 Přeměna vodíku na elektrický proud?

Jediné, co potřebujeme pro průběh katalytické reakce je vodík, kyslíkové elektroda, vodíková elektroda a polymerová membrána. Protože by však samotný vodík natropil více škody než užitku (zvlášť ve styku s kyslíkem, kdy je silně výbušný), je vázán v hydridu železa – metalhydridu.

K tomu, abychom vůbec získali vodík, je zapotřebí přístroj zvaný elektrolyzér, který dokáže štěpit vodu na vodík a kyslík. Vyloučený vodík se poté skladuje v zásobníku připojeném k palivovému článku. V palivovém článku pak dochází k reakci mezi vyloučeným vodíkem a okolním vzduchem – a výsledkem této reakce je elektrický proud. Celá věc však není tak jednoduchá, jak by se mohlo na první pohled zdát. Uprostřed palivového článku je umístěna ještě tzv. polymerová membrána. Ta je skutečným místem, kde vzniká elektrický proud reakcí vodíku a kyslíku. Samotný palivový článek by ale nebyl schopen utáhnout některá energeticky náročnější zařízení – notebooky nevyjímaje. Proto se u notebooků používá zpravidla 5 palivových článků propojených mezi sebou. První palivové články pro notebooky byly představeny už počátkem minulého roku na hannoverském CeBITu. V současné době se celá záležitost nachází ve fázi hledání sponzorů, kteří by byly ochotni investovat do nové – a určitě perspektivní – technologie.

3.0 Palivové články

3.1 Princip činnosti palivového článku

Palivový článek můžeme definovat jako elektrochemický zdroj stejnosměrného proudu, ve kterém dochází ke katalytickým reakcím vodíkového paliva a oxidačního činidla na elektrodách. Pracuje na obráceném principu elektrolýzy vody. Vodík je přiváděn k anodě, na které dochází k jeho katalytické přeměně (oxidaci) na proton a elektron. Proton přechází elektrolytem ke katodě, zatímco uvolněný elektron přechází vnějším vedením. Na katodě reaguje proton s přiváděným kyslíkem a elektronem za vzniku vody. Na obou elektrodách vzniká přitom potencionální rozdíl kolem 1V, při zatížení 0,5 až 0,8 V. Palivový článek obsahuje obyčejně několik desítek jednotlivých cel v sériovém uspořádání, aby bylo dosaženo potřebného vyššího napětí. Podle požadavků na produkované napětí a proud pak lze provádět sériové nebo paralelní propojení jednotlivých modulů. Svou činností se palivový článek podobá klasickým akumulátorům, na rozdíl od nich však používá z vnějšku dodávané palivo, což mu umožňuje libovolně dlouhý provoz. [1]

3.2 Používaná paliva pro palivové články

Zatím nejčastěji používaným palivem je čistý vodík, který může v palivovém článku přímo reagovat za vývoje elektrického proudu. Přeprava a skladování plynného vodíku není příliš výhodná s přihlédnutím k vysoké váze obalů. Např. tlakové vodíkové láhve obsahují jen jedno procento čistého vodíku z celkové váhy. Vyvíjeny jsou proto způsoby skladování a přepravování zkapalněného vodíku, při nichž lze obsah čistého vodíku zvýšit až na 10 % celkové váhy. Na zkapalnění a udržování ve zkapalněné formě se ale spotřebuje značné množství energie, odpovídající cca 1/3 energetického obsahu přepravovaného vodíku. Dalšími připravovanými zdroji čistého vodíku jsou zdroje chemické, ze kterých bude vodík uvolňován hydrolýzou, amolýzou nebo katalytickou reakcí. Tyto zdroje budou schopné uskladnit minimálně 5 váhových % vodíku. Za velmi perspektivní je považováno ukládání vodíku v takzvaných uhlíkatých nanovláknech schopných pojmout až 48 váhových % vodíku.

Protože vodík není vhodným palivem pro všechny aplikace palivových článků, je věnována velká pozornost i tzv. nepřímým palivům, ze kterých je vodík uvolňován reformovacím procesem. Mezi nejvýznamnější nepřímé zdroje vodíku patří zemní plyn, metan, metylalkohol, etylalkohol, případně čpavek. Reformováním těchto zdrojů vodní parou nebo tzv. parciální oxidací při vysokých teplotách vzniká vodík s kysličníky uhlíku.

Protože ve většině palivových článků jsou používány katalyzátory na bázi platiny, je za- potřebí po provedeném reformování odstranit kysličník uhelnatý, který způsobuje otravu těchto katalyzátorů. Za potenciální nepřímá paliva do palivových článků jsou považovány i současné kapalné pohonné hmoty do spalovacích motorů automobilů. Společnost Chrysler podnítila vývoj reformování benzínu. Při jeho úspěšném vyřešení by nebylo nutné budovat novou infrastrukturu pro pohonné hmoty do automobilů, poháněných palivovými články. Americká armáda má zájem zachovat dosavadní hlavní palivo pro pohon dieselových motorů. Proto věnovala hodně finančních prostředků na vyřešení problematiky reformování dieselova paliva. Dosavadní vývojové práce však ukazují, že k úspěšnému vyřešení těchto úkolů bude zapotřebí ještě delší doby.

V poslední době se pro řadu aplikací s využitím palivových článků ukazuje metylalkohol jako velmi perspektivní kapalné přímé palivo. Již v současné době byla vyrobena řada prototypů palivových článků, ve kterých je používán metylalkohol jako přímé palivo bez potřeby reformování. [1]

3.3 Druhy palivových článků

Existuje celkem pět základních druhů palivových článků, které se od sebe liší především podle používaného elektrolytu a podle rozsahu teplot, při kterých pracují. Jejich přehled dokazuje tabulka 1 (viz).

Z jmenovaných druhů palivových článků dosáhly první tři již různého průmyslového využití, poslední dva jsou ještě spíše ve stadiu vývojových prací a hledání nejvhodnějších konstrukčních materiálů a technologických výrobních postupů. Nejdříve dosáhly stadia větší průmyslové výroby články kyselé, vyráběné ve Spojených státech a v Japonsku. Mezi jejich přednosti patří chemicky vysoce stabilní elektrolyt a možnost používat reformovaná paliva.

Kyselé (kyselinové) palivové články

Mohou být vyráběny v širokém výkonovém rozmezí od 1 kW do 5 MW. Mezi jejich nevýhody patří korozivní účinky kapalného elektrolytu - kyseliny fosforečné, pomalá kinetika katodové reakce a špatná vodivost kyseliny fosforečné při nižších teplotách. Jsou poměrně robustní a jejich hlavní využitelnost je ve formě statických generátorů elektrické a tepelné energie, schopných pokrýt kritickou oblast výkonů od 50 kW do 1 MW, ve které turbíny a plynové motory pracují s nízkou účinností.

Alkalické palivové články

Alkalické palivové články byly poprvé využívány jako energetické zdroje v kosmických lodích Apollo. Mají nejrychlejší kinetiku katodové kyslíkové reakce a nepotřebují proto alespoň pro katodu drahé katalyzátory ze vzácných kovů. Mají vyšší účinnost a energetickou kapacitu než články kyselé. Na druhé straně kapalný elektrolyt - silně koncentrovaný hydroxid draselný - má korozní účinky a na utěsnění celého článku je zapotřebí věnovat zvýšené úsilí. Největší slabinou alkalických palivových článků je vysoká citlivost na obsah kysličníku uhličitého v používaných plynech, který reaguje s elektrolytem a znehodnocuje ho. Proto nemohou používat nepřímá reformovaná paliva a jsou odkázány na zdroje čistého vodíku. I vzduch, dodávaný pro katodovou reakci, musí být předen zbavován kysličníku uhličitého. Nemají zatím ani potřebnou dlouhou životnost, aby mohly být používány jako statické generátory energie. Proto se dostaly brzy mimo oblast zájmů a jejich dalšímu vývoji se ve světě věnuje jen několik organizací, jako je belgická ELENCO nebo kanadská ASTRIS. Německá společnost SIEMENS vyvíjela alkalické palivové články pro pohon ponorek, ale před rokem 1980 přešla na články membránové, které dosahují vyššího výkonu a mají nekorozivní pevný elektrolyt.

Články s tavenými karbonáty

Palivové články s tavenými karbonáty nebo vodivými oxidy nepotřebují pro reakce při vysokých teplotách katalyzátory elektrodových reakcí a mohou používat reformovaná paliva. Horší převod hmoty a nižší vodivost nedovolují těmto článkům dosáhnout vysoké účinnosti a energetické kapacity, jakou se vyznačují palivové články membránové a alkalické. Budou využívány výhradně jako statické zdroje elektrické a tepelné energie o výkonech 100 kW - 10 MW. Současné prototypy dosahují výkonů mnohem menších, protože nejsou dosud konstruovány z nejvhodnějších materiálů.

Membránové (keramické) palivové články

Rozvoj membránových palivových článků začal později než u ostatních druhů. V posledních letech se ale neustále urychluje a membránovým palivovým článkům je zaslouženě věnována největší pozornost. Tyto články mají pevný nekorozivní elektrolyt - iontovýměnnou membránu - a jejich konstrukce i provoz je do určité míry jednodušší než u ostatních článků. Mají vůbec nejrychlejší kinetiku anodové oxidace vodíku, takže dosahují vysoké účinnosti a vzhledem k jednoduché konstrukci s pevným elektrolytem i vysoké energetické kapacity. Mohou pracovat i při nezvýšené teplotě, reakce je nastartována okamžitě po dodání paliva a plného výkonu dosahují do 30 vteřin po startu. Nejsou citlivé na kysličník uhličitý, takže mohou používat reformovaná paliva. Minimální nároky na údržbu, malé rozměry a možnost modulového uspořádání jsou další vlastnosti, které pomáhají k rozsáhlejší použitelnosti membránových palivových článků ve srovnání s ostatními. Vedle statických generátorů elektrické energie jsou velmi vhodné pro pohon dopravních prostředků, především autobusů a osobních automobilů.

Další výhodou membránových palivových článků ve srovnání s ostatními druhy je možnost jejich miniaturizace. Navíc tzv. dýchací články potřebují pro svůj provoz pouze dodávku paliva. Oxidační činidlo (vzdušný kyslík) si odebírají samy z okolního prostředí. Ke svému provozu nepotřebují žádné periferní zařízení (komprese, chlazení, čerpání, reformování paliva ap.), které je nezbytné v ostatních případech. Mohou tedy být využívány jako malé přenosné energetické zdroje pro pohon spotřební elektroniky a všude tam, kde jsou v současné době používány baterie a akumulátory. Energetická kapacita akumulátorů a baterií se pohybuje většinou v desítkách watthodin na kg váhy a jen výjimečně překračují hodnoty 200 Wh/kg. Membránové palivové články dosahují již nyní 400 Wh/kg a počítá se, že jejich energetická kapacita bude zvýšena až na 1000 Wh/kg. Při minimální možnosti detekce se proto jeví jako optimální osobní energetický zdroj do výbavy řadového vojína.

Existují již i tzv. regenerativní membránové palivové články, které při dodávce paliva vyrábějí elektrickou energii, nebo při dodávce energie si mohou vyrábět potřebný vodík a kyslík elektrolýzou vody. V odlehlých místech a polních podmínkách mohou k tomuto účelu využívat i přírodní energetické zdroje, jako je např. energie solární a větrná. Tyto možnosti jsou výborně využitelné při provozu kosmických lodí, které si potřebnou energii pro výrobu paliva mohou získávat ze slunečního záření a využívat palivový článek jako zdroj elektrické energie v období letu na odvrácené straně od slunce.

Regenerativní palivové články mohou být používány i k nabíjení akumulátorů a dobíjitelných baterií. Dále mohou s těmito zdroji vytvářet výhodné kombinace ve formě tzv. hybridních článků.

Hlavní nevýhodou membránových palivových článků je zatím jejich vysoká cena. Proto rychlému zavedení masové průmyslové výroby brání důvody spíše ekonomické než technické. Jedná se především o cenu membrán a nutnost používat drahý platinový katalyzátor pro přeměnu chemické energie vodíkového paliva na energii elektrickou. Požadavky na ionexové membrány v palivových článcích jsou tak náročné, že ze všech druhů membrán ve světě vyráběných je splňují pouze velmi drahé membrány fluorované, jejichž produkcí se zabývají čtyři firmy v USA a Japonsku. Proto je hlavním trendem současné doby vývoj nového typu ionexových membrán řádově levnějších než membrány fluorované a dále významné zlevnění katalytického procesu. Množství potřebné platiny se daří v poslední době významně snižovat vhodnými technikami nanášení elektrodových povlaků na povrch membrán. O nových typech levnějších nefluorovaných membrán se občas píše, ale jejich průmyslová výroba zatím ještě pravděpodobně zahájena nikde nebyla. [1]

3.4 Perspektivy masového průmyslového využívání palivových článků

V kosmických programech jsou palivové články využívány již od 60. let jako energetické zdroje kosmických lodí. V posledním desítiletí byla uskutečněna průmyslová výroba některých druhů kyselých palivových článků. Kromě menšího počtu nízkovýkonných článků prodaly dvě americké firmy přes 200 kusů statických generátorů PC 25 o výkonu 200 kW a tepelné produkci 700 tis. Btu/h na vytápění.

Do nedávné doby bylo předpokládáno, že k masové produkci palivových článků dojde nejdříve v automobilovém průmyslu. Přední světové firmy investovaly do tohoto vývoje a přípravy výroby již více než miliardu dolarů. Téměř všechny tyto firmy mají dnes vlastní prototyp autobusu nebo osobního automobilu, poháněného motorem na palivové články. Ve srovnání s dnešními automobily se spalovacími motory mají tyto automobily několik zásadních výhod. Nenarušují životní prostředí, protože jediným odpadním produktem motoru s palivovým článkem je čistá voda. Jsou téměř nehlučné, mají minimum pohybujících se částí a v podstatě žádné nároky na údržbu. Navíc mají téměř dvojnásobnou účinnost. U těchto automobilů se také předpokládá, že s jednou náplní paliva ujedou cca 3x větší vzdálenost než automobily se spalovacími motory. I když existuje prototyp autobusu s kyselým palivovým článkem nebo osobního automobilu s alkalickým článkem, naprosto bezkonkurenční jsou pro automobilový průmysl palivové články membránové.

Výsledky mezinárodní konference o přenosných palivových článcích v Luzernu z června 1999 a hannoverského veletrhu z března 2000 naznačují, že ještě dříve než v automobilovém průmyslu by mohlo dojít k zahájení rozsáhlé průmyslové výroby přenosných membránových palivových článků, a to jak v civilním tak i ve vojenském sektoru. Jedná se o využití při provozu spotřební elektroniky od mobilních telefonů, přenosných počítačů až ke kempové výbavě nebo jako osobní energetické zdroje řadového vojína. O tom, že tato doba není vzdálená, svědčí oficiální vyhlášení konsorcia firem Daimler - Chrysler - Ford. V roce 2004 uvedou na trh 40 tisíc osobních automobilů na palivové články, v roce 2006 již 100 tisíc kusů. Podle informací z konference v Luzernu počítá americká armáda uvést do své výzbroje tři druhy přenosných membránových palivových článků o výkonech 10 W - 500 W také v roce 2004. [1]

4.0 Vodík jako přímé palivo

4.1 Vodík jako automobilové palivo

Neustálé zvyšování cen ropných produktů a i ekologické požadavky na palivo s minimální tvorbou škodlivých látek vedou k vývoji nových paliv pro automobily. Zároveň probíhá i intenzivní vývoj elektromobilů. Mimo metanolu, etanolu a syntetických paliv se v budoucnosti jako s ekologickým palivem počítá i vodíkem. Vodík se má vyrábět z uhlí nebo nefosilních zdrojů (elektrolýza, termochemické cykly). Pro uplatnění vodíku jako automobilového paliva hovoří více ekologických důvodů. V současnosti se používá pro pohon automobilů pracujících v městské dopravě dvojpalivová směs.  Při tomto systému se směs benzínu a vzduchu obohacuje o vodík. Výsledný efekt se projevuje v snížení škodlivých emisí a ve zvýšení účinnosti motoru.

Pokud by jsme chtěli využívat vodíku jako jediného paliva pro automobilovou dopravu, pak největší probléme bude uskladnění vodíku a otázka bezpečnosti. Nejvýhodnějším skladováním vodíku ve vozidle je z hlediska hmotnosti kryogenní skladovaní kapalného vodíku. Toto řešení si však vyžaduje dokonalou izolaci nádrže, aby se zabránilo úniku paliva při jeho parkování. Vážným problémem je  proniknutí kyslíku do nádrže, kde způsobuje zamrzání potrubí a ventilů. Vozidlo musí mít elektrický ohřev nádrže, pokud se nepoužívá čerpadlo na kapalný vodík.

Další variantou skladovacího systému je  hydridová nádrž. Její největší nevýhodou je, ale hmotnost.

V následující tabulce jsou uvedené nejznámější hydridy a jejich vlastnosti.

Hodnotí se z hlediska hmotnostního obsahu vodíku, disociačního tlaku a teploty.

Systémy skladování vodíku ve vozidle

Při plnění nádrže musí být nainstalované i chlazení, které vyžaduje externí zdroj tepla, aby se dosáhlo disociační hodnoty rozkladu hydridu.

Systém FeTi

Hydridy FeTi, které obsahují jen 1,6% hmotnostního obsahu vodíku uvolňují vodík při normální teplotě a nevyžadují žádný externí zdroj tepla na uvolňování vodíku z náplně. Na uvolňování vodíku tu není možné použít teplo ze spalin. Systém se může při vhodném řešení výměny tepla využít i na klimatizaci vozidla.

Schéma FeTi systému

Systém s Mg hydridem

Podle hmotnostního obsahu hořčíku jsou výhodnější hydridy na bázi hořčíku a jeho slitin. Hořčík uvolňuje vodík při teplotách nad 200°C a na svoje uvolňování vyžaduje 31% energetického obsahu ve formě vázaného vodíku, což je větší množství, než je možné získat ze spalin motoru. Slitiny hořčíku a niklu s ostatními přísadami obsahují 5% vodíku a 15% uvolněného vodíku se musí použít na spalovaní, kterým se dosáhne dostatečný disociační tlak v nádrži. Při porovnání systému FeTi je tento systém složitější a má větší energetickou náročnost na uvolňování vodíku. Protože se vodík uvolňuje s vyšší teplotou, na jednotku objemu připadá menší energetický obsah jako v případě nízkoteplotních systémů.

Schéma systému s Mg hydridem

1 – výfuk, 2 – motor, 3 – vzduch, 4 – chladící kapalina, 5 – nízkoteplotní hydrid, 6 – čerpadlo, 7 – vysokoteplotní hydrid, 8 – spaliny z hořáku, 9 - vzduch

Systém dvou nádrží (FeTi, Mg hydrid)

Skladovací systém, který využívá dvě nádrže, jednu s TiFe a duhou s hořčíkovou slitinou, umožňuje snížit množství vodíku určeného na spalování, tak, že vodík se z nízkoteplotní nádrže uvolňuje pomocí chladící kapaliny a částečně schlazenými výfukovými plyny z vyhřívaného hydridového zásobníku. Výsledný systém je složitější na konstrukci a jeho náklady oproti předchozím systémům jsou daleko větší.

Energie potřebná na zapálení směsi vodíku a vzduchu je nižší než u ostatních paliv. Tato energie závisí na ekvivalentním poměru. Ekvivalentní poměr Ø je definovaný jako podíl skutečného poměru paliva a vzduchu k teoretickému poměru.Samozápal a špatné šlehnutí plamene do přívodního potrubí vzducho-palivové směsi od válců je hlavním problémem vodíkových automobilů. Nežádoucí samozápaly mohou vznikat působením více zdrojů (horká místa spalovacího prostoru hlavy válce, olej, karbon a částice prachu, horký porcelán izolátoru zapalovací svíčky). Na překonání těchto problémů je třeba na minimum zkrátit dráhu před vstupem do válce, kde vodík a vzduch tvoří směs. Takovým řešením je přímé vstřikování vodíku do válce, nebo do ústí nasávacího otvoru v nasávacím ventilu (v tomto případě je možné vodík dávkovat).

Přímé vstřikování vodíku do válce se děje po uzavření nasávacího ventilu v průběhu kompresního zdvihu. V důsledku exponenciální závislosti tlaku od polohy pístu ve válci je třeba použít jen střední tlaky při poloze do 90°. Při stechiometrických podmínkách Ø=1 představuje vodík 29,6% objemu plynné směsi. V případě benzínu to jsou jen 2%. Tato skutečnost vytváří limity výkonu s systémech, kde se používá vodík a výkon je o 15% menší než v případě benzínového motoru se stejným obsahem. Tento jev se nazývá ztráta objemové účinnosti a může se částečně kompenzovat přeplňováním motoru vodíkem. Při přímém vstřikování při kompresním zdvihu pístu se částečně kompenzuje ztráta objemové účinnosti, když se vodík přidává po dobu celého kompresního zdvihu pístu, kompenzuje se úplně. Když se palivo vstřikuje ještě před úplným zavřením nasávacího ventilu válce, může nastat pronikání vodíku do nasávacího potrubí. Při vstřikování vodíku do válce může nastat nedokonalé promíchání, a tím i nedokonalé hoření a tvorba NO_x. Proto se musí řešit optimální nasměrování vstřikovací trysky.

Vstřikování vodíku do nasávání

           Vstřikování do smíchávací komory                               Umístění injektoru H₂

Porovnání vodíkového a benzínového motoru

Pro celkové hodnocení možnosti uplatnění vodíkových automobilů se musí vzít do úvahy celý systém skladování a hnací jednotky.

Porovnání provozu benzínového a vodíkového motoru:

Porovnání vodíkové a benzínové nádrže pro různá vozidla

k – poměr hmotnosti palivo + nádrž/palivo

Porovnání různých typů vodíkových vznětových motorů

Jednotlivé perspektivní varianty možnosti využití automobilů na vodíkový pohon:

a)      vozidla na kapalný vodík – tyto vozidla jsou nejlehčí, nejlacinější a nejvhodnější pro běžný akční rádius využití vozidla. Potřeba tepla na odpařování kapalného vodíku umožňuje vhodnou klimatizaci vozidla.

b)      Vozidla se skladováním vodíku ve formě hydridů TiFe, které si vyžaduje menší specifickou spotřebu energie, nebo skladování ve formě hydridu hořčíku, a jeho slitin, které jsou lehčí.

c)      Vozidla s olověnými akumulátory jsou nejdražší, mají malou užitkovost vzhledem na svůj malý akční rádius a velkou specifickou spotřebu energie. Mají malou naději na zvýšení výkonu a zvětšení akčního rádiusu.

d)      Vozidlo s Ni/Zn akumulátorem má velkou hmotnost, velké rozměry, je drahé, má však možnost nejekonomičtějšího využití elektrické energie z jádrového zdroje, a proto představují velkou konkurenci pro automobil s vodíkovým motorem , pokud se vodík dodává z jádrového zdroje elektrolytickou výrobou. Podobně to platí pro automobily s akumulátorovými systémy Zn/Cl₂, LiAl/FeS₂. [1]

4.2 Vodík jako palivo v letecké dopravě

Podobně jako pro výstavbu energetických zařízení i pro výstavbu velkých letadel je potřeba dlouhý čas. Současně se tím zvyšují i výrobní náklady, které potom vyžadují, aby životnost letadel byla co nejdelší.  Vzhledem k také se snižujících se zásobách paliva je nutno zajistit, jejich dostatečnou zásobu po celou dobu jejich životnosti. Velké letecké společnosti hledají palivo, které by nahradilo současně používaný letecký petrolej. V porovnání s používáním vodíku v pozemní dopravě je kryogenní skladování vodíku a jeho použití v letecké dopravě více schopné konkurovat už používaným palivům. Vyplývá to z podstatně většího obsahu energie na jednotku hmoty v případě použití LH₂, což je rozhodujícím činitelem právě v letecké dopravě. Použitím vodíku se snižují provozní náklady, pořizovací cena letadel, energetická náročnost a dosahuje se menšího znečištění ovzduší a hlučnosti.

Porovnání letadel a jejich letových vlastností při použití vodíku a syntetického petroleje (JETA) jako paliv

Vliv vodíku na vlastnosti letadla (zpracovala firma Lockhead):

Dimenze letadel - menší křídla, větší trup letadla, menší celková hmotnost letadla

Zvuk - menší hluk, menší nárazová vlna při přechodu do nadzvukové oblasti

Exhaláty - netvoří se žádný CO, CO₂, menší tvorba NO_x, dvojnásobně větší množství vody.

Energetická náročnost a provozní vlastnosti – větší využití energie, větší rádius vzhledem na větší množství skladované energie ve formě LH₂, delší životnost motoru, menší údržba

Bezpečnost provozu - stejná jako při použití petroleje

Dostupnost paliva – z uhlí a vody (použitím nefosilních zdrojů)

Konstrukce vodíkového letadla:

Kapacita pro přepravu nákladu 48 218 kg. Množství paliva 22 725 kg. Akční rádius 6667 km. [2]

nákladní prostor

5.0 Praktické uplatnění vodíkových článků v automobilovém průmyslu

5.1 Scania

Autobus na smíšený, tzv. hybridní, pohon pro městskou hromadnou dopravu představila na začátku června na londýnské výstavě Mobility and City Transport (Mobilita a městská doprava) švédská společnost Scania. Představený prototyp je zatím nejlepší odpovědí na požadavky moderní městské hromadné dopravy s minimálním dopadem na životní prostředí.
Pohonná jednotka autobusu je založena na kombinaci dvou technologií - elektrického pohonu a palivových článků. Autobus má elektrický motor s vyrovnávací baterií. Elektrická energie je vyráběna v palivových článcích. Palivem je vodík, který je ve stlačeném stavu uložen v nádržích na střeše autobusu. Autobus tak ve finále neprodukuje žádné emise, ale pouze čistou vodu. Palivové články mají účinnost 52 - 57 %, což je mnohem vyšší než u běžného naftového motoru vyrábějící elektřinu pomocí generátoru. Spotřeba energie byla snížena o 60 % v porovnání s obdobným typem autobusu s dieselovým motorem. Výrobce se zaměřil také na snížení hlučnosti autobusu, kterou se podařilo redukovat až na hranici 70 decibelů, což je méně než obvyklá hlučnost malého osobního auta. Hluk z dopravy je přitom jedním z nejvýraznějších negativních faktorů pro lidské životní prostředí ve velkých městech. Podle samotného výrobce je ovšem nová technologie vhodná spíš pro středně velká města. Ovšem v případě integrovaného dopravního systému spolu s existující železniční sítí a sítí podzemní dopravy mohou být tyto nové autobusy atraktivním řešením i pro větší města především díky své pružnosti. [3]

5.2 BMW 750HL

Automobilka BMW pracuje na vodíkovém pohonu 22 let a nyní představila vodíkový automobil BMW 750hL, reprezentující pátou generaci vývoje vodíkových vozidel. Upravený dvoupalivový dvanáctiválcový motor o zdvihovém objemu 5,4 l v prodlouženém sedanu BMW 750iL dosahuje shodného výkonu asi 150 kW (204 k) při provozu jak na vodík, tak na běžný benzin. U BMW totiž pracují v rámci programu Clean Energy (čistá energie) na tom, aby vodíková pohonná jednotka dosáhla stejného stupně využitelnosti jako klasický spalovací motor na benzin nebo naftu. Prototyp BMW 750hL ujede až čtyři stovky kilometrů na jednu nádrž vodíku, superpodchlazeného na teplotu –253°C. Pokud se vodíková nádrž vyprázdní, řidič jednoduše přepne na benzinovou a pokračuje dál v jízdě. BMW 750hL vyhovuje všem bezpečnostním požadavkům a mezinárodním předpisům. Vodíková nádrž prošla veškerými druhy nárazových testů ve vozidle a prokázala přinejmenším stejnou bezpečnost jako palivová nádrž na benzin. Řada bezpečnostních systémů zaručuje, že tlak v nádrži nikdy nepřevýší hodnotu 4 barů. I při těžké havárii je jakékoli nebezpečí vyvolané vodíkovou nádrží vyloučeno.Vodíkový dvanáctiválec BMW 750hL je už pátou generací vodíkového pohonu, v němž se vodík spalováním mění na vodní páru. Zkapalněný vodík se v programu Powered by BMW with Sun and Water (pohon BMW ve spolupráci se sluncem a vodou) vyrábí elektrolýzou z vody. Samozřejmě za přispění sluneční energie nebo hydroenergie, čímž vzniká ekologicky nezávadný vratný cyklus, kdy se voda převádí z páry znovu na vodu. Přírodní zásoby se tím nezmenšují a kvalita životního prostředí se nemění. Další ukázkou možností moderních technologií je absence akumulátorové baterie. Ve voze ji nahrazuje sada vodíkových palivových článků, které zásobují elektrický systém, aniž by běžel motor. Tato výhoda se využije zejména v horkých klimatických podmínkách, kdy při zastavení vozu pracuje klimatizace právě jen na energii z palivových článků a nevznikají žádné výfukové emise.Automobilka BMW na jaře vyrobila pro ověření tohoto projektu omezenou sérii automobilů BMW řady 7 na vodíkový pohon, aby prokázala, že je připravena na jejich sériovou výrobu. Flotila BMW 750hL bude sloužit mezi Mnichovem a Hannoverem po dobu světové výstavy EXPO 2000. V Hannoveru na letišti v Mnichově byla postavena první veřejná automatizovaná plnicí stanice. Pokud politici a petrolejářské koncerny tento ekologický program podpoří výstavbou čerpacích stanic, pak už nebudou vodíková vozidla vizí budoucnosti, ale stanou se realitou všedního dne. [7]

5.3 Opel Zafira

Automobilka Opel představí ve své expozici na letošním mezinárodním autosalonu v Ženevě prototyp kompaktního velkoprostorového modelu Zafira, využívajícího technologie palivových článků. O pohon tohoto koncepčního vozu se stará třífázový elektromotor o výkonu 55 kW (75 k), jemuž potřebnou energii zajišťuje sada vodíkových palivových článků. Plně funkční Zafira, nabízející pět standardních míst pro cestující, dosahuje rychlosti až 140 km/h a její akční rádius činí přibližně 400 km. Zafira s vodíkovými palivovými články je dalším pokračováním projektu, na kterém v Globálním centru alternativních pohonů GAPC Opelu/GM (Global Alternative Propulsion Center) pracuje souběžně na 200 špičkových vědců a konstruktérů z celého koncernu General Motors. Hlavním cílem jejich snažení je uvedení této progresivní technologie do sériové výroby automobilů. Opel představil své první vize o podobě a způsobech pohonu ekologicky přijatelných vozů už v roce 1997 – a právě v Ženevě. Dalším krokem byla prezentace Zafiry poháněné vodíkovými palivovými články na pařížském autosalonu v roce 1998. Rozdíl je však v tom, že předchozí prototypy používaly k přeměně metanolu na vodík tzv. transformátor, zatímco Zafira, představovaná letos v Ženevě, skladuje čistý vodík přímo ve speciální nádrži. Podobný systém uložení čistého vodíku v nádrži zabudované ve voze předvedl už prototyp Precept FCEV (fuel cell electric vehicle), představený společností General Motors na letošním autosalonu v Detroitu. Speciální cylindrická nádrž na vodík, která je použita v experimentální Zafiře, je dlouhá přibližně jeden metr, v nejširším místě má průměr 400 mm a pojme až 75 litrů zkapalněného vodíku. K nezbytné tepelné izolaci nádrže použili konstruktéři speciálně vyvinutou rohož ze skelných vláken, jejíž izolační schopnosti jsou srovnatelné s běžně používaným polystyrénovým obložením o tloušťce několika metrů! Nádrž na vodík z ušlechtilé nerezavějící oceli je v experimentální Zafiře uložena bezpečně pod podlahou vozu, v prostoru pod druhou řadou sedadel a částí zavazadlového prostoru. Je konstruovaná tak, aby bez poškození přestála zrychlení či zpomalení až 30 g (1 g = 9,81 m/s2). Bezpečnostní vlastnosti nádrže se testovaly a ověřovaly při celé řadě bariérových zkoušek. Zabudování mnoha technologicky unikátních prvků do experimentálního vozu si vynutilo uložení druhé řady sedadel a podlahy zavazadlového prostoru o 30 resp. 100 mm výše, než je tomu u sériových vozů Opel Zafira. Palivové články a elektromotor jsou uložené pod přední kapotou. Celá kompaktní sada vzájemně pospojovaných palivových článků, kterou sestavili specialisté centra GAPC, má rozměry 590 x 270 x 500 mm (délka x šířka x výška). Principem práce palivových článků je elektrochemický proces, při kterém vodík reaguje s kyslíkem, přičemž se generuje elektrická energie. Maximální elektrický výkon sady celkem 195 pospojovaných palivových článků Zafiry je 80 kW. Celý proces probíhá při teplotě asi 80 °C. Elektrická energie ze sady palivových článků se přivádí k třífázovému asynchronnímu elektromotoru o výkonu 55 kW, který prostřednictvím jednostupňové převodovky pohání přední kola. Celá poháněcí jednotka váží jenom 68 kg. Charakteristickým rysem poháněcího systému experimentální Zafiry je pozoruhodná schopnost akcelerace: Nejvyšší točivý moment elektromotoru 251 Nm je k dispozici ve všech režimech jízdy a kompaktní velkoprostorový prototyp o pohotovostní hmotnosti 1575 kg (pohotovostní hmotnost sériové Zafiry činí 1425 kg) díky tomu zrychluje z klidu na 100 km/h za pouhých 16 sekund! Krátkodobě je však poháněcí elektromotor schopen dodávat výkon až 60 kW (82 k) a nejvyšší točivý moment 305 Nm, takže dynamické parametry prototypu mohou být ještě lepší. Tyto působivé údaje ukazují, jaký pokrok ve vývoji a přípravě této technologie pro zavedení do sériové produkce udělal tým konstruktérů GAPC, pracujících ve výzkumných centrech v německém Mainz-Kastelu stejně jako v Rochesteru a Warrenu v USA. Skvělým základem pro experimenty výzkumníků centra GAPC jsou zkušenosti společnosti General Motors, která se alternativním pohonům věnuje již od roku 1964. Velkým úspěchem při přípravě progresivní technologie pohonu palivovými články pro každodenní využívání byl moment, kdy tým specialistů GAPC, vedený společně Dr. Byronem J. McCormickem a Dr. Erhardem Schubertem dokázal úspěšně a opakovaně spouštět sadu článků při teplotách minus 20 °C. Tyto testy nyní pokračují a zkoumá se schopnost palivových článků spolehlivě pracovat při teplotách minus 40 °C. Vývoj modelu poháněného palivovými články, který by bylo možné zavést do sériové výroby, dostal nový impuls uzavřením dohody o strategické spolupráci se silnými partnery – jedním z nich je například japonská automobilka Toyota, dalšími jsou velké petrolejářské společnosti. Díky této dohodě, jejímž hlavním cílem je urychlené vybudování nezbytné infrastruktury a příprava lehkých a kompaktních nádrží na palivo budoucnosti, dochází k výraznému snížení potřebných vývojových nákladů. Zmiňovaným „palivem budoucnosti“ se podle Dr. Erharda Schuberta, jednoho z ředitelů GAPC, stane velmi pravděpodobně právě vodík. „Pohon vodíkovými palivovými články je velmi efektivní, zplodinami jsou pouze neškodné vodní páry, je téměř bezhlučný a přitom zároveň nabízí opravdové potěšení z jízdy,“ tvrdí Dr. Erhard Schubert. [6]

5.4 Hyundai

Hyundai Motor Company (HMC) postupuje rychle vpřed při vývoji prvního SUV neškodného vůči životnímu prostředí. Vůz pro každodenní použití Santa Fe je vybaven pohonem na palivové články. HMC již dodala do společnosti "California Fuell Cell Partnership" k testování první vůz Hyundai Santa Fe poháněný motorem s palivovými články "International Fuel Cell" a nyní ve spolupráci s Quantum Technologies Worldwide Inc. vybavila tento vůz skutečnou nádrží na vodík. Doposud žádný výrobce automobilů nebyl schopen vybavit svůj zkušební vůz nádrží schopnou pojmout vodík v množství 3.600 liber na čtvereční palec. Nádrž společnosti Quantum Technologies je schopná pojmout vodík nutný pro pohon palivových článků při tlaku až do 5.000 psi. [5]

5.5 Ford

Nový motor, který namísto směsi uhlovodíkových plynů spaluje především vodík, založený na technologii H21ICE, je pokračováním vývoje 2-litrového plynového motoru Zetec, který byl modifikován pro použití vodíku. Motor poháněný vodíkem dosahuje o 5 procent vyšší vnitřní účinnosti než dosavadní plynové motory. Přesto prototyp motoru instalovaný v modelu Ford Focus zatím disponuje jen polovičním mechanickým výkonem, než standardní plynový motor Zetec a na jedno naplnění nádrže ujede jen 110 km. Po zdokonalení motoru se počítá s dojezdem na jednu nádrž asi kolem 300 km. Richard Parry-Jones, vice prezident pro rozvoj globální produkce firmy Ford, říká, že jejich vodíkový motor bude mostem od dnešních plynových motorů k technologii zítřka založená na vodíkových palivech. Podle konstruktérů je přechod ke spalování vodíku jediná možnost, jak se přiblížit k termínu "zelená" technologie. Minimálně do doby, než se technologie vodíkových palivových článků dostane na použitelnou úroveň. Podle vyjádření firmy je jedinou a poslední podmínkou zavedení sériové výroby modelů automobilů s vodíkovým pohonem dostatečné vytvoření sítě vodíkových čerpacích stanic po celé zemi. Vytvoření této sítě by mělo proběhnout do roku 2006, kdy se počítá se zahájením prodeje vodíkových modelů.

6.0 Závěr

Využití vodíku jako paliva není při dnešních cenách za ropné produkty možný, a to hlavně z důvodu obrovských nákladů na výrobu vodíku, které jsou dané hlavně nepřipraveností infrastruktury a nemožnosti vyrábět vodík v dostatečně velkém množství (čím větší množství vyrobeného vodíku, tím nižší cena na jednotku vodíku). Hlavní výhodou vodíku je čistota spalování. Pokud se vodík použije v motorech s vnitřním spalováním nebo v palivových článcích, vznikne tepelná, mechanická či elektrická energie a neškodný produkt – voda. Škodlivé látky, které vznikají při spalování fosilních paliv zejména CO₂, jež je hlavní složkou vzniku skleníkového efektu, při spalování vodíku nevzniknou. Bohužel jsou zde určité aspekty bránící v masovém používání vodíku jako paliva. Vodík se v pozemských podmínkách prakticky nevyskytuje v čisté formě, čímž vzniká problém získávání a posléze zpracování vodíku. V dnešní době se 90% vodíku získává petrochemickými procesy. Vstupem je uhlovodíkové palivo a tepelná energie, výstupem čistý vodík, CO₂ a další složky. Jestliže budeme získávat vodík tímto způsobem, tak k potřebnému drastickému omezení skleníkových plynů v žádném případě nedojde. Navíc takto získané palivo bude dražší než původní uhlovodíkové palivo. Rozdíl je především v distribuci skleníkových plynů. Zatímco v dnešní době je zdrojem podstatným zdrojem znečištění automobilismus, tak pokuť budeme vodík získávat z uhlovodíkových paliv, hlavním zdrojem budou továrny, kde se bude vodík vyrábět. Dojde pouze ke změně znečišťovatele ovzduší, ale ne k omezení výroby škodlivých plynů jako vedlejšího produktu. Vodík je možno získávat také jinýma způsoby při kterých nevznikají žádné škodlivé látky – elektrolýzou vody. Tento způsob výroby vodíku lze chápat jako akumulátor energie.Protože se elektrická energie nedá skladovat, skladuje se zatím obvykle ve formě potenciální energie vody. Výrobou vodíku a jeho dalším spalováním by se dalo poměrně dobře vyřešit skladování elektrické energie. Problém nastává, kde vzít takové obrovské množství energie, aby se vodík stal běžným palivem. Jenom v České republice by bylo potřeba k provozování vodíkových automobilů potřeba tolik elektrické energie, jako by vyrobilo 26 temelínských elektráren. Zde nastává hlavní problém. Při výrobě vodíku elektrolýzou (bez jakýchkoliv nečistot a odpadů) musíme vyloučit všechny tepelné elektrárny a využívat pouze sluneční, vodní, atomové a další netradiční zdroje energie. U nás je pouze reálná atomová energie, protože ostatní alternativní získávání energie, nejsou na tak technické úrovni, aby mohli nahradit současné tepelné elektrárny. A zde je kámen úrazu. Proti atomové energii vystupuje spousta lidí a organizací, kteří upozorňují na její nebezpečí. Proto je možnost využití atomové elektrárny jako levného zdroje energie, prakticky vyloučené. A právě proto to s vodíkem jako všeobecným a nejekologičtějším palivem budoucnosti vidím poněkud skepticky.

Použité informační zdroje

[1] BALAJKA, J. Vodík a iné nové nosiče energie. Bratislava: ALFA, 1982. 312 s.

     ISBN 63-128-82

[2] RICHTER, M., FARSKÝ, M. Vodík palivem budoucnosti: od Verneovy vize k ceně za   

     litr vodíku. Vesmír, 2001, roč. 80, č. 10, s. 568-569,572

[3] VAITHEESWARAN, V. Kudy k vodíkové ekonomice? Ekonom: týdeník hospodářských 

     novin, 2001, roč 44, č. 51-52, s.18-19

[4] ŽÁKOVEC, J. Vodíkový projekt na mnichovském letišti. Věda, technika a my, 2001, roč.

     53, č. 4, s. 24-25

[5] REJLEK, Jakub. Hyundai podporuje ekologii. 16.8. 2001, [cit. 2001 – 11-20]

     <URL  http://auto.centrum.cz/novinky/clanek.phtml?id=790>

[6] BMW750 HL: Budeme jezdit na vodík. 13.8. 2000, [cit. 2001 – 11-20]

     <URL http://www.periskop.cz/clanek.php?id=1957>

[7] KAŠPAR, Jakub. Scania přišla s autobusem na hybridní pohon. 17.6. 2001,

     [cit. 2001-11-20], <URL http://ekolist.cz/01061750.htm>

Energie z vodíkových palivových článků

Zahájením projektu vodíkových palivových článků bude učiněn rozhodující krok na cestě využití vodíku jako nositele energie. Vodíkové systémy generování energie jsou už technicky uskutečnitelné a v západní Evropě začíná etapa akcí směřující k přijetí této myšlenky veřejností.

Vodík se značnou energetickou hustotou lze uložit v kapalném stavu. Může být transportován potrubím, v tlakových nádržích, anebo v kryogenických tancích. Není jedovatý a při použití vzniká (v ideálním případě) jen voda, anebo pára. Vodík je ideálním spojením mezi budoucím zásobováním energií z obnovitelných zdrojů a současnou energetickou infrastrukturou. Díky němu je možná recyklační smyčka energetického systému.

Zapojení vodíku do energetického hospodářství

Otázkou zůstává: kdy a jak začít. Použití velkého množství vodíku má smysl jen v případě, že primární energie spotřebovaná k jeho výrobě je ekologicky čistá. Navíc musí být v místě výroby nadbytek energie. Lze uvažovat o velkých vodních, solárních, anebo větrných elektrárnách v nepříliš obydlených a málo industriovaných oblastech. Velká solární, anebo eolická zařízení s nadbytkem energie v současnosti neexistují. Přebytková kapacita, kterou by bylo možné využít k výrobě vodíku, se občas vyskytne jen u hydroelektráren.

Restrukturalizace existujícího energetického systému trvá dlouhou dobu. I několik desetiletí.

Pokud se v XXI. století náš současný energetický systém vypořádá s obnovitelnými energetickými zdroji, budou naši vnuci potřebovat funkční vodíkové hospodářství. S ohledem na dlouhou dobu potřebnou k jeho realizaci, je třeba se zaváděním vodíkových technologií začít už dnes. Zavádění vodíku a obnovitelných zdrojů energie musí probíhat současně.

Ve fázi přeměny musí být koloběh obnovitelné energie a vodíku oddělen. K výrobě vodíku je třeba použít konvenčních energetických zdrojů. Především v oblastech s vysokými hodnotami znečišťujících emisí. Vodík je vhodný jako palivo pro kombinovanou výrobu tepla a energie, anebo pro přepravní účely: - v autobusech MHD, v letadlech apod.

Vodík může být vyráběn existujícími elektrárnami energeticky optimálním způsobem. Elektrolyzér pro výrobu vodíku by bylo možné umístit do elektrické sítě jako prostředek ke kontrole a řízení elektrického systému.

Zavedení elektrolyzérů v místech poptávky umožňuje přemístit řízení zátěže z elektrárny do odběrného místa. Elektrárny budou schopny vyrábět za optimálních podmínek při plném zatížení. Sníží to nákladovou nevýhodu, kterou má elektrická produkce vodíku oproti výrobě ze zemního plynu. Kromě tržní ceny vodíku je výhodný i lepší výkon elektráren.

V čem je energie užitečná?

Vodík nabízí energetickým společnostem do budoucna řadu možností. Subjekty vyrábějící energii mají zkušenosti s nosiči energie. Ty mohou být užitečné kupř. pro použití vodíku jako primárního paliva pro kombinovanou výrobu tepla a elektrické energie. Navíc se nabízí šance prodávat vodík sektoru dopravy a vstoupit tak na nový trh.

V současnosti je zavádění vodíku do energetického hospodářství teprve na začátku. Ačkoliv se jeho výroba a aplikace v posledním období bez problémů začlenily do průmyslového sektoru, v energetickém systému ještě existují některé otázky.

Každý člověk potřebuje energii a musí být schopen akceptovat nosič energie. Elektrické vodiče, dálkové rozvody tepla a zemního plynu, benzín, topný olej. O totéž je třeba usilovat i v případě vodíku. Šíření poctivých a spolehlivých informací (založené na ryzích argumentech) musí vytvořit důvěru v tento prostředek přenosu energie. Jasná prezentace podpořená praktickými aplikacemi ukáže proveditelnost celé koncepce.

Navíc musí být učiněny příslušné právní kroky. Důležité je vytvoření bezpečných podmínek pro zacházení s vodíkem, protože nelze předpokládat, že každý uživatel v průmyslovém i komerčním sektoru bude mít s vodíkem zkušenosti.

Se zřetelem na technické zdroje je stále potřebný základní a aplikovaný výzkum. Musí být vyvinuty účinné a ekonomicky konkurenceschopné systémy na výrobu vodíku a jeho aplikace.

Kanadsko-německá iniciativa

Do programu exploatace vodíku v energetickém sektoru se zapojily dvě německé společnosti: Hamburgische Electricitäts-Werke AG (HEW) a Hamburger Gaswerke GmbH (HGW). První krok se ale odehrává v rámci EQHHPP (Euro-Quebec-Hydro-Hydrogen-Project). Jde o výrobu vodíku pomocí vodní energie (asi 100 MW) v Kanadě, o jeho přepravu do Evropy a o použití v Hamburku.

HEW a HGW zkoumaly možnosti aplikace vodíkových palivových článků CHP k výrobě elektrické energie a tepla. Realizace tohoto projektu nebude okamžitá. Rozhodly se vytvořit vodíkem poháněný palivový článek na městské hranici Hamburku. Zařízení má výkon 200 kW_e1.

Vodíkem poháněný palivový článek CHP

Zařízení s palivovými články CHP bude napojeno na existující energetickou infrastrukturu. Generované teplo bude dodáváno do sítě oblastního vytápění, jež zásobuje 600 domácností. Elektřina bude odváděna do sítě HEW.

Projekt se skládá ze dvou fází: první představuje realizace palivového článku na zemní plyn, druhou instalace vodíkového palivového článku. Celkové náklady na projekt činí asi 10 mil. DEM. Část příslušející k vodíku bude poskytnuta Evropskou komisí. K dispozici je také rezervní místo na instalaci příp. třetího experimentálního systému s budoucími typy palivových článků.

Palivový článek poháněný zemním plynem

V polovině roku 1995 byl uveden do provozu palivový článek PAFC PC25A amerického výrobce ONSI/IFC poháněný zemním plynem. Zařízení od italského partnera CLC/Ansaldo vyrábí 200 kW čisté elektrické energie a 220 kW tepelné energie. Palivový článek funguje bez jakýchkoliv problémů.

Vodíkové systémy vycházejí z článku poháněného zemním plynem PC25C, což je také výrobek firmy ONSI/IFC (typ PAFC) a má stejné provozní hodnoty (22 kW_e1, 220 kW_th). PC25C upravila společnost CLC/Ansaldo k exploataci čistého vodíku. Byl vypuštěn reformátor a řadicí reaktor a naopak připojen katalytický dodatečný hořák ke spalování zbytkového vodíku.

Vodík je skladován v tekutém stavu v nádrži s obsahem 60 m³, poblíž palivového článku. Tekutý vodík je před vstupem do palivového článku převeden ve výparníku do plynného stavu. Obsah nádrže stačí na dva týdny provozu palivového článku.

Aby zařízení přijalo obyvatelstvo žijící v bezprostřední blízkosti, projekt byl a je neustále veřejnosti prezentován. Aktivity jsou koordinovány a zároveň bylo kontaktováno více místních komunit, než vyžadují právní postupy.

Schvalovací procedura nádrže na vodík byla provedena podle německých předpisů BImSchG. Pokud jde o systém palivového článku, nebylo to nutné.

Vodík palivem budoucnosti

Od Verneovy vize k ceně za litr vodíku

MIROSLAV RICHTER, MIROSLAV FARSKÝ

      Očekává se, že těžba fosilních paliv (zejména ropy a zemního plynu) klesne a jejich ceny porostou. Jedním z náhradních paliv by mohl být vodík, jehož zásoby ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Zatím ale ještě není jasné, která z technologií výroby vodíku je nejvýhodnější, jak lze vodík skladovat ve velkém, jak nejlépe ho bez nebezpečí výbuchu dopravovat na velké vzdálenosti, z čeho a jak by se měly konstruovat vodíkové motory, kam by se měly umístit palivové nádrže a kolik to všechno bude stát. Téma výzkumu a vývoje vodíkové energetiky se objevuje v prestižních časopisech¹⁾ a zabývají se jím velké nadnárodní firmy.

      Inženýr Cyrus Smith ve Verneově Tajuplném ostrově (1874) rozvíjí vizi, že jednou kapalný vodík a kapalný kyslík získané elektrolýzou vody nahradí pod kotli parníků či lokomotiv uhlí a "stanou se nevyčerpatelnými prameny tepla a světla". Spalného tepla vodíku si přírodovědci i technici všimli dávno, ale průmyslově se vodík začal využívat až počátkem 20. století (při svařování či jako hydrogenační a redukční činidlo).²⁾ První pokusy s využitím vodíku jako paliva pro raketové motory začaly počátkem 50. let a do realizační fáze se dostaly až v polovině 60. let (druhý stupeň nosných raket Atlas Centaur a Saturn 1 a druhý a třetí stupeň rakety Saturn 5).

      Již r. 1839 zjistil W. R. Grove, že vodík a kyslík mohou v "plynovém galvanickém článku" poskytovat stejnosměrný elektrický proud. Toto zařízení (palivový článek) dlouhý čas nepřekročilo status laboratorní kuriozity (jednak nebyly odstraněny některé materiálové potíže, jednak se vývoj elektrotechniky zaměřil na střídavý proud). Teprve v 60. a 70. letech 20. století přinesl rozvoj vojenské techniky takovou podobu článku, která se dala využít jako mobilní zdroj elektřiny pro kosmickou a telekomunikační techniku.³⁾

• Přednosti vodíku jako paliva. Zásoby vodíku ve vodě jsou téměř nevyčerpatelné. Vodík má vysokou hustotu energie (vztaženo na jednotku hmotnosti) a dá se transportovat i skladovat. Z hlediska ochrany životního prostředí je spalování vodíku čistší než spalování fosilních paliv, vznik vody není provázen toxickými sloučeninami ani skleníkovými plyny.

  Problémem zůstávají oxidy dusíku vznikající ve spalovacím prostoru vodíkového motoru. Jejich množství závisí na přebytku kyslíku, teplotě, tlaku a době zdržení spalin při vysokých teplotách ve spalovacím prostoru. Co se týče exhalací oxidu uhličitého a uhlíkatých sloučenin z vodíkového motoru, ukázaly analýzy, že jsou minimálně o tři řády nižší než u stejně silného motoru spalujícího benzin, naftu či zemní plyn. Všechny exhalace ve vodíkovém motoru přitom pocházejí z tepelného rozkladu motorových olejů ulpívajících na stěnách válců, popřípadě mazacích a těsnicích turbinových olejů. Nelze však opomenout, že z charakteru hoření, které je u vodíku výrazně rychlejší, vyplývá poměrně vysoká, dle provozních podmínek motoru až o řád vyšší koncentrace nenasycených uhlovodíků (zejména benzenu) ve spalinách.

• Kdo a jak bude vodík vyrábět. V průmyslovém měřítku se vodík vyrábí jednak petrochemickými procesy včetně zplyňování uhlí (90 % produkce), jednak elektrolýzou vody. Krom toho je významným vedlejším produktem nebo součástí plynů odcházejících z rafinerií, koksáren a elektrochemických výrob na bázi vodných roztoků anorganických kyselin nebo solí. Se zplyňováním uhlí se zamozřejmě nepočítá (zásoby budou vyčerpány). Za perspektivní postupy se považují: elektrolýza vody, termické štěpení vody a zplyňování biomasy, jmenovitě biomasy odpadní.
• Výroba, doprava a skladování. Velkovýrobny vodíku budou vázány na zdroje energie tepelné (jaderné), elektrické (vodní) nebo solární. Ty nebudou rozmístěny rovnoměrně, proto se bude uvažovat o dálkovém transportu (viz rámeček na této straně), možná i transoceánském a transkontinentálním, přičemž druhý by mohl navazovat na první - zkapalněný vodík lze přepravovat buď v kontejnerech, nebo v říčních tankových lodích. Kontejnerová přeprava bude zřejmě efektivnější, neboť nebude vázána jen na splavné řeky, bude se kombinovat s železniční a silniční dopravou. Přepravní kontejnery umožní i skladování, resp. vyrovnání bilančních výkyvů mezi výrobou, dopravou a spotřebou. Jejich nevýhodou zůstane výbušnost směsi vodíku se vzduchem, tedy riziko výbuchu při netěsnostech systému a při dopravních nehodách.

  Vedle dálkového transportu zkapalněného vodíku se jistě uplatní potrubní rozvod plynného vodíku, tak jak je to běžné u zemního plynu. Lze očekávat zachování principu rozvodu vodíku vysoko-, středo- a nízkotlakými plynovody. Tím bude zajištěna dosažitelnost vodíku jako nosiče energie jak pro velké, tak pro menší odběratele.

  Největší zkušenosti se skladováním a použitím vodíku jako paliva mají firmy angažující se v kosmické technice, např. americká firma Lockheed Martin vyrábějící raketoplány. Pro užití mimo kosmickou techniku vyvinula a vyrobila r. 1996 německá firma Linde A. G. kovovou dvouplášťovou nádobu s evakuovaným prostorem mezi stěnami s vnější tepelnou izolací. Předpokládá se, že se k naplnění nádrží kapalným vodíkem buď využijí čerpadla, nebo přepouštění při tlakovém spádu mezi skladovací nádrží a nádrží dopravního prostředku. Prakticky již byl uvedený systém distribuce zvládnut v rámci projektu Solar-Wasserstoff v SRN, kdy trvalo plnění 120litrové nádrže na kapalný vodík u zkušebního vozu BMW-735 pouhých 5 minut. Dnes se v osobních automobilech poháněných zemním plynem místo ocelových tlakových láhví využívají tlakové nádoby z kompozitních materiálů na bázi aramidových nebo uhlíkových vláken a syntetických pryskyřic. Mají při shodném provozním tlaku třetinovou hmotnost, jednodušší konstrukci a nižší cenu. Jejich použití pro stlačený plynný vodík je v principu také možné, ale akční rádius vozidel se oproti použití zkapalněného vodíku sníží.

• Bezpečnostní opatření. Výbušnost směsi vodíku se vzduchem vyžaduje přísná bezpečnostní opatření ve všech prostorách, kde se s vodíkem manipuluje, zejména pak v těch uzavřených. Bezpečnostní pravidla (přísnější než pravidla pro manipulaci s benzinem a naftou) se budou vztahovat i na prostory pro řidiče a pasažéry dopravních prostředků poháněných vodíkovými motory. Nízká hustota vodíku oproti vzduchu vyvolává intenzivní promíchávání směsi plynů, a tím rychlý vznik velkého objemu výbušné směsi v širokém rozmezí koncentrací. Lidskými smysly nelze únik vodíku do atmosféry poznat (ani při použití odorizačních prostředků). Bude nevyhnutelné používat detektory hořlavých plynů, které jsou schopny registrovat již 10 % dolní meze výbušnosti směsi vodíku se vzduchem. Mohou být připojeny na optickou a akustickou signalizaci, popřípadě mohou blokovat chod zařízení pracujících s vodíkem (motory, kompresory, čerpadla a zkapalňovací stanice, odpařovače) nebo startovat havarijní ventilaci ohrožených prostor. Významný nástup vodíku jako nosiče energie - paliva - lze proto očekávat až v "postropném věku".

Kde se vodíková energetika uplatní

      Po přechodnou dobu může vodíku jako nosiči energie konkurovat metanol, biopaliva z obnovitelných zdrojů a plynná paliva, především zemní plyn a bioplyny (viz Vesmír 80, 508, 2001/9). S rostoucím nedostatkem uhlíkatých surovin a důrazem na produkci potravin bude jejich význam klesat.

      Využití vodíku jako paliva bude zajímavé pro proudové letecké motory. Ty mají měrnou spotřebu paliva na tunokilometr nebo osobokilometr nejvyšší (přibližně třikrát až pětkrát vyšší proti např. silničním motorovým vozidlům) a jejich relativní podíl na ceně přepravy je vysoký. Odhaduje se, že do r. 2030 vzroste cena jejich současného paliva (kerosinu) zhruba pětkrát. Proto se v posledních deseti letech známé letecké konstruktérské firmy (Tupolev, Daimler-Benz Aerospace, Dornier, Airbus Aerospace aj.) a firmy se zkušenostmi v kryogenní technice (např. Linde A. G.) zabývají vývojem motorů, palivových nádrží a letounů poháněných vodíkem. Již r. 1988 se zkoušel vodíkový tryskový motor na dopravním letounu TU-154 (vzlétl pod typovým označením TU-155).

      Výhodou spalovacích turbín a jimi poháněných turbodmychadlových leteckých motorů je jejich poměrně jednoduchá adaptace na vodík. Spočívá hlavně v úpravě počtu směšovacích trysek nebo zkrácení spalovacích komor pro vyšší rychlost hoření vodíku a nutnost jeho dokonalého směšování se spalovacím vzduchem. Větším problémem je konstrukce a umístění palivových nádrží, jejichž provozní teplota musí být -250 °C při provozním tlaku 1,2 MPa. Proto nemohou být v křídlech jako dosud, bude se muset změnit konstrukce letadel. Navíc se palivové systémy musí doplnit o tepelné výměníky - výparníky pro zplynění kapalného vodíku, čímž se patrně (dle dosavadních technologických znalostí) sníží nosnost nebo dolet letadel.

      Složitá bude též konstrukce pístových zážehových spalovacích motorů na vodík, konkrétně zajištění optimálních podmínek hoření při tak mimořádné rychlosti hoření a výbušnosti směsi vodíku se vzduchem v koncentrací od 4 do 74 objemových procent. Bude se muset upravit systém směšování paliva se vzduchem a časování zážehu. Již dnes výrobci motorů vyvíjejí vodíkové čtyřtaktní pístové spalovací motory. BMW zkouší vodíkový motor v modelu 735 a Hyundai Motor Company zkouší šetnáctiventilový čtyřválcový vodíkový motor 2,0 DOHC.⁴⁾ Fantazie z Verneovek se pomalu stávají realitou.

K DALŠÍMU ČTENÍ
http://www.dwv-info.de/

1) Tržním prosazením vodíkové energetiky se v britském týdeníku "The Economicst" zabývá stať V. Vaitheeswarana, kterou "Ekonom" (2000, č. 51-52) přetiskl pod titulkem "Kudy k vodíkové ekonomice?".
2) Pomineme-li ovšem fakt, že druhou polovinu 19. století poznamenalo využívání svítiplynu, který je z 50 % složen z vodíku.
3) Dovedení kyslíkovodíkového palivového článku do realizační fáze umožnilo vybavit servisní modul kosmické lodi Apollo výkonným a spolehlivým zdrojem elektrické energie, což přispělo nemalou měrou k úspěchu amerického programu letů na Měsíc.
4) Vodíkový motor se vyvíjí rovněž v ČR v rámci projektu "Pístový motor pro spalování vodíku - pohonná jednotka budoucnosti" (registrováno GA ČR, projekt č. 101/97/K053). Nositelem grantu je Technická univerzita Liberec, spolunositeli ČVUT Praha, Státní zdravotní ústav Praha a Fakulta životního prostředí Univerzity J. E. Purkyně v Ústí n. L.

  Tento článek je odpovědí na dva zdánlivě nesouvisející dotazy čtenářů, (dotaz 75 a dotaz 108). Prvý dotaz se týká pohonu automobilů vodíkem, druhý je o palivových článcích. Odpověď na oba dotazy má společného jmenovatele - vodík jako předpokládané palivo budoucnosti.

  Palivové články samy o sobě nepředstavují žádný pohon. Palivový článek je měnič, v němž se uvolňuje chemická energie během oxido-redukční reakce a transformuje se v energii elektrickou. A teprve potom může přijít na řadu pohon: získanou elektrickou energii můžeme použít k napájení elektromotoru, který může pohánět např. vozidlo. Ale co je to vlastně ten palivový článek? Čtenář si možná vzpomene na školní pokus, při kterém byla stejnosměrným proudem rozkládána voda a u elektrod bylo možno samostatně jímat bublinky kyslíku a vodíku. Palivový článek je možno si představit jako tuto elektrolýzu úplně naruby. Totiž tak, že k jedné elektrodě přivádíme vodík (nebo případně uhlovodíkové palivo), ke druhé elektrodě kyslík nebo okysličovadlo, přitom je mezi elektrodami místo vody jiný vhodný elektrolyt a za přítomnosti katalyzátoru zde dochází k chemickému slučování kyslíku a vodíku na vodu, přitom na elektrodách vzniká elektrické napětí a mimo to reakce produkuje obvykle i teplo. Ale žádný plamen, žádné výbuchy, v naprosté tichosti probíhá přímá přeměna energie paliva na elektrickou energii. Navíc prakticky nevznikají žádné škodlivé emise, pouze vodní pára (při použití uhlovodíků též kysličník uhličitý). Úplná nádhera, ale přece to má jednu podstatnou nevýhodu: je to zatím pořád ještě velmi drahé.

  Velmi podrobný a odborný popis principu palivových článků vyšel u nás již před lety, např. v publikaci: R. Bonnefille, J. Robert: Přímá přeměna energie; Praha, SNTL 1977, 155 s. (Palivové články viz s. 79-120). Překlad z francouzského originálu.
V knize je princip popsán dosti podrobně, ale převážně teoreticky, takže pokud čtenář nemá z chemie alespoň maturitu, tak mu tato četba asi moc radosti neudělá.

  Praktická aplikace palivových článků není nijak nová, už v šedesátých letech byly užívány v kosmickém výzkumu například v projektu Apollo, kde byl potřeba lehký a ekologicky čistý zdroj tepla i napájení přístrojů. Na přelomu osmdesátých a devadesátých let byly prakticky tytéž palivové články použity například v pokusném nízkoenergetickém domě Fraunhofferova ústavu. Spotřebovávaly zde vodík, vyrobený přes léto elektrolýzou vody elektrickým proudem, získaným ze sluneční energie pomocí fotovoltaických článků. Byla ověřena dobrá funkce systému, přičemž palivové články byly umístěny dokonce přímo ve vzduchovodu klimatizace domu. Je patrné, že v obou případech se jedná o velmi výjimečné projekty, kdy příliš nezáleželo na penězích, resp. kdy byly daleko důležitější výhodné vlastnosti palivových článků a peníze byly přitom nejdříve tak na třetím nebo dalším místě. Takový přístup ale není myslitelný při plošném nasazení v praxi. Řada špičkových výzkumných laboratoří se již nejméně dvě desítky let snaží tuto dříve kosmickou techniku přiblížit praxi, tedy především významně zlevnit. Je to proces trochu podobný jako u polovodičů, ale bohužel zdaleka ne tak rychlý. Hlavním cílem je jistě zkonstruovat ekologicky čistou náhradu pístových spalovacích motorů, ovšem za přijatelnou cenu. Elektromotory jsou již dávno k dispozici, nyní navíc mohou být výhodně doplněny inteligentním elektronickým řízením. Zbývá "jen" přidat účinný, spolehlivý, lehký a levný mobilní zdroj elektrické energie.
Úsilím vědců byly postupně vyvinuty palivové články zhruba šesti druhů, které se liší palivem (vodík, metan, jiné uhlovodíky) a provozními parametry, zejména pracovní teplotou. Podle toho lze hodnotit i jejich vhodnost nasazení ve vozidlech.

  O vodíku se již dlouho uvádí, že je palivem budoucnosti. Akorát nikdo přesně neví, kdy ta jeho pravá chvíle přijde. Jeho největší přednosti jsou: možnost výrazného snížení obsahu škodlivých emisí ve spalinách a velká výhřevnost kilogramu vodíku.

  Nejelegantnější využití vodíku představují nepochybně výše zmíněné palivové články, které samy sice nejsou motorem, protože neprodukují přímo mechanickou práci, ale ve spojení s elektromotorem mohou vytvořit kvalitní pohon vozidla.

  Vodík však může být také palivem prakticky v kterémkoliv ze současných druhů spalovacích motorů, jako je pístový, proudový nebo raketový. Může zde nahradit dosud běžná uhlovodíková paliva. Motory k tomu musí být ovšem upraveny. Za to se odvděčí podstatně nižšími koncentracemi škodlivých emisí ve výfuku, přitom pochopitelně zcela odpadají emise CO a CO₂. Nezbytné úpravy se týkají nejen spalovacího prostoru motoru, ale také palivové soustavy, počínaje nádrží ve vozidle, až po vhodné dávkování paliva do spalovacího prostoru. A nestačí ani to, vně vozidla musí být vybudován samostatný systém distribuce a plnění vodíkového paliva - výdejní stojany, nádrže, cisterny, systém rozvozu. Náročnost budování infrastruktury vodíkového paliva si může čtenář představit jako obdobu budování plnicích stanic LPG (zkapalněný propan-butan) pro vozidla, které se u nás během posledního desetiletí dobře zavedly. Podobné je to také u plnicích stanic na CNG (stlačený zemní plyn), které jsou v některých zemích běžné a i u nás se v dohledné době zřejmě více rozšíří. U vodíku to však bude technicky náročnější než u LPG a CNG dohromady. Vodík může být uchováván dokonce obojím způsobem, jak ve stlačené tak ve zkapalněné formě, ale je to prašť jako uhoď, obojí přináší značné technické problémy. Jedná se totiž o vysoké tlaky a při zkapalnění i mimořádně nízké teploty (jen 20 K, tj. - 253 °C). Z toho důvodu například výdejní stojan pro vodíkové palivo musí být konstruován jinak než jsme zvyklí, koncovku plnicího potrubí připojuje k ventilu na automobilu robotizovaná ruka. Připojování i plnění je dosti nebezpečné a proto je nejlépe, když probíhá bez přímé přítomnosti člověka. Takové zařízení je ve zkušebním provozu na letišti v Mnichově, na vodík zde pokusně jezdí upravené osobní automobily a autobusy.

  Vysoká výhřevnost kilogramu vodíku je lákavá, ale v praxi je také důležité, kolik kilogramů bude přitom vážit a kolik místa ve vozidle zabere silnostěnná a tepelně izolovaná palivová nádrž.
Některé další problémy vodíku:
- tvoří třaskavou směs se vzduchem - problém větrání garáží, autoservisů apod.,
- díky malé molekule proniká téměř každým těsněním, šroubením i ventily,
- stlačování a zkapalňování vyžaduje značné výdaje energie navíc.

  Speciální tlakové nádoby, stlačování i řada nutných bezpečnostních opatření činí vodíkové palivo v konečném hodnocení dosti drahým v porovnání s tekutými uhlovodíkovými palivy, která vystačí s lehkými nádržemi bez tlaku. Proto zřejmě jen velmi urgentní okolnosti mohou přispět k jeho skutečně plošnému užívání. Počítá se, že by k tomu mohlo dojít při blížícím se vyčerpání fosilních uhlovodíkových paliv, tj. řádově během 20 - 50 let.

  Pro bližší budoucnost výrobci vozidel stále hledají provozně levnější a relativně méně nebezpečná tekutá paliva. Horkým favoritem se přitom může stát methanol, který lze poměrně jednoduše vyrábět synteticky. Jeho hlavní a skoro jedinou nevýhodou je jedovatost, naproti tomu podobně jako vodík může být methanol použit jak do pístových spalovacích motorů tak i do určitého typu palivového článku. Ve spalovacích motorech má i určité přednosti, a to i z hlediska emisí. V tomto ohledu může vodíku vyrůst poměrně nečekaná a přitom zdatná konkurence.

Ing. Jan Bouček
Česká zemědělská univerzita v Praze, Technická fakulta, Katedra automobilů a traktorů
 

Město Los Angeles si jako první zákazník v Americe objednalo vozidlo s palivovým článkem


 Do konce roku bude městu dodána Honda FCX

7. října 2002 – Primátor Jim Hahn dnes oznámil, že město Los Angeles a společnost American Honda Motor Co., Inc. podepsaly smlouvu, díky níž se Los Angeles stane ve Spojených státech prvním odběratelem vozu s palivovým článkem.

Podle této smlouvy se začnou zaměstnanci města Los Angeles co nejdříve seznamovat s prototypy modelu Honda FCX. Město převezme prvních pět sériově vyráběných vozů do konce roku 2002.

„Kvalita vzduchu v oblasti Los Angeles se v posledních letech stále zlepšuje, a to i díky tomu, že se uplatňují nové ekologické technologie,“ prohlásil primátor Hahn. „Z hlediska znečišťování ovzduší jsou vozidla s palivovými články na vodík nadějnou předzvěstí čistých automobilů budoucnosti. Považujeme za důležité, že Los Angeles hraje vedoucí roli v technickém vývoji a rychlém uplatnění této technologie v praxi.“

 Model Honda FCX se nedávno stal prvním vozem s palivovým článkem na světě, který dostal osvědčení od dvou vládních institucí: Kalifornského úřadu pro atmosférické zdroje (California Air Resources Board - CARB) a Agentury pro ochranu životního prostředí Spojených států (U.S. EPA), od obou jako vozidlo s nulovými emisemi (Zero Emission Vehicle - ZEV).

U Hondy FCX se k výrobě elektřiny, která pohání elektromotor, používá modul palivového článku napájený využívající vodíkem. Při maximálním výkonu 60 kW (80 k.s.) a točivém momentu 272 Nm se zrychlení neliší od modelu Honda Civic. Model FCX má jízdní dosah až 355 km a místo pro čtyři osoby, lze ho tedy využívat v nejrůznějších běžných situacích. Zaměstnanci městské správy Los Angeles budou nové vozy používat při práci jako součást běžného vozového parku a pro dojíždění do zaměstnání. Městský úřad dokončuje ve spolupráci s Hondou plány na systémy doplňování vozů vodíkovým palivem.

 „Tento vůz už je připraven pro použití v praxi,“ konstatoval Tom Elliott, výkonný viceprezident americké pobočky Honda. „Nasazení parku nejmodernějších vozů s palivovými články v běžných provozních podmínkách nám umožní lépe posoudit zkušenosti zákazníků s těmito vozidly a s používaným palivem. Podpoříme tím také rozvoj infrastruktury čerpacích stanic nutných pro tankování vozidel poháněných vodíkem.“

Společnost Honda plánuje pronajmout v Kalifornii a Japonsku v průběhu příštích dvou až tří let asi 30 vozů s palivovými články. V současné době však Honda nemá v plánu prodávat vozidla s palivovými články ve větším měřítku nebo jednotlivcům.

 Společnost Honda začala s výzkumem palivových článků v roce 1989 a od roku 1999 zkouší vozidla na běžných komunikacích ve Spojených státech a Japonsku. Od roku 1999 je členem Kalifornského sdružení pro palivové články (California Fuel Cell Partnership - CaFCP) se sídlem v Sacramentu.



 Společnost Honda je už dlouho v čele ekologických iniciativ v automobilovém průmyslu, které sahají až do roku 1975. Tehdy se model Honda Civic CVCC stal prvním vozem, který splňoval zpřísněnou normu podle Zákona o čistotě ovzduší (Clean Air Act). Později byla společnost Honda první, kdo začal prodávat auto s benzínovým motorem (Civic) splňující nízkoemisní normu (LEV) ve všech 50 státech, dále kalifornskou normu extrémně nízkých emisí (ULEV) a nakonec i normu „Super“ ULEV (Accord).

Společnost Honda také začala jako první ve Spojených státech prodávat „hybridní“ auto na benzínový a elektrický pohon – model Insight – a letos uvedla model Civic Hybrid, první vůz s hybridní technologií určený pro masový trh. Model Civic GX na zemní plyn splňuje jako první a zatím jediný automobil nejpřísnější normu EPA (SULEV třída 2 oddíl 2).



Honda FCX – technické údaje
Vozidlo
Délka: 4165 mm
Šířka: 1760 mm
Výška: 1645 mm
Nejvyšší rychlost: 150 km/h
Jízdní dosah: 355 km
Počet míst k sezení: 4 dospělí

Motor
Nejvyšší výkon: 60 kW(80 k.s.)
Nejvyšší hnací moment: 272 Nm
Druh motoru: střídavý, synchronnní

Palivový článek
Typ článku: PEFC (s membránou propouštějící protony – Ballard)
Výstupní výkon: 78 kW

Akumulace energie
kondenzátor Honda Ultra

Palivo
Druh: stlačený plynný vodík
Způsob uložení: vysokotlaká nádrž na vodík (344,7 bar, 5 000 psi)
Objem paliva: 156,6 litruů



Od výzkumu a vývoje k zákazníkovi

6. září 1999 : Společnost Honda představuje prototyp elektrických vozidel s palivovými články (FCX-V1 a FCX-V2)

28. září 2000 : Vůz Honda FCX-V3 s pohonem na palivové články reprezentuje Hondu v Kalifornském sdružení pro palivové články

13. února 2001 : V Kalifornii začínají silniční testy nového vozu Honda s pohonem na palivový článek (FCX-V3)

4. září 2001 : Společnost Honda představuje nový vůz s pohonem na palivový článek (FCX-V4 a FCX-V4)

1. března 2002 : Model Honda FCX-V4 schválen japonským Ministerstvem krajiny, infrastruktury a dopravy

25. července 2002 : Model Honda FCX je na světě prvním vozidlem s palivovými články, které bylo schváleno vládou Spojených států

7. října 2002 : Město v USA Los Angeles si jako první americký zákazník objednává vozidlo s palivovým článkem