Manažeři autoprůmyslu prý věří vodíku. Proč?

Společnost KPMG provedla tak jako každoročně svůj specializovaný průzkum Global Automotive Executive Survey mezi vrcholnými představiteli společností působících v automobilovém průmyslu. Jedním z jeho hlavních závěrů je, že dieselům zvoní hrana, elektromobily s bateriemi jsou přechodným řešením a budoucnost bude patřit vodíku, který se stane hlavním zdrojem pohonu.

Podle průzkumu KMG se do popředí zájmu top manažerů automobilového průmyslu vrátila problematika pohonu, která vystřídala konektivitu. Vzhledem k stále ještě docela slušně doutnající aféře Dieselgate, kterou koncern Volkswagen de facto odstartoval postupné společensko-politické (a značně předčasné) zatracování dieselů je to logické. Nyní se tedy pozornost top manažerů upnula k elektromobilům. Za téma číslo jedna označila tuto problematiku polovina všech manažerů, kterých se ve 42 zemích světa KPMG dotázala. A čtyři pětiny manažerů se dokonce domnívají, že budoucností jsou vodíkové palivové články, nikoli elektromobily s bateriemi.  To je jistě zajímavý postoj, ještě zajímavější by ale bylo zjistit, co k těmto tvrzením top manažery vede.

Manažeři v rámci průzkumu poukazovali na to, že vodíkový pohon je mnohem životaschopnější s ohledem na stávající infrastrukturu a čas „dotankování“. Je pravda, že vodíkové palivové články řeší problém rychlosti doplnění energie pro jízdu, což je dnes jeden z hlavních problémů dobíjecích elektromobilů. Výměnou za vyřešení tohoto problému však vodíkové palivové články přinášejí několik jiných problémů. Existuje dokonce taková humorná hláška: „Vodík je palivem budoucnosti. A také jím navždy zůstane...“ Tento vtip se traduje už léta a odráží všechny problémy, které jsou s využíváním vodíku spojeny. A není jich zrovna málo...

Zapomeňte na elektrolýzu

Vodík není surovinou jako uhlí, ropa nebo zemní plyn. V přírodě se samostatně v čisté formě nevyskytuje, je třeba jej vyrobit. Výhodou je, že tak lze činit mnoha způsoby a z různých primárních zdrojů od ropy přes zemní plyn nebo uhlí až po vodu. Prakticky vždy je k tomu také zapotřebí elektrické energie. Měřit účinnost vodíkového elektropohonu s tím bateriovým je velmi obtížné právě proto, že bychom museli v případě výroby z ropy, uhlí či zemního plynu počítat nejen s elektrickou energií, kterou proces vyžaduje, ale také s energií obsaženou v dané zdrojové surovině. Nejjednodušší srovnání nabízí výroba vodíku pomocí elektrolýzy, kdy de facto pouze přeměníme jeden druh energie na jiný a potom zpět.

Elektrolýza vody sice dává ten nejčistší vodík (ten z fosilních zdrojů se ještě musí čistit) je bohužel velice energeticky náročná. Spotřeba energie na výrobu metru krychlového vodíku se pohybuje okolo 5 kWh, což vzhledem k hustotě vodíku dělá cca 56 kWh na výrobu jednoho kilogramu tohoto plynu. A jedno kilo vodíku na 100 km je také průměrná reálná spotřeba Toyoty Mirai...  Jinými slovy - máme zde spotřebu 56 kWh/100 km, což je téměř trojnásobek spotřeby srovnatelného bateriového elektromobilu (okolo 20 kWh/100 km).  A to jsme ještě nezapočítali energii potřebnou pro stlačení vodíku na 700 atm (tímto tlakem se plní nádrže Mirai)! Je tedy evidentní, že elektrolýza není cestou vpřed, jednalo by se o zbytečné mrhání elektrickou energií pro palivové články. Pro ty má mimochodem Elon Musk nelichotivou slovní hříčku - říká jim Fool Cell namísto Fuel Cell (v překladu něco jako článek bláznů)...

Je tedy jasné, že elektrolýza, zřejmě ani ta sofistikovanější vysokoteplotní, kde část potřebné elektrické energie nahrazuje odpadní teplo, například z jaderné elektrárny, by nebyla efektivní cestou k vodíkové silniční dopravě. Jednalo by se vlastně jen o komplikovanější systém než infrastruktura dobíjecích elektromobilů, množení energetických ztrát a zvyšování emisí z výroby elektrické energie (z té části energetického mixu, která je emisní). Čili „všechno špatně“.

Kde ho brát?

Jak se vlastně vodík v současnosti získává? Roční produkce se blíží 60 milionům tun, což je obrovské množství, vezmeme-li v úvahu, jak je vodík lehký. Je více než čtrnáctkrát lehčí než vzduch (metr krychlový vodíku váží jen 89 gramů, zatímco vzduchu 1,28 kg), takže se jedná o více než 670 miliard metrů krychlových vodíku ročně. Jen pro představu: I při stlačení na 350 atmosfér se jedná o objem 1 x 1 x 1,9 km. 

Drtivá většina (95 procent) vodíku se dnes bohužel vyrábí z fosilních zdrojů, a to parním reformingem ze zemního plynu, který dává 48 procent produkce, dalších 30 procent připadá na výrobu parciální oxidací z ropy a 18 procent zplyňováním uhlí. Pouze čtyři procenta světové produkce vodíku jsou dnes získávána elektrolýzou.

Většina vodíku při těchto procesech vzniká jako vedlejší produkt výroby jiných látek, své uplatnění však má v řadě odvětví, přičemž zhruba polovina celosvětové produkce se využije pro výrobu amoniaku, dále používaného zejména v zemědělství a potravinářském průmyslu.

Ze stávající produkce toho tedy pro využití v silniční dopravě mnoho nezbývá a pro získání dostatečného množství vodíku pro masový rozvoj automobilů s palivovými články by bylo zapotřebí výrobu výrazně navýšit. A je otázkou, jakým způsobem. Jen pro představu: pokud bychom chtěli, aby jezdila všechna auta na světě na vodíkové palivové články, pak bychom potřebovali vyrobit navíc k současné produkci dalších zhruba 230 milionů tun, tedy bezmála čtyřnásobek současné celosvětové produkce. Z fosilních zdrojů to nejde, nejen pro jejich omezené množství, ale také proto, že by se asi jen těžko hledalo uplatnění pro obrovské množství souběžně vznikajících chemikálií, nehledě na to, že tyto způsoby výroby nejsou zrovna dvakrát ekologické. Například pro výrobu kilogramu vodíku parním reformingem zemního plynu vzniká asi 7 kg dnes tolik sledovaného oxidu uhličitého. Jeden kilogram vodíku představuje zhruba spotřeba osobního vozu s palivovými články na 100 km jízdy, emise CO2 jsou tedy jen z výroby vodíku 70 g/km. K výrobě kilogramu vodíku je ovšem zapotřebí také ještě cca 16 kWh elektrické energie a vodík je následně ještě zapotřebí stlačit, případně zkapalnit.

Toyota Mirai (na snímku) vyžaduje pro naplnění svých nádrží stlačení na 700 atm, což si vyžádá nezanedbatelné množství elektrické energie (již tlak na 350 atm si vyžádá ekvivalent 30 procent energie ve vodíku obsažené). Celková uhlíková stopa vodíkového auta tedy není při výrobě z fosilních zdrojů zrovna lichotivá. Tím se vracíme zpět - bez nových způsobů velkovýroby vodíku nedávají vodíkové elektromobily smysl.  

Samozřejmě že existují další, velmi pokrokové a slibné metody výroby vodíku z vody s velmi příznivými nároky na spotřebu elektrické energie. Jedná se především o termochemické cykly štěpení vody, zejména o takzvaný S-I cyklus, tyto postupy jsou ovšem vázány na zdroje vysokokapacitního tepla, jehož nejlepším dodavatelem jsou opět jaderné elektrárny. Takže bez jaderných elektráren, ideálně s reaktory čtvrté generace, jejichž uvedení do provozu se očekává někdy za 15 - 20 let, nemá smysl o vodíkové automobilové dopravě uvažovat.  

Lepší něco než nic

Na druhou stranu lze ve vodíku spatřovat příležitost pro jímání přebytečné energie ze solárních či větrných elektráren v době jejich špičkových výkonů. I když činí efektivita přeměny elektrické energie elektrolýzou na vodík a poté zpět v palivovém článku vhodném pro osobní automobil jen necelých 40 procent (samotný palivový článek má jen ca padesátiprocetní účinnost), pořád je to lepší než žádná efektivita, neboli, jak řekl indický fyzik Homi J. Bhabha „Žádná energie není dražší než žádná energie“.

Pokud se tedy nepodaří vyvinout lepší způsob akumulace elektrické energie, je vodík určitým řešením. Otázkou ale zůstává, zda jej nevyužívat pro provoz jiných druhů palivových článků, stacionárních, jejichž efektivita při přeměně vodíku zpět na elektřinu může přesahovat 70 procent. U takto budovaných vodíkových akumulátorů by navíc nebylo zapotřebí mrhat další elektrickou energií na stlačování nebo dokonce zkapalňování. Vodík by mohl být v nádržích vázán na speciální kovové mikročástice a uvolňován mírným zahříváním. Projekt SolarLab například počítá s položením plovoucích solárních panelů na mořskou hladinu, jejichž energie pohání následnou elektrolýzu mořské vody. Vodík je pak skladován v nádržích na dně, což zvyšuje bezpečnost úložiště.

Nebezpečný? Ano, ale...

A pak zde máme ještě problém bezpečnosti vodíku. I když realita není tak děsivá jak by si někdo představoval, přesto se jedná o nebezpečný a problematický plyn, který je vysoce reaktivní, snadno se dostává po smísení se vzduchem do hořlavého nebo výbušného stavu a navíc se při prudkém rozpínání (rychlý únik z tlakové lahve) na rozdíl od jiných plynů silně zahřívá, takže hrozí exploze. Pokud dnes má stále většina motoristů obavy z aut na CNG, co by asi říkali na auto naplněné vodíkem s tlakem 700 atm? A co by na to říkali třeba provozovatelé krytých garáží?

A ještě jedno velké „ale“: Vodík má nejmenší atom ze všech prvků ve vesmíru, takže se dost problematicky utěsňuje. U tlakových nádrží je proto třeba počítat se ztrátami. Také u kryogenních nádrží na kapalný vodík dochází k významným ztrátám. I s tím je třeba počítat.  

Cui bono?

Takže jak je vidět, vodíkový pohon nabízí minimálně stejně tolik nových otázek, jako odpovědí na ty stávající. Proč tedy taková náhlá náklonnost většiny top manažerů z autoprůmyslu pro vodíkové palivové články? Proč, když dnes prakticky všechny automobilky intenzivně investují do bateriových elektromobilů a do vývoje dokonalejších a levnějších akumulátorových článků? Proč si vůbec život komplikovat něčím tak problematickým, jako je vodík, jehož fyzikální vlastnosti žádný výzkum nikdy nezmění? Jen kvůli rychlejšímu doplnění energie? Pokud se podaří vybudovat síť rychlonabíječek s výkony 350 - 400 kW, pak bude do auta doplněna energie na 100 km jízdy za nějaké tři - čtyři  minuty! Zásobu na 500 km tedy doplníme za 15 - 20 minut. Je to opravdu takový problém, nebo jen neschopnost představit si, že běžně tak jako tak strávíme na čerpací stanici okolo deseti minut (toaleta, výběr něčeho „na zub“, příprava kávy...)? A vybudování takové sítě dobíječek není ničím nereálným, byť to něco stát bude.

O přechod na vodík usilují vcelku logicky společnosti jako Linde, Shell, ÖMV nebo Total, v Německu již podepsaly memorandum s vládou o výstavbě sítě vodíkových plnicích stanic - i když pro ni zatím nejsou auta. Bateriové elektromobily jsou ve zcela opačné situaci, auta už tady jsou (a vůbec ne špatná), jejich rozvoj brzdí především zatím nevybudovaná dobíjecí síť s vysokovýkonnými rychlonabíječkami. Jakmile bude k dispozici, pak si běžně vystačme s elektromobily nabízejícími reálný dojezd na nabití okolo 300 km. A díky výrazně nižším provozním nákladům je akceptovatelná i vyšší cena elektromobilů. Mimochodem, kde kdo žehrá na ceny baterií. Víte, kolik stojí takový vodíkový palivový článek? Víc než baterie do Tesly S. A neomezenou životnost také nemá...           

Pokud se nepodaří najít jiný způsob, jak „lapat“ nadměrnou elektřinu ze solárních zdrojů, pak může vodík, jak již bylo uvedeno, posloužit. Ale palivové články do osobních aut? Smysl dávají u velkých vozidel, zejména kamionů dálkové přepravy, kde se asi bateriových vozů hned tak nedočkáme, případně u autobusů, ale v případě osobních aut jsou spíš příkladem známé hlášky: „Proč to dělat jednoduše, když to jde složitě?“.

Napsal: ifleet