Palivo budoucnosti, nebo věčný sen?

Vodík je mnohými považován za řešení elektromobility. Je nejefektivnějším médiem pro palivové články, je ho vlastně všude dost a umíme jej získávat hned několika způsoby. Opravdu je ale tato varianta tak slibná?

Na první pohled vypadá vodík skutečně jako velmi chytré řešení elektromobility. Stlačený má specifickou energii téměř 40 kWh na kilogram, zatímco Li-ion baterie se v nejlepším případě dostanou na 0,28 kWh/kg. I když přidáme hmotnost palivových článků, ve kterých se vodík přeměňuje na elektřinu, pořád nám to vychází hmotnostně výrazně lépe než u bateriových elektromobilů. U nich řeší konstruktéři víceméně neřešitelný problém: aby zvýšili dojezd, potřebují větší kapacitu baterie. Ta ale výrazně zvyšuje hmotnost vozu a tím i jeho spotřebu energie za jízdy. A tak dvojnásobně velká baterie rozhodně neznamená dvojnásobný dojezd. Vodík tento problém řeší. Tankování, které zabere jen tři až pět minut a nízká hmotnost pohonné hmoty jsou důvody, pro které ve vodíku mnozí vidí spásu elektromobility. Vodík je skutečně v tomto ohledu jasným vítězem, jenže je potřeba se podívat také na jeho produkci a skladování.        

Energetický vektor

Vodík není surovinou, v přírodě se v čisté formě nevyskytuje. Je třeba jej extrahovat, což je energeticky náročné. V podstatě dochází k přeměně základní suroviny a elektrické, případně i tepelné energie na vodík, který se pak opět transformuje v palivovém článku za přispění kyslíku na elektřinu.

Drtivá většina vodíku (zhruba 94 procent) se dnes nadále vyrábí z fosilních zdrojů, konkrétně parním reformingem ze zemního plynu, který dává 48 procent celosvětové produkce. Dalších 46 procent připadá na výrobu parciální oxidací z ropy a na zplyňování uhlí. Vodík při těchto procesech vzniká jako hlavní, nebo vedlejší produkt výroby jiných látek. Pouze šest procent světové produkce vodíku je získáváno elektrolýzou.

Dominantní parní reforming vyžaduje hodně tepla a je velmi neefektivní. A i když vodíkový článek neprodukuje emise CO2, parní reforming ano (v konečném důsledku to vychází zhruba na 80 g/CO2 na ujetý kilometr) a obdobně jsou na tom i další zmíněné metody. Jedinou dnes dostupnou ekologickou výrobou vodíku je elektrolýza za použití energie z bezemisních zdrojů.

Počítání ztrát

Podívejme se na celé porovnání vodíkového a bateriového pohonu podrobně a porovnejme jejich efektivitu. Nejprve přijměme jako premisu, že se v obou případech počátečních 100 kWh elektřiny vyrobí mimo místo plnění/dobíjení. To znamená, že se bude tato energie dopravovat přenosovou soustavou a distribuční sítí. Počítejme se ztrátou 6 %. Tuto energii pak využijeme pro elektrolýzu, konkrétně pro účinnější membránovou (PEM) elektrolýzu s účinností 80 %. Jenže pro tu potřebujeme transformovat střídavý proud ze sítě na stejnosměrný. U vodíku počítáme se ztrátou 10 % pro usměrňovač, u bateriových vozů tuto přeměnu započítáváme do celkové ztráty při nabíjení ve výši 15 %.

Nyní máme vyrobený vodík a dobitou baterii. U bateriového auta tím příběh řetězce Well-to-Tank (od zdroje po nádrž) končí, u vodíku zdaleka nikoli. Po vyrobení ho potřebujeme nějak přepravovat a skladovat, a i když existují i jiné (velmi drahé) technologie, v zásadě se využívá jeho stlačení, nebo zkapalnění. Pro dosažení odpovídající energetické hustoty je nutné jej stlačit velmi výrazně, až na 790 bar. Jenže to vyžaduje energii. Konkrétně asi 13 % energie, kterou vyrobený vodík obsahuje. Můžeme jej také zkapalnit kryogenním procesem (zchlazení na -253°C), ale na to bychom potřebovali dokonce 40 % energie ve vodíku obsažené! Nejen z tohoto důvodu se u silniční dopravy počítá se stlačeným, nikoli kapalným vodíkem. Doprava vodíku je další problém. Mohou jej dopravovat nákladní automobily, ale také jej lze přepravovat produktovodem. Ztráty z dopravy se budou každopádně pohybovat mezi 10 % až 40 %. My započítáme jen to minimum, tedy 10 % a ztrátu při samotném čerpání vodíku do lokálních nádrží a při jeho tankování do auta pomineme. I tak to s ním nevypadá dobře…

Konečně máme energii v obou vozech, přičemž jsme u bateriového auta ze 100 kWh dostali do baterie 79,9 kWh, u vodíkového auta jsme získali ekvivalent 54,2 kWh. To sice nevypadá zase tak hrozně, ale bohužel pro vodík je horší i jeho řetězec Tank-to-Wheel, tedy od nádrže po kolo. Vodík musí být znovu přeměněn na elektrickou energii, což se děje v palivovém článku. Pokud je palivový článek napájen čistým vodíkem, jaký vzniká při elektrolýze, má účinnost až 60 % (s vodíkem z parního reformingu může jeho účinnost klesnout až na 50 %).

U obou aut je ale ještě zapotřebí invertoru, který přemění stejnosměrný proud (z baterie nebo palivového článku) na střídavý, který napájí elektromotor. V obou případech tak můžeme „umáznout“ dalších 10 %. Výsledný objem energie pak putuje k elektromotoru, který bude v obou případech pracovat s účinností 90 % a my tak dostáváme konečný výsledek. Vodíkové auto využilo z počátečních 100 kWh nakonec jen 26,32 kWh, zatímco bateriový elektromobil 64,72 kWh (vše je znázorněno v tabulce).

Vodíkové auto má tedy celkovou spotřebu elektrické energie 65 kWh/100 km, bateriový elektromobil se dostává na 31 kWh/100 km. Ujede tedy na stejnou počáteční energii více než dvojnásobek. A to jsme počítali lehčímu vodíkovému elektromobilu průměrnou spotřebu jen 17 kWh/100 km, zatímco bateriovému 20 kWh/100 km.  

Čas jsou peníze

Jak je vidět, za čas, který vyžaduje dobíjení bateriového elektromobilu, bychom u vodíkových aut draze zaplatili. V nejlepším případě by byl rozdíl pouze dvojnásobný, reálně by vzhledem k nákladům na vodíkovou infrastrukturu vyskočil spíš na trojnásobek. V Německu stojí aktuálně 1 kg vodíku na plnicí stanici (mají jich tam aktuálně 87) 9,50 eur, pět kilogramů tedy v přepočtu vyjde zhruba na 1300 Kč. Na toto množství ujede Toyota Mirai asi 450 km, cena za kilometr je tedy 2,90 Kč, zatímco u bateriového auta se pohybuje (pokud pomineme extrémní ceny u některých rychlonabíječek) mezi 0,75 Kč až 1,50 Kč/km. Ano, výroba vodíku se může dále zlevňovat díky vyspělejším technologiím. Jednak lze počítat s dalším vylepšováním solárních panelů (vyšší účinnost, nižší cena), vývojem prochází také samotný proces membránové elektrolýzy (výhledově až 87 %), nicméně i tak nebude vodík vzhledem ke dvojí energetické přeměně nikdy efektivnější než skladování energie v bateriových úložištích. Ta zase narážejí na problémy kapacitní a cenové.

Bez elektřiny to nepůjde

Vodík nás každopádně nutnosti vyrábět elektřinu pro elektrifikovanou silniční dopravu nezbaví. Právě naopak, bylo by jí zapotřebí ještě více. Zmíněnou skutečnost rádi opomíjejí zastánci vodíku v dopravě, když poukazují na neekologičnost dobíjecích elektromobilů kvůli „nečisté“ elektřině. Jenže stejný argument, jaký použijeme u výroby vodíku, totiž že se bude vyrábět za pomoci elektřiny z obnovitelných zdrojů, můžeme použít i pro dobíjení elektromobilů, pro které jí navíc budeme potřebovat jen necelou polovinu! Elektrolýza tedy asi není ideální cestou, jednalo by se vlastně o zbytečné mrhání elektrickou energií. A je třeba také vyvrátit argument, že je vodíku dost, protože vzniká jako odpadní produkt při některých chemických výrobních procesech. Kdyby tomu tak bylo, asi by jej již někdo komerčně využil. Ve skutečnosti je celá produkce vodíku, včetně toho „odpadního“, rozebraná, a to zejména pro výrobu amoniaku a pro další technické a chemické účely. Pro získání dostatečného množství vodíku pro masový rozvoj automobilů s palivovými články by bylo zapotřebí stávající výrobu necelých 60 milionů tun výrazně navýšit. I kdyby měla na vodík jezdit jen čtvrtina aut na světě, tak bychom ji museli zdvojnásobit. Otázkou je, jak…

O elektrolýze jsme mluvili, fosilní zdroje zavrhli a nezbývá tedy nic jiného než nové technologie, jako jsou termochemické cykly štěpení vody, zejména S-I cyklus, který je ovšem vázán na zdroje vysokokapacitního tepla, jehož nejlepším dodavatelem jsou jaderné elektrárny. Ideální by pro tento účel byly reaktory čtvrté generace, jejichž uvedení do provozu je ovšem nadále v nedohlednu.

Navzdory všemu uvedenému nelze vodík zatracovat, svou roli jistě v budoucím energetickém hospodářství sehraje. Dokud lidstvo nevymyslí nic lepšího, může jej využívat pro skladování přebytečné energie ze solárních či větrných elektráren v době jejich špičkových výkonů. Efektivita je sice tristní, ale lepší něco než nic...

Článek byl převzat z magazínu FLEET firemní automobily č. 2/2020