Elektromobilita v praxi: Baterie, nebo vodík?

Otázek k elektromobilitě, které z různých stran dostávám, je víc od té doby, co jsme s mojí kolegyní a manželkou Pavlou napsali a vydali knížku Elektromobilita v praxi (viz závěrečná poznámka). Měl jsem za to, že poslední úvahou o budoucnosti elektromobility tuto sérii článků ukončím.

Jenže pak se v komentářích k ní ozval jeden pochybovačný čtenář, jaké že to různé otázky jako konzultant dostávám. Odpověď zní: Věru rozmanité. Jedna z nich je právě ta, zda vidím budoucnost elektromobility spíše v čistě bateriových pohonech nebo spíše v palivočlánkových, tedy vodíkových.

Zde se nad ní zkusím zamyslet na základě toho, co o věci vím a jak ji dlouhodobě sleduji. Nijak přitom nezastírám, že vím víc o hromadné dopravě, nežli o individuální. Rovněž nejsem vševědoucí – tuto vlastnost s důvěrou přenechávám našim politikům a internetovým komentátorům čehokoliv.

O bateriích jako zásobnících energie pro elektrická vozidla jsem stručně pohovořil v článku o osobních elektromobilech.

Zde se proto víc zaměřím na ta palivočlánková, tedy vodíková. Řekněme si nejprve, a to velmi jednoduše, jak funguje palivový článek s protonvýměnnou membránou (PEM), který se takřka bez výjimky používá u elektrických vozidel:

Atom vodíku obsahuje ne víc, než jeden proton a jeden elektron. A právě o ten elektron tu běží. Při reakci s platinou se na elektrodě-anodě odštěpí a projde elektrickým obvodem, čímž vytváří kýžený elektrický proud. Zbylý proton mezi tím projde onou protonvýměnnou membránou, tedy elektrolytem, a na opačné elektrodě-katodě se sloučí s elektronem a s atomem vzdušného kyslíku na vodní páru. Aby takové zařízení fungovalo, potřebuje vodík a kyslík ve velmi čisté podobě.

Co je na takovémto zařízení tak lákavé? Především je to měrná energie vodíku měřená v kilowatthodinách na kilogram. Abychom čtenáře zbytečně nezatěžovali řadou čísel (ta obsahuje naše publikace volně ke stažení, viz odkaz na konci článku), řekněme to opět zjednodušeně.

Měrná energie vodíku je oproti bateriím používaným v elektromobilitě zhruba sto- až čtyřsetnásobná, podle typu srovnávaných baterií. Pochopitelně musíme uvážit také účinnost zmíněných palivových článků, která nám výslednou energii sníží přibližně o třetinu až polovinu, i vlastní hmotnost palivočlánkové jednotky (jen velmi hrubý příklad: palivočlánková jednotka pro elektrobus bude oproti bateriím na jeho celodenní dojezd vážit asi desetinu). I tak jsme stále na významných násobcích měrné energie baterií.

Palivový článek se v pohonu kombinuje s bateriemi různých typů o různé kapacitě. Palivočlánkové jednotce je totiž nejlépe, pokud může běžet na stálý výkon, zatímco výkyvy spotřeby během jízdy kompenzuje právě baterie. Oproti palivočlánkovému pohonu bez baterií se touto kombinací ušetří více než polovina spotřebované energie, jak potvrdily evropské projekty palivočlánkových elektrobusů.

Palivočlánkové jednotky jako zdroj energie pro pohon elektrických vozidel zaznamenávají prudký vývoj směrem ke kompaktní konstrukci, dlouhé životnosti a odolnosti vůči vnějšímu prostředí. Také ceny palivočlánkových vozidel se zvolna přibližují cenám těch čistě bateriových. Pochopitelně přitom záleží na spoustě věcí, počínaje typem a kapacitou baterií a konče obchodní strategií dodavatele.

Jako většina věcí kolem nás je i vodík dobrým sluhou a zlým pánem.

Vodík sám je hořlavý a jeho plamen je bezbarvý, lidským okem téměř neviditelný. To může představovat vážné riziko popálenin, například při požárním zásahu a evakuaci osob. Je ho proto nutno detekovat senzory teploty.

Vodík se vzduchem tvoří výbušnou směs v širokém rozmezí objemu vodíku ve vzduchu. Zároveň je vodík extrémně lehký. Pokud by tedy vodík unikl do otevřeného prostoru mimo vozidlo a budovy, rozptýlí se v ovzduší dřív, než by stačil explodovat. Hovoří se také o tom, že náhlá expanze stlačeného vodíku může vést k jeho samovznícení. Odborníci na vodík, pokud vím, ovšem tuto možnost považují spíše za teoretickou.

Riziko exploze tedy ponejvíce představují úniky vodíku, a to i drobné, v uzavřeném prostoru – ať už uvnitř vozidla nebo uvnitř staveb, kde se palivočlánková vozidla nacházejí. Zde mohou úniky vodíku vytvářet nebezpečné „vodíkové kapsy“.

Na to vše je nutno pamatovat při konstrukci palivočlánkových technologií a projektování staveb, kde jsou palivočlánková vozidla zaparkována. Ale rozumně: Stejně tak je nutno pamatovat na bezpečnost u jakýchkoli technických zařízení, včetně automobilů s tradičními spalovacími motory a jejich plnicích stanic.

V tomto článku (i jinde) hovořím o palivočlánkových, spíše než o vodíkových, vozidlech. Znamená to, že vodík lze pro pohon využít i jinak?

Ano, vodík lze také spalovat v pístovém motoru, podobně jako například zemní plyn. Oproti palivočlánkovému elektrickému vozidlu má takovéto vodíkové vozidlo ovšem výrazně vyšší spotřebu paliva, jak ukázal mj. evropský projekt vodíkových autobusů CHIC.

Občas na toto téma problesknou informace v odborném tisku. Úvahy se vedou i o tom, že vodík pro spalování ve válcích nebude muset být tak úzkostlivě čistý. Tak či tak, „mainstream“ vodíkových pohonů se dnes ubírá právě cestou palivočlánkových elektrických vozidel.

Tak, jak sleduji situaci, je dnes hlavním problémem vodík a jeho plnicí infrastruktura, a ve výsledku pak ekonomika palivočlánkové elektrické dopravy.

Nejhromadnějším, ale také uhlíkově nejnáročnějším způsobem, jak průmyslově vyrobit vodík, je (pokud vím) takzvaný parní reforming, kdy metan obsažený v zemním plynu reaguje s vodní párou na oxid uhelnatý a vodík. Takto bychom však, jak patrno, naši modrou planetu před klimatickými změnami příliš neochránili.

Je proto snaha vtáhnout do hry obnovitelné zdroje energie, nejčastěji v kombinaci s elektrolyzérem. V něm elektrický proud, například z fotovoltaických panelů, rozloží vodu na kyslík a vodík (vzpomeňme si na středoškolské hodiny chemie). Takovýto vodík je pak dále potřeba stlačit kompresorem, ať už jej spotřebujeme v plnicí stanici přímo v místě nebo jej do místa spotřeby převezeme a tam jej skladujeme.

Zásadním problémem takovéhoto zeleného vodíku (to je terminus technicus – promiňte, školáci) je ekonomika celého procesu. Jednoduše řečeno: Sluneční svit je sice zadarmo, ale zařízení, která jej přemění na elektřinu, dále na vodík o potřebných parametrech a zpět na elektřinu pro pohon elektrického vozidla, zdaleka nejsou levná na pořízení ani na provoz.

Jestliže obecně platí, že u čistě bateriových elektrických vozidel nižší cena spotřebované energie částečně kompenzuje související vyšší investice oproti tradičním pohonům, pak u palivočlánkové elektromobility je dnes dražší obojí: investice i provoz. Hlavním „lákadlem“ tak zůstává dojezd palivočlánkových vozidel a doba plnění jejich nádrží vodíkem, blížící se zvyklostem u tradičních spalovacích motorů, v kombinaci s přednostmi elektromobility.

Když to tedy shrneme: Prozatím se elektromobilita (respektive ta, která je nezávislá na trolejích či napájecí kolejnici) rozvíjí dvěma hlavními směry:

Tím prvním jsou čistě bateriová vozidla. Oproti palivočlánkovým jsou relativně jednodušší a levnější a jejich nabíjecí infrastruktura se rozvíjí mílovými kroky. Mají však omezení v kapacitě a hmotnosti baterií, daná jejich měrnou energií. Jak jsem již ve svých článcích vícekrát uvedl, čas od času vyběhne do světa zpráva o nějaké revoluci či zásadním zlomu ve světě baterií pro elektrický pohon, a pak ta senzace zase utichne.

Tím druhým jsou pak výše zmíněná palivočlánková hybridní vozidla, kombinující palivový článek (přesněji, palivočlánkovou pohonnou jednotku) a baterie. Vodík a jeho bezedná zásoba energie jsou lákadlem a výzvou, jak překonat technické bariéry čistě bateriových vozidel. Omezením jsou relativně složité a nákladné technologie umožňující, abychom získali vodík o potřebných parametrech a jeho energii přeměnili na pohyb kol. To má přirozený dopad do ekonomiky.

Pokud skutečně nedojde k nějakému zázraku (na Svaté hoře mi o tom nic neříkali), dá se čekat pozvolný vývoj u obou těchto směrů. Důležitou roli při něm bude hrát ekonomie z rozsahu: Čím větší poptávka, tím větší bude tlak na standardizovaná, komerční sériová řešení. Ta budou mít jistě množství (často oprávněných) kritiků, ale budou hromadně dostupná, a tudíž cenově přijatelná. To se týká jak vozidel a jejich zásobníků energie, tak související infrastruktury.

Je docela možné, že tam, kde se požadavky na vozidla vejdou do technických limitů baterií, bude větší poptávka po bateriových vozidlech. Tam, kde budou tyto limity na překážku, poroste poptávka po palivočlánkových vozidlech.

Odpověď na otázku položenou v titulku tohoto článku pak bude znít: Oba. Čas ukáže.

Informace zde uvedené vycházejí především z naší výše zmíněné publikace Elektromobilita v praxi, která je volně ke stažení zde: https://www.smartcityvpraxi.cz/rozhovory_komentare_253.php. V ní jsou podrobněji specifikovány také informační zdroje, z nichž čerpala.