V předchozím článku jsme si nastínili důvody, které vedou k hledání alternativních energetických konceptů v dopravě, potažmo nahrazení ropných produktů. Stručně řečeno – ropa jednoho dne dojde, resp. bude příliš drahá na to, aby mohla být uspokojena poptávka tak jak je to možné dnes. Druhým motivačním prvkem jsou ekologické dopady spalování ropných produktů, které jsou všeobecně dobře známé. Byla představena koncepce tzv. vodíkového hospodářství, která počítá s vodíkem v roli energetického vektoru. Je třeba zdůraznit, že ačkoliv se obecně největší pozornost věnuje oblasti pozemní dopravy, existují i další zajímavé sektory, kde se vodík s úspěchem využívá.
Cílem tohoto článku je představit současné portfolio světových hráčů na poli vodíkových technologií v nejrůznějších oblastech a dát tak čtenáři představu o tom, v čem je již dnes možno brázdit silnice či jak zabezpečit provoz notebooku nebo mobilního telefonu.
K mobilním aplikacím patří např. automobily s vodíkovým palivovým článkem jako hlavním zdrojem energie pro elektrický trakční motor, dále pak menší zdroje elektrické energie pro přenosná elektronická zařízení. Tyto aplikace se vyznačují potřebou vysoké energetické kapacity a vysoké hustoty energie paliva v zásobníku, nízké hmotnosti celkového řešení a důrazem na vysokou účinnost výroby elektrické energie. Teplo, které při provozu palivového článku vzniká není využíváno vůbec nebo pouze okrajově. Stacionární aplikace naopak často kombinují výrobu elektrické energie s výrobou tepla. Hmotnost celého řešení obvykle nebývá limitující, nízkou energetickou hustotu paliva v případě vysokoteplotních palivových článků může odstranit např. napojením na běžnou přípojku zemního plynu. Příklady stacionárních aplikací jsou např. lokální generátory el. energie v oblastech bez elektrické přípojky nebo záložní zdroje elektrické energie pro telekomunikační ústředny, nemocnice, atd.
Začneme zřejmě nejúspěšnější aplikací palivových článků v dopravě a překvapivě se nebude jednat ani o auto či loď, ale rovnou o ponorku. A ne jedinou.
Palivové články pod vodou
V roce 1998 objednala německá vláda čtyři ponorky s palivovými články. Jedná se o sérii ponorek třídy 212 (resp. 212A), vyrobené Howaldtswerke-Deutsche Werft AG.
U31 při předávání
Kromě klasického dieselového pohonu jsou vybaveny pohonným systémem dlouhodobě nezávislým na přístupu vzduchu, založeným na membránových palivových článcích dodaných spol. Siemens. Vodík je skladován ve formě kovových hydridů, jejichž vysoká hmotnost nebyla v tomto případě limitující. Systém s palivovými články umožňuje ponor až tři týdny bez nutnosti vynoření a provoz bez vnějších tepelných projevů. Ponorka je dle dostupných informací při provozu na palivové články bez vibrací, bezhlučná a současnými metodami jen velmi obtížně detekovatelná.
U32 na moři
Po technologické stránce se jedná o unikátní využití výhod vodíkových technologií – vysoké účinnosti palivových článků, tichého provozu a využití produktu z palivového článku – vody – pro sanitární potřeby posádky. Elektrický pohon Siemens permasyn 1,7MW využívá elektřinu dle potřeby buď z 3,12MW V6 dieselgenerátoru nebo z membránových palivových článků v uspořádání 9x30kW (U31) nebo 2x 120kW (U32-34) a akumulátory. Systém má celkovou (el.+teplo) účinnost 72% při plném a 62% při částečném zatížení. Vodík je skladován v kapalné formě ve dvou kryogenních nádobách a ve třech nádobách s hydridy, které jsou umístěny mezi vnitřním a vnějším trupem; jsou tedy mimo přímý přístup posádky. Produkované teplo z palivových článků je využito k ohřevu hydridů, který posléze uvolňuje vodík, čímž je zvýšena účinnost celého procesu.
RTG U212, U32 na vodě
Ponorka je dlouhá 56m, s průměrem 6,5m a posádka čítá 27 mužů. Maximální ponor činí 700m. V současné době je v provozu 6 těchto plavidel – 4 v Německu a 2 v Itálii. Zájem vyjádřily i další státy, např. Řecko a Jižní Korea (typ 214).
Do domu i pro banku
Co znamená „stacionární využití“ ve spojení s vodíkovými technologiemi? Jedná se hlavně o zásobování objektů elektřinou, velmi často ve spojení s dodávkami tepla (kogenerace). Zde se využívá skutečnosti, že palivový článek „vyrábí“ (ve skutečnosti přeměňuje chemickou energii paliva) elektřinu a teplo v poměru přibližně 1:1. Přímo se tedy nabízí možnost, např. pro rodinné domy, aby jedno zařízení velikosti plynového kotle dodávalo nejen teplo (teplá voda, topení), ale i elektřinu.
Dnes se jako palivo pro stacionární palivové články využívá především zemního plynu, který lze použít u některých typů palivových článků přímo, u jiných s tzv. reformerem. V budoucnu by přechod na čistý vodík nepředstavoval větší překážku. Co je tedy možné dnes vidět: Např. společnost Vaillant intenzivně vyvíjí systém s výkonem 4,6 kW (el) a 9kW (th). S těmito systémy dosáhla v roce 2007 na metu 330.000 provozních hodin při výrobě 1.000.000 kWh (el) a 2.900.000 kWh (th). Takové množství energie představuje spotřebu přibližně 300 bytů (3 členové rodiny) po dobu jednoho roku.
Vaillant palivový článek pro domácnost
V Japonsku jsou s využíváním palivových článků ještě dále, v současné době je instalováno několik tisíc jednotek, převážně s menšími výkony (Japonci jsou zřejmě více otužilí :-)) a mílovými kroky se blíží k cíli, který si stanovili pro rok 2010 – 2100MW instalovaného výkonu.
Stacionární palivové články pro Japonsko (Ballard a Panasonic)
Velice úspěšnými se staly aplikace ve větším měřítku, řádově ve stovkách kW. Využívají se hlavně v bankách, hotelích, ústřednách telekomunikačních služeb či na letištích – všude tam, kde je potřeba zajistit spolehlivé dodávky elektřiny či tepla s minimem hluku a emisí škodlivin. Pro tyto účely se převážně využívají odlišné typy palivových článků (s kyselinou fosforečnou, roztavenými uhličitany nebo pevnými oxidy), které pracují s vyššími teplotami, což jde ruku v ruce s větší využitelností produkovaného tepla (+vyšší účinnost). Jasnou jedničkou co do počtu jednotek i odpracovaných hodin jsou palivové články spol UTC (dříve ONSI a IFC) typu PC25 o výkonu 200kW, které od počátku vyprodukovaly přes miliardu kWh. Z tohoto typu FC je také složena největší elektrárna na světě s palivovými články, 11MW v Tokiu, Japonsko.
200kW palivový článek s kyselinou fosforečnou spol. UTC, 1MW elektrárna na Aljašce postavená z modulů UTC (uprostřed), Palivový článek jako záložní zdroje elektřiny v bance (vpravo)
V poslední době se vývoj a výzkum zaměřuje především na palivové články s tavenými uhličitany (Molten Carbonate Fuel Cell – MCFC) a s pevnými oxidy (Solid Oxide Fuel Cell). Pracují s teplotami 500-1000°C, což jim umožňuje přímé využívání např. zemního plynu. Nejznámějším představitelem je „Hot Module“ - 250kW MCFC z MTU Friedrichshafen.
250kW palivový článek Hot Module MTU, Hot Module v továrně Michelin
Palivové články do kapsy i do tašky
Zajímavou oblastí využití palivových článků jsou přenosná zařízení, jako je notebook, mobilní telefon či videokamery. Zde se dá očekávat větší využití metanolu místo vodíku, s ohledem na vyšší hustotu energie kapalných látek. Velká pozornost je nyní věnována možnosti využití ethanolu, který je dostupnější a bezpečnější než methanol.
Mobilní telefony Hitachi na methanol a jejich plnění
Společnost Toshiba například navrhla systém prodeje jakýchsi standardizovaných patron, které by se prodávaly v obchodech vedle baterií. Hlavní výhodou zařízení s palivovými články je delší doba provozu, u současných prototypů cca 2x až 3x vyšší než při provozu na akumulátory. Palivové články již delší dobu úspěšně využívají v sektoru přenosných zdrojů energie, např. pro vojenské využití v terénu či pro kemping.
Prototypy notebooků s palivovým článkem LG a NEC, komerčně dostupný palivový článek pro TV kamery spol. Jadoo (2,5-3x provozní doba oproti klasickým akku)
Auta na vodík již brázdí silnice
Pojďme se nyní společně podívat, co pro nás vyvíjí světové automobilky. V současné době všechny velké automobilové společnosti vyvíjí či testují prototypy nebo ranné série vodíkových vozidel. Obecně je lze rozdělit dle způsobu využití vodíku na ty, které vsadily na upravené spalovací motory nebo na membránové palivové články. Výhodou spalovacích motorů ve spojení s vodíkem oproti palivovým článkům je možnost využívání více druhů paliv a dále fakt, že se spalovacími motory mají výrobci dlouholeté zkušenosti a nemusí měnit celkovou koncepci pohonu. Nevýhodou je nižší účinnost a emise (ačkoliv minimální) oxidů dusíku (kvůli spalování s přístupem vzduchu).
Spalovací motory: Touto cestou se vydalo BMW, v současné době je v provozu na evropských a amerických silnicích několik desítek limuzín Hydrogen 7, založené na současné řadě 7Li. Vůz má dvě nádrže – kryogenní na kapalný vodík, (-250°C) s dojezdem 200 km a klasickou na benzín s dojezdem 480km. Vozidlo je k dispozici formou leasingu, využívají jej především státní instituce a velké společnosti a je velmi populární u známých osobností, zejména v USA.
BMW Hydrogen 7
Za zmínku stojí i vytvoření devíti světových rekordů (září 2004) s prototypem H2R pro vozy se spalovacím motorem na vodík, mj. max. rychlost: 300km/h.
H2R rychlostní rekordman
Mazda je dalším z krátké řady výrobců spoléhajících na spalovací motor, která však využívá specifických výhod svého rotačního Wankelova motoru, který je obzvláště vhodný pro spalování vodíku. Zajímavým spojením sportovní jízdy a ekologického provozu je vozidlo Mazda RX-8 RE. Jeho motor RENESIS obsahuje dvojité elektronické vstřikování vodíku přímo do spalovacího prostoru. Vozidlo je možno opět pořídit formou leasingu, ale zájemci se musí vypravit do Japonska, alespoň prozatím.
Mazda Mazda RX-8 RE s vodíkovým Wankelovým motorem, Řez motorem RENESIS
Většina světových výrobců se však zaměřila na poněkud futurističtější pojetí vodíkových technologií ve spojení s palivovými články. To však znamená nutnost kompletní změny pohonného systému, jehož srdcem je elektromotor. Není divu, že se automobilkám moc nechtělo do změny systému, který využívaly přes sto let, ale v současné době již běží vývoj na plné obrátky. V Evropě je to zejména DaimlerChrysler, který stojí na pomyslném trůnu v oblasti vodíkových vozidel – 2 miliony najetých kilometrů s typem F-Cell (založeno na řadě A a nověji i B) je toho důkazem. Dojezd tohoto vozu je 400km, výkon 100 kW.
DaimlerChrysler F-Cell
Ford disponuje modelem Edge s pohonem HySeries. Jedná se automobil s hybridním pohonem, využívající lithium-iontový akumulátor a vodíkový palivový článk. Kapacita baterie postačuje pro dojezd cca 40 km, vodíkové palivo pak stačí na dalších 320 km.
Ford EDGE
Nejrozšířenějším modelem je Ford Focus, kterých bylo vyrobeno přes 30 kusů a které jsou testovány v běžných provozních podmínkách.
Ford také v srpnu 2007 vytvořil světový rychlostní rekord pro vodíková vozidla s palivovým článkem: 333km/h, který byl zaznamenán na známé akci pro milovníky rychlosti na solném jezeře Bonnenville v Utahu (USA).
Úspěšná rekordní jízda Ford 999 Hydrogen Fusion
Koncem letošního roku uvedla Honda, jeden z průkopníků hybridních a vodíkových pohonů, nástupce úspěšného modelu FCX – FCX Clarity. Tento automobil je zřejmě soušasným nejpokročilejším vodíkovým vozem, s hybridní koncepcí pohonu (opět systém s Li-Ion akku a palivový článek) s dojezdem až 500km, možností nastartování již od –30°C a v neposlední řadě velmi zajímavý design (často kritizovaná slabina předchozích vodíkových vozů).
Honda FCX Clarity
|
Vodíkové autobusy Využití vodíku a tudíž nulové emise jsou obzvlášť žádané v městech, kde je smogová situace vlivem vysoké koncentrace dopravy nejhorší. Vodíkové autobusy prožívají v současné době velký rozmach. A je to Evropa, kde je možno nalézt největší flotilu vodíkových autobusů (projekty CUTE a HyFleet:CUTE). Více zde. Cílem provozování vodíkových autobusů Madrid, Londýn, Porto, Lucemburk, Hamburk, Barcelona, Stuttgart, Stockholm, Reykjavik a Amsterdam je představit veřejnosti technologie zítřka a ověřit vodíkový pohon v běžném provozu. Zajímavostí projektu je, že si každé město zvolilo odlišný způsob výroby i dopravy vodíku do čerpací stanice. V Amsterdamu, Barceloně, Hamburgu, Reykjaviku a Stockholmu je vodík vyráběn elektrolýzou vody z obnovitelné energie (solární panely, větrné elektrárny, přílivová elektrárna) přímo v prostorách čerpací stanice. V Londýně a Australském Perthu je čerpací stanice zásobována trajlery vodíkem z rafinerie ropy. Čerpací stanice ve Stuttgartu a Madridu jsou vybaveny lokálním jednotkou parního reformingu. V Luxemburgu a Portu je vodík vyráběn v prostorách čerpací stanice elektrolýzou vody, elektrické energie pochází z lokálního energetického mixu.
|
Je velmi potěšující, že i v českých luzích je možno nalézt originální vodíkový vůz, pravda není sice určen pro pět osob, ale je ukázkou, že českým vědcům a inženýrům neujel vlak.
HydrogenIX je společným produktem Katedry měřící a řídící techniky a Katedry elektroenergetiky na VŠB-Technické univerzitě v Ostravě. V rámci projekty byly vyvinuty dvě vodíková speciální vozidla, navržená s ohledem na co nejnižší spotřebu pro měření sil v populárním mezinárodním závodu Shell Eco-marathon.
Na Shell Eco-marathon v roce 2005, který se konal ve Franci, se vůz HydrogenIX I umístil na čtvrtém místě v kategorii vozidel na vodíkový pohon a celkově na 29. místě. Na energetický ekvivalent jednoho litru benzínu (cca 0.26 kg H2) vozidlo ujelo přibližně 946 km.
Jsme rádi že můžeme říci, že to ani zdaleka není poslední počin v ČR. Více se dozvíte v některém z dalších článků.
| Česká vodíková technologická platforma byla založena koncem roku 2006 jako nástroj k podpoře vzájemné informovanosti všech firem působících v oblasti výroby a využití vodíku. Další funkcí Platformy je pak koordinace aktivit, které souvisí s rozvojem potřebných technologií. Vznik platformy byl iniciován Ministerstvem průmyslu a obchodu ČR. Oficiální web platformy najdete na www.hytep.cz |
Cílem tohoto článku bylo poskytnout obecný přehled současné situace v oblasti využití vodíku v dopravě a enegretice. Článek není vyčerpávajícím přehledem; ukazuje na podle autorů nejdůležitější a nejzajímavější produkty a jejich využití. Příště se podíváme, jaké technologie jsou využívány při výrobě, skladování a využití vodíku.
|
Pro zájemce o kompletní přehled H2 vozidel a H2 čerpacích stanic: auta: http://www.fuelcells.org/info/charts/carchart.pdf busy: http://www.fuelcells.org/info/charts/buses.pdf H2 čerpací stanice: http://www.fuelcells.org/info/charts/h2fuelingstations.pdf |
|
Autor Ing. Luděk Janík
je vedoucím oddělení vodíkových technologií - Ústav jaderného výzkumu Řež - a ředitelem České vodíkové technologické platformy. |
