Vodíkový pohon v osobních autech a jeho úskalí

Vodíkový pohon v osobním autě je ve skutečnosti elektrický pohon, který si proud vyrábí na palubě v palivovém článku. Natankuje se za několik minut, ujede stovky kilometrů a z výfuku vypouští jen vodní páru. Jeho slabinou není samotné auto, ale všechno kolem něj: řídká síť plnicích stanic, technicky náročné skladování plynu pod tlakem 700 barů a nízká účinnost celého řetězce od výroby vodíku po kola. Proto zůstává v osobní dopravě okrajovou záležitostí.

Jak palivový článek vyrábí elektřinu

V autech se používá článek s polymerní membránou, označovaný PEM. Každý článek tvoří dvě elektrody oddělené tenkou membránou. Na anodu se přivádí vodík, který se na platinovém katalyzátoru rozdělí na protony a elektrony. Protony membránou projdou, elektrony ne – musí obejít vnějším obvodem, a to je elektrický proud, který auto využívá. Na katodě se protony, elektrony a kyslík ze vzduchu spojí na vodu.

Jeden článek dává napětí pod jeden volt, takže se jich skládají stovky do svazku. Ke svazku patří kompresor nasávaného vzduchu, zvlhčování membrány, chladicí okruh a měnič napětí. Membrána totiž pracuje správně jen v úzkém rozmezí teploty a vlhkosti a katalyzátor je citlivý na nečistoty, proto požadavky na čistotu vodíku pro vozidla stanovuje samostatná norma ISO 14687.

Palivový článek neumí rychle měnit výkon ani přijímat energii z brzdění. Auto má proto i menší trakční baterii, která pokrývá špičky při akceleraci a ukládá rekuperovanou energii. Uspořádáním se tak blíží sériovému hybridu, jak ho popisuje přehled, který rozebírá hybridní pohon a jeho varianty. Sériově se takto vyrábí jen hrstka modelů, nejznámější jsou Toyota Mirai a Hyundai Nexo.

Tlakové nádrže na 700 barů

Vodík je nejlehčí plyn a při běžném tlaku zabírá obrovský objem. Aby se do auta vešlo zhruba pět až šest kilogramů, které stačí na několik set kilometrů, stlačuje se na 700 barů. Nádrže jsou válcové, s vnitřní plastovou vložkou, která drží plyn, a silným pláštěm navinutým z uhlíkových vláken, který nese tlak. Tento typ se označuje jako typ IV.

Válcový tvar je nutnost, plochou nádrž na takový tlak postavit nelze. Konstruktéři proto skládají dvě nebo tři nádrže pod podlahu a za zadní sedadla, což ubírá místo v kabině i v kufru. Za hlavní konstrukční handicap vodíkových aut považuji právě tohle: palivo samotné je lehké, ale jeho obal je objemný a drahý na výrobu.

Nádrže mají tepelně aktivovanou pojistku, která při požáru plyn řízeně vypustí, a procházejí zkouškami podle předpisu EHK OSN č. 134. Jejich životnost je omezena a kontroly i jakékoli zásahy do tlakové soustavy smí provádět jen servis s příslušným vybavením.

Tankování a hustota plnicích stanic

Plnění trvá tři až pět minut, v tom se vodík vyrovná benzinu. Technicky je to ovšem složitější děj. Plyn se při rychlém stlačování v nádrži zahřívá, a stanice ho proto předem chladí hluboko pod bod mrazu; průběh plnění řídí protokol SAE J2601 a stanice si s autem vyměňuje údaje o teplotě a tlaku v nádrži. Stojan potřebuje vysokotlaké kompresory, zásobníky a chlazení, takže stavba jedné stanice je řádově náročnější než stavba nabíjecího stojanu.

Z toho plyne hlavní praktická potíž. Veřejných vodíkových stanic je v Česku jen několik a v okolních zemích síť spíš stagnuje, než aby houstla. S elektromobilem lze v nouzi dobít z obyčejné zásuvky, vodíkové auto bez stanice v dosahu nejede vůbec. Kdyby se mě někdo ptal, řekl bych mu, ať si nejdřív na mapě najde stanice na svých pravidelných trasách – většinou tím úvaha skončí.

Proč účinnost hraje proti vodíku

Vodík se v přírodě volně nevyskytuje, musí se vyrobit. Dnes převážně parním reformingem zemního plynu, čistší cestou je elektrolýza vody elektřinou. Elektrolýza, stlačení, doprava a zpětná přeměna v palivovém článku mají každá své ztráty, takže z původní elektřiny dorazí na kola zhruba třetina. Bateriový elektromobil využije z téže elektřiny výrazně víc, protože ji jen uloží a zase vydá.

Podle mě proto vodík v osobních autech soupeří se silnějším protivníkem, než se před lety čekalo. Baterie mezitím zlevnily a rychlonabíjení zkrátilo zastávky natolik, že hlavní výhoda vodíku, rychlé tankování, přestala být rozhodující. Smysl mu vidím spíš tam, kde je baterie příliš těžká a vozidlo se vrací na jedno místo: u dálkových nákladních vozů a autobusů s vlastní plnicí stanicí v depu.

Vedle palivových článků se zkouší i spalování vodíku v pístovém motoru. Je konstrukčně bližší dnešním autům, ale účinnost má nižší a nádrže potřebuje stejné, takže problém se skladováním neřeší.

Kdo hledá alternativu k benzinu, kterou lze provozovat už dnes s hustou sítí čerpacích stanic, najde ji spíš u plynu; co to znamená pro motor, popisuje článek, jemuž je tématem přestavba na LPG u moderních benzinových motorů. A komu jde o samotnou techniku, tomu doporučuji prohlédnout si na webu některého z výrobců řez palivovým článkem a nádrží – z obrázku je nejlépe vidět, kolik místa vodíková soustava v karoserii zabere.

Zdroje

• ISO 14687 – Hydrogen fuel quality – Product specification
• SAE International – SAE J2601: Fueling Protocols for Light Duty Gaseous Hydrogen Surface Vehicles
• EHK OSN – Předpis č. 134 o schvalování vozidel a jejich součástí z hlediska bezpečnosti vozidel na vodíkový pohon
• Toyota Motor Corporation – technická dokumentace k vozu Mirai a systému palivových článků
• ISO 19880-1 – Gaseous hydrogen – Fuelling stations – General requirements