Najvážnejšia alternatíva

Reč sa však zvrtla na riešenie alternatívnych pohonov pre budúce roky, keď už v útrobách Zeme zostane len veľmi malé množstvo ropy. Dr. Marwitz veľmi vážne prehlásil, že to určite budú palivové články, lebo nič lepšie neprichádza do úvahy. Domnievame sa však, že väčšina čitateľov nevie presne, o čo ide, takže prijmite od nás stručné a veľmi jednoduché vysvetlenie ich podstaty.

Palivový článok

Vo fyzike na základných školách sme sa učili o elektrolýze vody, čo sa jednoducho vysvetľuje ako rozklad vody elektrickým prúdom na vodík a kyslík. Voda sa chemickou značkou vyjadruje ako H2O. Opačným postupom – prívodom vodíka na jednu z elektród a kyslíka na druhú elektródu vznikáchemický proces, pri ktorom na elektródach vzniká elektrické napätie a súčasne sa vytvára voda (H2O). Teda vznikne palivový článok. Je to veľmi zjednodušene vysvetlené. Pozrime sa, čo píše pod heslom palivový článok Technický náučný slovník (Nakladateľstvo technickej literatúry SNTL, Praha 1991).

Elektrochemický palivový článok, galvanický palivový článok je zariadenie na priamu premenu chemickej energie na elektrickú. Ide teda o priamu premenu energie. Vlastne o oxidáciu paliva, pri ktorej na rozdiel od bežného spaľovania paliva napr. v motore, prebieha chemický proces v dvoch častiach: na anóde, kde predstavuje ionizáciu spojenú s uvoľňovaním elektrónov a na katóde, kde prebieha ionizácia vyžadujúca dodávanie elektrónov.

Uvádzame i schematické znázornenie najjednoduchšieho palivového článku kyslíkovo-vodíkového, pri ktorom 1 je elektróda na strane prívodu vodíka (anóda), 2 je elektróda na strane prívodu kyslíka (katóda), 3 elektrolyt. V kyslíkovo-vodíkovom článku na elektródach vzniká elektrické napätie a ďalším produktom je voda (H2O). Namiesto čistého kyslíka možno použiť vzduch zbavený CO2. (Skrátené vysvetlenie podstaty palivového článku.)

Jeho princíp objavil anglický fyzik Sir William Grove v roku 1839. Zhotovil malú elektrochemickú elektráreň, ktorá produkovala elektrickú energiu z vodíka. Chemickou reakciou medzi vodíkom a kyslíkom vzniká na elektródach elektrické napätie a čistá voda, pričom sa uvoľňuje aj teplo.

Palivový článok má sendvičovú štruktúru. Medzi dvoma pre plyny priepustnými elektródami z grafitového papiera sa nachádza elektrolyt, membrána na výmenu protónov (PEM). Jeden takýto článok vygeneruje iba veľmi nízke napätie, avšak niekoľko spojených článkov vytvorí batériu, v ktorej sa vygeneruje už taká elektrická energia, ktorá môže poháňať napr. aj elektrický motor.

Prísne predpisy o čistote výfukových plynov napokon vyústia k nulovým hodnotám škodlivín, ktoré sa už pri spaľovaní súčasných palív v motoroch nebudú dať dosiahnuť. Ľudstvo v snahe zachrániť planétu od zamorenia ovzdušia bude musieť prísť s riešením pohybu vozidiel na inom princípe. Práve palivové články ponúkajú takéto riešenie.

Palivové články sú teda miniatúrne elektrárne, ktoré uvoľňujú elektrickú energiu získanú z reakcie medzi vodíkom a kyslíkom. Majú veľmi vysoký koeficient účinnosti a v závislosti od použitého „elektrolytu“ produkujú buď malé alebo žiadne škodlivé emisie. Palivové články, ktoré pracujú s čistým vodíkom a kyslíkom, nevylučujú žiadne škodliviny, iba čistú vodnú paru.

Už dnes je niekoľko známych spôsobov, ako so sebou voziť zásobu vodíka do palivových článkov. Buď ako stlačený plyn, alebo ako tekutý vodík. Ten by sa však musel schladiť na teplotu mínus 254 stupňov Celzia.Tiež by sa mohol voziť metanol, gazolín, sodíkový borohydrát alebo metalhydráty. Každý z nich však nesie aj nevýhody. Preto vedci skúmajú ďalšie možnosti. Prvý raz od vynájdenia motorového vozidla sa ľudstvo priblížilo k sľubnému využitiu iného systému pohonu, než je súčasný spaľovací motor. Palivový článok je výhodný aj preto, že má takmer dvojnásobnú účinnosť, než majú spaľovacie motory. Je úplne nezávislý od ropy, pretože vyžaduje vodík, ktorý sa nevyskytuje v závislosti od minerálov. Navyše pri činnosti palivových článkov nevzniká CO2, ba ani iné škodliviny okrem čistej vody, resp. vodnej pary. Pritom pracuje úplne nehlučne.

Od roku 1960 sa palivové články používajú pri vesmírnych letoch na dodávanie elektrickej energie zariadeniam v satelitoch. Ich konštrukcia i prevádzka boli dosť nákladné. Lenže v priebehu rokov palivové články prešli obdobím úžasného vývoja a od roku 1970 viaceré firmy uskutočnili množstvo pokusov, ako ich využiť na pohon vozidiel. Žiaľ, zväčša neboli úspešné.

DaimlerChrysler však v roku 1994 prišiel ako prvý s úspešným riešením pohonu vozidla NECAR 1 palivovým článkom. Odvtedy jeho technici inštalovali takéto elektrárne najmenej do dvadsiatich vozidiel, čím vlastne urobili prvý technologický krok k ich veľkovýrobe. Na základe programu „Energia pre budúcnosť“ súčasné klasické vozidlá spoločnosti DaimlerChrysler produkujú emisie z motorov podľa dnešných limitov Euro a spotrebu paliva majú o 22 % nižšiu oproti roku 1995!

Ďalšie alternatívy

Popri vývoji palivových článkov technici pracujú aj na riešení ďalších alternatívnych palív. Napríklad biomasa pri horení v spaľovacích motoroch produkuje podstatne menej oxidov uhlíka než súčasné benzíny či nafta. Rovnako napreduje aj vývoj hybridných pohonov. Tu moderný vznetový motor poháňa elektrický generátor, z ktorého prúd e poháňa elektromotory. To je ďalšia z alternatív, ako v blízkej budúcnosti redukovať škodliviny produkované vozidlami do ovzdušia. Napriek týmto pokusom palivové články predstavujú najväčší potenciál na pohon vozidiel. Dodnes Mercedes-Benz investoval do ich vývoja viac než miliardu eur. A naozaj spoločnosť DaimlerChrysler napreduje v tomto smere veľmi úspešne a globálne rozvíja spoluprácu. Napríklad s firmami Ford a Ballard, tiež i s California Fuel Cell Partnership a Japan Hydrogen Fuel Cell Demonstration Project. DaimlerChrysler má najväčšiu flotilu vozidiel s palivovými článkami, ktoré sú v každodennej prevádzke. Od osobných automobilov, cez dodávky, autobusy a trucky. Ide o viac než 100 takýchto vozidiel, ktoré skúšajú v rôznych krajinách s rozdielnymi klimatickými podmienkami. Treba dodať, že na týchto testoch sa podieľa aj Európska komisia a projekt podporuje Európska únia.

Koncom roku 2003 premávalo v európskych mestách 30 autobusov s pohonom palivovými článkami. Prvým z nich bol Madrid a po ňom Barcelona. (Podľa programu CUTE - Clean Urban Transport for Europe – čistá doprava v európskych mestách). Nasledovali ďalšie mestá: Amsterdam, Hamburg, Londýn, Luxemburg, Porto, Reykjavik, Štokholm a Stuttgart. O skúsenostiach s týmto pohonom vraví Dr. Thomas Weber, člen správnej rady spoločnosti DaimlerChrysler, zodpovedný za výskum a vývoj tohto druhu vozidiel: „Cestujúci v týchto takmer bezhlučných autobusoch cestujú s vysokým stupňom pohodlia a vozidlá neprodukujú nijaké škodliviny do ovzdušia. Testovanie tohto pohonu v autobusoch a vo veľkých mestách je ideálne na získanie skúseností vo veľkých dopravných spoločnostiach. V takýchto podmienkach sa dajú získať ďalšie potrebné poznatky pre vývoj lacnejších systémov.“

Mercedes Citaro

Ako príkladné vozidlo pre hromadnú dopravu technici DaimlerChrysler zvolili autobus Citaro s pohonom palivovými článkami. Ide o vozidlo dlhé 12 metrov so zásobou paliva do článkov na 200 km pri obsadení 70 cestujúcimi. Palivové články dodávajú výkon 200 kW a vodík uskladnený v špeciálnych valcových kontajneroch je stlačený tlakom 350 barov. Kontajnery sú uložené na streche autobusov. Autobus dosiahne maximálnu rýchlosť 80 km/h. Elektrický motor a automatická prevodovka sú umiestnené v zadnej časti vozidla. Autobus má troje dverí a nastupuje sa pri zníženej podlahe bez schodíkov.

Od prototypu k malosériovej výrobe

Vozidlá spĺňajú všetky podmienky na hromadnú dopravu osôb, takže DaimlerChrysler pripravil továreň na malosériovú výrobu takýchto autobusov v Mannheime. Citaro je teraz vlastne nasledovníkom autobusov NEBUS (Nový Elektrický Bus), ktorý vznikol z autobusu M-B O 405.

Necar 4 – 1999

Nezostalo však iba pri testoch palivových článkov na pohon autobusov. Inžinieri DaimlerChrysler vyskúšali takýto pohon aj na malom osobnom automobile triedy Mercedes A, ktorý patrí do série vozidiel s netradičným pohonom – NECAR. Vozidlo jazdí na pohon tekutým vodíkom, dosahuje rýchlosť až 145 km/h a zásoba paliva mu vystačí na 450 km. Pritom poskytuje pohodlnú jazdu pre päť osôb s bežnou batožinou. Jeho prezentácia bola 16. marca 1999 vo Washingtone v USA. Vozidlo pripravili v spolupráci so spoločnosťou California Fuel Cell-Partnership. Ďalšia alternatíva oveľa kompaktnejšia bola s pohonom na stlačený vodík s výkonom palivových článkov 75 kW s dojazdom vyše 200 km. Maximálna rýchlosť vozidla je 145 km/h.

NECAR 5 – 2000

V novembri/listopadu 2000 DaimlerChrysler uskutočnil testy s vozidlom, ktoré poháňal metanol ako vodíkové médium. Opäť išlo o Mercedes triedy A. Maximálna rýchlosť bola 150 km/h. Pohonný systém, umiestnený pod podlahou, mal o 50 % väčší výkon a bol o 300 kg ľahší než model NECAR 3. Vozidlo vytvorilo diaľkový rekord pre automobily na pohon palivovým článkom, keď prešlo 5250 km. Absolvovalo trasu naprieč severoamerickým kontinentom zo San Francisca do Washingtonu, teda z Kalifornie, kde boli horúčavy a prešlo Rocky Mountains v chladnom počasí a so snehom. Dosiahlo najvyšší bod vo výške 2640 metrov, pričom prechádzalo veľkými mestami so systémom jazdy zastaviť a ísť. Išlo o jazdu na technickom limite tak, ako sa používajú každodenne dnešné bežné vozidlá.

Jeep Commander 2 – 2000

Ide o luxusné vozidlo triedy Sport Utility Vehicle poháňané palivovým článkom. Bolo treba získať skúsenosti i s takto veľkým automobilom. Opäť malo vodíkové médium metanol, z ktorého sa vodík získaval priamo na palube počas prevádzky.

Hermes Sprinter - 2001

Hamburská dopravná spoločnosť Hermes Versand Service dostaladodávkového Sprintera s pohonom na palivový článok na každodennú prevádzku. Pohon stlačeným vodíkom s dojazdom 150 km, s maximálnou rýchlosťou 120 km/h a s výkonom elektrického motora 55 kW. Palivový článok však nesmel obmedziť nákladný priestor vozidla. Od uvedenia do prevádzky Sprinter najazdil viac než 16 000 km a dodal tovar 4200 zákazníkom.

Natrium – 2001

Ide o verziu malej dodávky Chrysler Town & Country. Vodíkové médium je borohydrid (NaBH4), biela soľ, ktorej molekuly sú bohaté na vodík. Dojazd je 500 km, akcelerácia z pokoja na 100 km/h za 16 sekúnd, maximálna rýchlosť 129 km/h.

M-B A F-Cell – 2002

Ide o malú sériu automobilov triedy M-B A, ktoré dostali pomenovanie F-Cell (cell – článok). Jazdia na pohon palivovým článkom v Európe, USA, Japonsku a v Singapure. Majú sendvičovú podlahu a dlhý rázvor osí. Výsledky sú veľmi uspokojivé.

Otázka – kedy?

Dr. Marwitz a ďalší experti spoločnosti DaimlerChrysler vravia, že v roku 2015 by sa mohli dostať do predaja prvé vozidlá obmedzenej série na pohon palivovým článkom, ale rozmach ich výroby nastane až od roku 2020. Takže si počkáme. O vodíknúdza nebude, pretože Zem ho má veľké zásoby takmer všade. Tu ide aj o starú pravdu, že technici sa vyrovnávajú s akýmkoľvek problémom, ak dostanú presné zadanie úlohy. Potvrdzujú to i výsledky, aké dosahujú s vývojom palivových článkov.

Z informácií a zdrojov od pracovníkov spoločnosti DaimlerChrysler spracoval

text: Stano Cvengroš
zdroj: Trucker 3/2005