Akumulátor proti vodíkovému článku – Duel 21. století

Ropná krize, koronavirus a válka na Ukrajině pořádně zamíchaly rozdané karty v automobilovém průmyslu včetně logistiky dopravy. Změny za poslední čtyři roky, vymezené autosalony IAA Truck 2018 a IAA Transportation 2022, jsou výmluvné. 

Od počátku století se ozývaly varovné hlasy o dramaticky klesajících zásobách energetických surovin. Těžitelná ložiska ropy, při současné spotřebě, vystačí na 50 let a zemního plynu na 100 let. Je tedy nutné připravovat se na náhradu fosilních paliv a změnu druhu pohonu. Alternativní paliva organického původu, například MEŘO (metylester řepkového oleje), byla a jsou jen dočasným řešením. Zdálo se, že jediným možným řešením bude elektropohon, který je pro vozidla z hlediska trakčních vlastností neobyčejně výhodný a nepotřebuje spojku ani převodovku. Jeho problémem je skladování energie ve vozidle a přijatelný dojezd.

Foto: Archiv Branka Remka

Nevýkonný a těžký olověný akumulátor byl sice po sto letech nahrazen akumulátorem Li-Ion, ale i jeho koncentrace energie oproti kapalnému palivu (naftě) je asi 25x nižší. Bateriové elektrovozidlo (BEV), třeba návěsová eurosouprava, má kratší dojezd a menší užitečnou hmotnost. Evropská unie proto zavedla legislativní opatření dovolující navýšení celkové hmotnosti o 10 %, tedy ze 40 na 44 t. Co bude s vozovkou pod přetíženými nápravami se nijak nezohlednilo. Spásou proto mohlo být zavedení palivového článku na vodík, který chemickou energii „paliva“ přímo mění na energii ­elektrickou. Energetická hustota vodíku je oproti naftě nižší jen 20x (stlačený), resp. 4x (zkapalněný). Ve vozidle lze vodík skladovat v nádobách pod tlakem 70 MPa (hustota asi 0,04 kg/dm³), kdy jeho výhřevnost je 33,33 kWh/kg, resp. 1,31 kWh/dm³, a jeho plnění je bezproblémové. Další možností je zkapalnění při teplotě –253 °C (hustota 0,07 kg/dm3) a uložení v kryogenních nádobách (tlak 2 až 4 bar), kdy ­výhřevnost činí 33,33 kWh/kg, resp. 2,36 kWh/dm³, a plnění je vysoce problémové. Pro srovnání je výhřevnost nafty asi 9,7 kWh/dm³.

Za zmíněné čtyřleté období všichni významní světoví výrobci nákladních a užitkových automobilů připravili do výroby elektromobily, z nichž některé jsou již v nabídce a jako tahače návěsů se nyní začínají dodávat. Protože i prostor pro akumulátory je omezený, jsou uváděné teoretické dojezdy na jedno nabití až 500 km, ale ve skutečnosti jen 400 km. To je přijatelné, uvažujeme-li povinnou zastávku řidiče po 4,5 h jízdy s nájezdem asi 300 km a legislativně omezenou dobou jízdy v jednom dni. Přední automobilky již také představily elektromobily s vodíkovými články (FCEV), jež mají být do výroby zavedeny v roce 2024, kdy by také již měla být k dispozici základní infrastruktura plnicích stanic. Podle německého sdružení HyCET (Ministerium für Digitalization und Transport) s partnery BMW, Deutz, Freight (DHL), Keyou, Total Energies a Volvo Group bude v roce 2030 v pěti zemích Evropské unie (Benelux, Německo a Francie) 150 plnicích stanic H₂.

Foto: Archiv Branka Remka

Rozvojem vodíkové infrastruktury se překvapivě otevřela nová možnost uplatnění pístového spalovacího motoru (ICE), který se přechodem z nafty (směs uhlovodíků) na vodík stává čistým zdrojem, protože v procesu hoření nefiguruje žádný uhlík. Řada firem nabízí přestavby vznětových motorů na vodík a velký výrobce motorů Cummins již má v nabídce vodíkový šestiválec X15H. Poměrně nízká provozní účinnost spalovacího motoru (30 až 40 %) spolu s menší výhřevností vodíku ale vyžadují pro vyhovující dojezd velké nádrže. Bohužel s palivovým článkem to není o moc lepší, protože při větších zatíženích má stejnou, nebo dokonce horší účinnost než spalovací motor. Lepší je jen při malém zatížení ve městě, kde ji ale zhoršuje nabíjení akumulátoru nutného pro dostatečně rychlou reakci na změny zatížení. V této turbulentní době, kdy vzniká zcela nová struktura průmyslu, dopravy a služeb, již četná společenství výrobců, výzkumných ústavů a technických univerzit nabízejí řadu nových technických řešení, kdy teprve čas a trh ukáží, které je to optimální. Vývoj syntetických paliv na bázi vodíku a volba různých pohonů, včetně konfigurací jednotlivých komponent a jejich konstrukcí, je patrna z obrázků v článku.

Úvodem závěru může být diskuse profesorů Ústavu automobilů a spalovacích motorů ČVUT v Praze: „Vše je horší než kapalná fosilní paliva. Přistoupíme-li na požadavek na nefosilní palivo, je vodík nejlepší ze špatných možností. Objem nádrží závisí na tom, kolik místa mu konstruktér věnuje. Nejde o přestavbu, ale o zcela novou konstrukci. Hlavní výhodou oproti akumulátoru je rychlé plnění a menší hmotnost. Zkapalněný vodík je kvůli odparu provozně špatně použitelný.“ Z toho lze usoudit, že ještě asi 30 let budou vedle sebe žít různé druhy pohonu, z nichž jednotlivé se prosadí pro určité provozní podmínky dopravy.

Foto: Archiv Branka Remka

BEV mají své místo jako osobní, dodávkové a lehké nákladní automobily a autobusy pro městskou a příměstskou dopravu. Pro dálkovou nákladní i osobní dopravu v mezinárodním měřítku, složky integrovaného záchranného systému a armádu zůstane pohon spalovacími motory. Stlačený vodík jako palivo pro ICE a palivové články (FCEV) se zatím uplatní jen v místech s dostatečnou infrastrukturou plnicích stanic. Právě infrastruktura je největším problémem tuzemské dopravy. Plnicí stanice na vodík jsou v České republice tři a výkonná rychlonabíječka stejnosměrným proudem pro nákladní automobily jen jedna, a to ještě v soukromém areálu. Podstatně nadějnější je rozšiřující se síť nabíječek pro osobní a dodávkové automobily. Bohužel nelze celou zemi zastavět větrníky a soláry, a tak to musí do budoucnosti zajistit jaderné elektrárny.

Poznámka pod čarou

Modelovým příkladem je Mercedes-Benz Actros 1852 LS 4x2/380 kW. Průměrná silniční spotřeba v soupravě 40 t je asi 30 dm³/100 km nafty, což odpovídá energii 291 kWh/100 km. Největší nádrž má objem 990 dm³, takže teoretický dojezd činí 3300 km. U tahačů s malým rozvorem náprav je prostor pro palivové nádrže velmi omezen. Těžko se dá očekávat, že by se daly umístit válcové nádrže s objemem větším než 1200 dm³. Teoretický dojezd soupravy FCEV by byl asi 540 km. Použití CHG jako paliva pro ICE v dálkových tahačích považuji za vyloučené. Při pohonu CHG 70 MPa by spotřeboval asi 8,73 kg H₂/100 km neboli 222 dm³/100 km. Poněkud příznivější je bilance při pohonu LH. Měrná spotřeba LH by byla 126,5 dm³/100 km. Experimentální tahač Mercedes Benz GenH2 s palivovými články má dvě kryogenní nádrže po 40 kg LH po stranách rámu s celkovým vnitřním objemem asi 1200 dm3, což odpovídá maximální převážené energii kolem 2670 kWh. S tímto objemem by byl teoretický dojezd soupravy s ICE asi 950 km.

Foto: Archiv Branka Remka

Převzato z časopisu

Fotogalerie