Jak fungují vodíková auta

Návštěvníci se podívají na Honda FCX Clarity na autosalonu Auto China 2008 v Pekingu, 20. dubna 2008. AP Foto / Oded Balilty

Auto budoucnosti je tady dnes. Samozřejmě si ještě nemůžete koupit; ale pokud žijete v Kalifornii, můžete si jednu pronajmout. Nepoužívá benzín a neznečišťuje vzduch. Ve skutečnosti produkuje páru místo výfuku. Co je tedy tajemné palivo? Vodík - nejjednodušší a nejhojnější prvek ve vesmíru. A někteří lidé si myslí, že za 20 až 30 let budeme všichni řídit tato vozidla poháněná vodíkem a palivem.

Ačkoli automobily na vodíkový pohon mají pro ně kvalitní sci-fi, nápad není ve skutečnosti nový. Technologie využití vodíku k výrobě energie je ve skutečnosti již od první poloviny 19. století - to je déle než automobily kolem. Novinkou je, že na silnici můžete vlastně vidět vůz s vodíkovým pohonem, přičemž z výfukových plynů místo škodlivých plynů vycházejí páry. V současné době existuje několik vodíkových automobilů, ale většina z nich jsou koncepční. Mezi tyto ekologické hnací stroje patří Chevrolet Equinox, BMW 745h a stroj, který je v současné době k dispozici k pronájmu v Kalifornii, Honda FCX.

To, co umožňuje vodíkové auto, je zařízení zvané a palivový článek, který přeměňuje vodík na elektřinu a vydává pouze teplo a vodu jako vedlejší produkty. Protože je neznečišťující, vodík se jeví jako ideální palivo pro 21. století. Mnoho lidí ve vládě a v automobilovém průmyslu je nadšeno jeho potenciálem. Vodíkové automobily mají potenciál být energeticky úsporné a nabízejí naději na ekologické a ekologické řízení. Stále však existuje mnoho problémů, které je třeba překonat, a otázky, které je třeba zodpovědět dříve, než se vodík stane palivem volby pro dostatek lidí, aby výrazně změnili naše současné používání fosilních paliv. Například, kde získáme vodík? Jak drahé budou tyto palivově úsporné automobily koupit? Dokážete najít vodíkovou čerpací stanici pro doplnění nádrže? A co je možná nejdůležitější, jako palivo je vodík skutečně stejně neznečišťující, jak se zdá?

Podíváme se na tyto otázky na následujících stránkách, ale můžeme vám dát hned jednu rychlou odpověď: Pokud náhodou nebudete žít ve velmi specifických částech země a mít kapsy lemované hotovostí, neočekávejte vodíkové auto na příjezdové cestě v příštím desetiletí.

Obsah

1. Vodíkové palivové články
2. Výroba vodíkových aut
3. Vodíkové neúspěchy

Sběrnice poháněná vodíkovým palivovým článkem opouští Kongresové centrum Connecticut v Hartfordu (USA) na demonstrační jízdu. Foto AP / Bob Child

V 1839, velšský vědec Sir William Robert Grove vzal známý elektrochemický proces elektrolýzy, který používá elektřinu k výrobě vodíku z vody, a obrátil to, vyrábějící elektřinu a vodu z vodíku. Svůj vynález nazval plynovou voltickou baterií, ale dnes ji známe jako vodíkový palivový článek. O mnoho později, v polovině 20. století, byla technologie dále rozvíjena vynálezcem Francisem Baconem. Technologie, kterou tito dva vynálezci vymysleli, je nezbytná pro provoz vodíkového vozu.

První praktický systém palivových článků byl vyvinut společností General Electric na počátku šedesátých let pro použití v orbitálních vesmírných kapslích. A v 90. letech se v městských autobusech začaly objevovat palivové články. takže víme, že pohon vozidel s palivovými články je proveditelný. Palivový článek můžete považovat za druh baterie, s tou výjimkou, že zatímco si baterie udržuje své palivo uvnitř sebe, je třeba ji doplnit. Palivo pro vodíkový palivový článek je, jak název napovídá, vodík. Jak si možná vzpomenete ze střední chemie, vodík je nejjednodušší ze všech prvků. Atom vodíku se skládá z jednoho elektronu a jednoho protonu. Palivový článek generuje elektřinu stripováním elektronů z protonů a pomocí elektronů vytváří čistý proud elektřiny. Ionizované atomy vodíku se pak spojí s kyslíkem za vzniku vody. Dalším vedlejším produktem tohoto procesu je teplo, takže tato voda má obecně podobu páry. Jak je to s ekologickou jízdou?

Typem palivového článku používaného v automobilech je palivový článek s polymerní výměnnou membránou (nebo PEM). Palivové články PEM mají tu výhodu, že jsou lehké a malé. Skládají se ze dvou elektrod (záporně nabitá anoda a kladně nabitá katoda), katalyzátoru a membrány. Vodík je tlačen do palivového článku na anodě ve formě molekul H2, z nichž každá obsahuje dva atomy vodíku. Katalyzátor na anodě štěpí molekuly na vodíkové ionty (protony) a tok elektřiny (elektrony). Ionty procházejí membránou, ale elektřina musí jít kolem. I když to dělá, může být využito k práci. Stejně jako je vodík tlačen do palivového článku v anodě, je do katody vháněn kyslík. Protony a elektrony se znovu sejdou na katodě a spojí se s kyslíkem a vytvoří vodu, z nichž většina se stane výfukem palivových článků. Palivové články jsou navrženy tak, aby byly ploché a tenké, hlavně proto, aby mohly být stohovány. Čím více palivových článků v komoře, tím větší je napětí elektřiny, kterou komín vyrábí.

Mnoho lidí si myslí, že palivová úsporná vozidla, jako jsou automobily na vodíkový pohon, budou rozhodující pro splnění energetických požadavků 21. století. V roce 2003 oznámil prezident George W. Bush iniciativu Freedom Fuel Initiative ve výši 1,2 miliardy dolarů na podporu rozvoje technologie palivových článků. Palivové články mají oproti fosilním palivům dvě hlavní výhody. Za prvé, nevyčerpávají konečnou zásobu ropy na světě, což nám pomáhá zachovat stávající zásoby a může také snížit naši závislost na zahraniční ropě. Za druhé, jediný vedlejší produkt z provozu palivového článku je teplo a voda, což znamená, že palivové články neprodukují znečištění. To je životně důležité v době, kdy se předpokládá, že emise uhlíku z automobilů podporují globální oteplování.

Na další stránce se podíváme na to, jak se vyrábějí vodíkové automobily a palivové články. A možná ještě důležitější je, že se podíváme na to, odkud pochází samotný vodík.

Země má dostatek vodíku ve formě vody; jeho oddělení, shromažďování a skladování se však může ukázat jako docela obtížné. Foto AP / NASA

Jak tedy výrobci skutečně vyrábějí palivově úsporná vozidla, jako jsou automobily na palivové články? Výroba vodíkových automobilů se nijak výrazně neliší od výroby typických automobilů. Například pohonné ústrojí a elektrické systémy budou poněkud jedinečné, protože palivový článek vytváří elektřinu. Vodíkové vozidlo a elektrické auto mají proto v tomto ohledu hodně společného. Možná důležitější otázkou je, jak bude vyráběn samotný vodík. Vzhledem k tomu, že vodík je nejhojnějším prvkem ve vesmíru a tvoří zhruba 90 procent existujících atomů, myslíte si, že by to nebyl problém. Dobře, zamyslete se znovu. Vodík je také nejlehčí prvek ve vesmíru a jakýkoli neobsazený vodík na povrchu Země se okamžitě vznáší do vesmíru. To, co vodík na této planetě zůstává, je vázáno s dalšími prvky v molekulární formě, nejčastěji v molekulách vody (H2O). A na povrchu Země se stane hodně H2O.

Jak ale můžeme oddělit molekuly vodíku ve vodě od molekul kyslíku? A pokud nepoužíváme vodu jako zdroj vodíku, kde jinak můžeme získat vodík?

Nejjednodušší způsob, jak získat vodík z vody, je ten, o kterém Sir William Grove věděl před více než 150 lety: elektrolýza. Pokud prochází elektrický proud vodou, molekuly H2O se rozpadají. Podobně jako u palivových článků používá tento proces anodu a katodu, obvykle vyrobenou z inertních kovů. Když je do vody přiveden elektrický proud, vytváří se na katodě vodík a na anodě se tvoří kyslík. Přestože je tento proces pomalý, lze jej provést ve velkém měřítku.

Alternativním zdrojem vodíku je zemní plyn, který se skládá z přirozeně se vyskytujících uhlovodíků. Proces nazývaný reformace páry lze použít k oddělení vodíku v plynu od uhlíku. V současné době je to nejběžnější způsob výroby vodíku v průmyslovém měřítku a pravděpodobně by to byla první metoda použitá k výrobě vodíku pro vozidla s palivovými články. Tento proces bohužel využívá fosilní paliva - zemní plyn - takže pokud je cílem stavby automobilů poháněných vodíkem zabránit vyčerpání zásob fosilních paliv, byl by zemní plyn nejhorším možným zdrojem tohoto paliva..

Někteří odborníci navrhli, že by bylo možné postavit miniaturní vodíkové elektrárny, které se vejdou do garáže průměrného člověka, takže ani nebude nutné jezdit na místní čerpací stanici, aby se naplnila vodíková nádrž automobilu. Nejextrémnější formou této myšlenky byl návrh, že elektrolýza by mohla být prováděna uvnitř samotného automobilu, což by umožnilo ohromující myšlenku na auto, které běží na vodě! Energie pro elektrolýzu však musí pocházet z jakéhokoli typu baterie, takže je třeba pravidelně dobíjet vodu poháněné auto..

Jsou tedy ekologické hnací stroje, jako jsou vozidla s palivovými články, skutečně auta budoucnosti? Mnoho lidí doufá, ale existuje několik potenciálních zátarasů na cestě do světa, kde se lidé pohybují v autech poháněných vodíkem. Podíváme se na ně na další stránce.

Vozidla poháněná vodíkem z plavby Daimler, Volkswagen a BMW na dálnici v New Yorku. Auta byla součástí 31-městského vodovodního turné, které zahrnuje také vozidla poháněná vodíkem od GM, Honda, Hyundai, Kia, Nissan a Toyota. Foto AP / Richard Drew

Mnoho lidí věří, že vodíkové palivové články jsou nejdůležitější technologií alternativních paliv, která se v současné době vyvíjí. Není to však bez problémů a může trvat desetiletí, než bude technologie palivových článků v široké míře využívána. Problémy s vodíkem můžeme zhruba rozdělit do tří kategorií: náklady na vývoj technologie, potíže a nebezpečí spojená se skladováním vodíku a možnost, že tato „neznečišťující technologie“ není nakonec tak neznečišťující. Zde jsou některé z neúspěchů na vodíkové automobily, které můžeme v blízké budoucnosti očekávat.

Náklady na vývoj vodíkové technologie jsou vysoké. Musíme nejen navrhnout a vyvinout palivové články a automobily, ale musíme také vyvinout infrastrukturu na podporu těchto palivově efektivních vozidel. Představte si, že jste vlastnili vodíkové auto. Kam byste šli naplnit svůj tank? Za předpokladu, že nemáte v garáži zařízení na výrobu vodíku, budete potřebovat čerpací stanici vodíku a jediné místo, kde v současné době existuje významné množství takových stanic, je ve státě Kalifornie, kde má guvernér Arnold Schwarzenegger se zavázala podporovat budoucnost vodíku. Některé z pesimističtějších odhadů stanovily náklady na vybudování infrastruktury, která umožní, aby značný počet automobilů na vodíkový pohon dosáhl až 500 miliard dolarů - a čas na výrobu infrastruktury až za čtyři desetiletí!

Náklady na auta jsou také vysoké. S platinou jako nejpoužívanějším katalyzátorem v palivových článcích je cena jednoho vozidla s palivovými články v současné době vyšší než 100 000 USD a možná i mnohem více, což je důvod, proč jediná vodíková vozidla, která máte v tuto chvíli k dispozici, jsou k pronájmu , není na prodej. Jen málo lidí si může dovolit takové drahé auto. Jsou vyvíjeny další katalyzátory, které budou pravděpodobně levnější než platina, ale nikdo neví, jak brzy budou k dispozici pro použití ve velkém měřítku.

Problém s úložištěm je také komplikovaný. Vodík je plyn a rád se šíří. Vložení do auta znamená stlačení na přiměřenou velikost, což není snadné. Kromě toho se vodík zahřívá, zatímco sedí v nádrži zaparkovaného automobilu, což způsobuje expanzi plynu. To znamená, že nádrže musí pravidelně odvzdušňovat vodík z automobilu. Nechte vodíkové auto sedět déle než několik dní a všechno palivo bude pryč. Vodík je také vysoce hořlavý - někteří věří, že velkolepý výbuch velkého Hindenburgu ve 30. letech byl výsledkem vodíkové palby - takže pokud se vodík dostane ven z nádrže, má potenciál být nebezpečný . Naštěstí vodíkové požáry nejsou tak horké jako benzínové a je méně pravděpodobné, že začnou sekundární požáry. A protože vodík stoupá, většina uniklého vodíku vznáší, než může skutečně ublížit.

A je vodík opravdu neznečišťující? Palivový článek produkuje pouze teplo a vodu jako výfuk, ale procesy používané k vytvoření vodíku nejsou nutně tak čisté. Elektrolýza používá elektřinu a tato elektřina často pochází z rostlin, které spalují uhlí, vysoce znečišťující zdroj. A když je vodík extrahován ze zemního plynu, produkuje emise uhlíku, což je přesně tomu, čemu se snažíme vyhnout tím, že nejprve použijeme vodík.

Mnoho lidí si myslí, že tyto překážky nakonec překonáme, ale bude to těžké. Jiní se domnívají, že naše nejlepší sázka na úsporu paliva a ekologickou jízdu v blízké budoucnosti nespočívá ve vodíku, ale v hybridních elektrických vozidlech, jako jsou Toyota Prius, hybrid Ford Fusion a další podobné hybridní automobily. Přesto je možné, že v příštích několika desetiletích byste mohli vlastnit automobil na vodíkové palivové články.

Další informace o alternativních palivech, hybridních vozech a dalších souvisejících tématech naleznete na odkazech na následující stránce.

Související články

• Top 10 prodejních hybridních automobilů
• Jak funguje Honda Civic Hybrid
• Jak funguje Ford Fusion Hybrid
• Jak Toyota Prius funguje
• Jsou hybridní auta pomalejší než běžná auta?
• Jak fungují alternativní čerpací stanice paliva

Prameny

• Barras, Colin. „Palivový článek bez platiny slibuje levnou, zelenou energii.“ Nový vědec. 15. prosince 2008. (21. dubna 2009) http://www.newscientist.com/article/dn16275-platinumfree-fuel-cell-promises-cheap- green-power.html
• Berger, Michael. "Nanotechnologie mohla vyčistit špinavé malé tajemství vodíkových aut." Nanowerk. 19. července 2007. (21. dubna 2009) http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=2239.php
• ScienceDaily. "Vodíková vozidla? Prototypová nádrž na vodík udržuje prodlouženou tepelnou odolnost." 10. června 2008 (21. dubna 2009) http://www.sciusalaily.com/releases/2008/06/080604140935.htm
• ScienceDaily. „Auta poháněná vodíkem nejsou nejlepším způsobem, jak snížit znečištění, skleníkové plyny a závislost na ropě.“ 18. července 2003. (21. dubna 2009) http://www.sciusalaily.com/releases/2003/07/030718084311.htm
• Squatriglia, Chucku. „Vodíkové automobily jsou tady. Nyní potřebujeme pouze infrastrukturu pro zásobování palivem.“ Kabelové. 12. března 2008 (21. dubna 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/hydrogen-cars-a.html
• Squatriglia, Chucku. "Řídíme vozidlo poháněné vodíkovými palivovými články Chevrolet Equinox." Kabelové. 11. března 2008 (21. dubna 2009) http://blog.wired.com/cars/2008/03/we-drive-the-ch.html
• Wrigglesworth, Phil. "Auto věčné budoucnosti." Ekonom. 4. září 2008 (21. dubna 2009) http://www.economist.com/science/tq/displaystory.cfm?story_id=11999229