8/3/2024
Toyota v USA uvedla do provozu první „Tri-Gen“ systém s palivovými články produkující čistou energii, zelený vodík a vodu. | Foto: Toyota Motor
Využití vodíku v dopravě má, tak jako prakticky všechny nové technologie, své nekritické příznivce i zaryté odpůrce. Pohled na jeho budoucnost se navíc mění v čase – opět od nadšené propagace a podpory až po jednoznačné zatracení. Technicky, a tedy střízlivě řečeno, nabízí velmi zajímavé a přínosné možnosti pro omezování klimatické zátěže, ale současně bude jeho rozšíření vyžadovat obrovské investice.
Vodík je nejlehčí plyn s velkým potenciálem pro ochranu životního prostředí. Jenže v přírodě se vyskytuje velmi vzácně a největší podíl světové výroby vodíku pochází z fosilních paliv – především z parní reformace zemního plynu nebo ropy. Přitom ovšem zároveň vzniká velké množství oxidu uhličitého. Ekologicky smysluplné je jen použití takzvaného „zeleného“ vodíku, který se získává elektrolýzou vody s využitím elektrické energie vyráběné výhradně z bezfosilních zdrojů.
V dopravě vodík nachází využití ve třech formách. Při spalování vodíku vzniká velké množství energie, takže několik automobilek zkoušelo spalovací motory používající plynný vodík jako pohonnou hmotu. Přitom se sice neuvolňuje oxid uhličitý, ale nejde o zcela bezemisní proces. Nejrozšířenější a současně nejefektivnější je využití vodíku v palivových článcích pro výrobu elektrické energie napájející trakční elektromotory vozidel s elektrickým pohonem. Vodík je také základem pro výrobu syntetických paliv (e-paliv), která by mohla nahradit fosilní pohonné hmoty.
Hyundai Nexo Fuel Cell při tankování v prvním provozu na výrobu vodíku v Španělsku. | Foto: Hyundai
Využití vodíku v dopravě prošlo v posledních dvou desetiletích dramatickými proměnami – od všeobecného nadšení až po jeho téměř úplné opuštění. Stejně tak tomu bylo i s politickou podporou v rámci EU – od označování vodíku za pohonnou hmotu budoucnosti řešící všechny problémy až po tvrzení, že použití vodíku v silniční dopravě nemá smysl, protože bude potřeba v jiných odvětvích, především v metalurgii, případně pro železniční, lodní a leteckou dopravu.
Princip palivových článků spočívá ve slučování vodíku a vzdušného kyslíku za vzniku elektrické energie. Jedinými emisemi při tom jsou vodní pára a teplo. Automobily s palivovými články mají elektrický pohon, ale vystačí s podstatně menším akumulátorem, sloužícím jen k vyrovnání zvýšených požadavků na výkon. Vozidla poháněná palivovými články mají proti elektromobilům s akumulátory podstatně delší dojezd, prakticky jako vozidla poháněná spalovacími motory. Také doplňování vodíku je rychlejší než dobíjení akumulátorů, opět srovnatelné s klasickými pohonnými hmotami.
Už od 70. let 20. století mnoho automobilek předvádělo experimentální vozidla poháněná elektromotory napájenými pomocí palivových článků. Se začátkem milénia se tedy zdálo, že budoucnost dopravy bude spojena s vodíkem. Koncern General Motors tehdy prezentoval médiím svá vozidla s palivovými články, automobil Mercedes-Benz s palivovými články absolvoval úspěšnou cestu kolem světa (pravda, v doprovodu kamionu s cisternou zajišťující jeho zásobování vodíkem), BMW představilo automobil s motorem spalujícím vodík, v Německu, Kalifornii a Japonsku se začaly otevírat plnicí stanice na vodík a v provozu už byly po celém světě stovky autobusů s palivovými články. Honda v USA poskytla zájemcům z řad veřejnosti své vozy s palivovými články ke zkušebnímu provozu a posléze se k ní připojil i koncern General Motors. Také v České republice v roce 2009 vyjel první experimentální autobus na vodík, pro nějž byla v Neratovicích otevřena i první plnicí stanice. Ta byla využita i k prezentaci vozidel Honda a GM.
Platforma pro lehká užitková vozidla koncernu Stellantis pro pohon pomocí palivových článků s podélně uloženými nádržemi na vodík. | Foto: Stellantis
S rychlým rozvojem využívání větrné a sluneční energie se produkce vodíku nabízela jako ideální řešení jejich nestabilních dodávek elektrické energie. Vyrojily se proto plány na spojení solárních a větrných elektráren s elektrolyzéry pro výrobu vodíku.
Jenže uteklo pár let a programy vývoje vozidel s palivovými články u Mercedes-Benz i General Motors skončily, stejně jako vývoj spalovacích motorů na vodík u BMW. Zájem o podporu využití vodíku v dopravě ztratila i Linde Group, která stála u začátku budování sítě plnicích stanic. Důvodem byla především nejistá ekonomická návratnost těchto extrémně drahých projektů v době nastupující ekonomické krize. Plány na budování elektrolyzérů tak zůstaly jen na vyobrazeních v efektních prezentacích.
Takže nastal odchod od využití vodíku v dopravě? To v žádném případě, právě naopak. Po světě už jezdí tisíce autobusů s elektrickým pohonem napájeným palivovými články na vodík a už se zdaleka nejedná jen o zkušební vozidla. Automobilky Toyota a Hyundai po světě, už i v České republice, prodávají osobní auta s palivovými články a k jejich sériové výrobě se díky partnerství s Toyotou blíží také BMW. Skupina Stellantis začala s výrobou lehkých užitkových vozidel s palivovými články a jen krůček k zahájení jejich produkce má i Renault.
Především ale využití palivových článků zkoušejí v praxi v podstatě všichni významní producenti těžkých nákladních vozidel, k nimž se přidávají i mnohé start-upy. Využití palivových článků je dnes všeobecně vnímáno jako jediné přijatelné řešení pro bezemisní těžkou nákladní dopravu na dlouhé vzdálenosti.
Dopravu při olympijských hrách v Paříži budou zajišťovat i vozy Toyota Mirai s palivovými články. | Foto Toyota
Ještě mnohem důležitější je skutečnost, že se v mnoha částech světa utěšeně rozvíjí budování potřebné infrastruktury, takže využití těchto vozidel už je v mnoha oblastech bez problémů a lze je používat i pro jízdu na delší vzdálenosti. Na konci roku 2023 bylo v Evropě 265 plnicích stanic na vodík, ovšem 105 z nich v Německu. Problémem je, že víc než dvě třetiny těchto stanic jsou využitelné pouze pro osobní automobily. Naopak příznivou zprávou je, že 34 ze 37 nově otevřených míst v roce 2023 už bylo uzpůsobeno i pro těžká nákladní vozidla a autobusy.
Co se ale bohužel za dlouhá desetiletí nezměnilo, je chybějící produkce vodíku způsobem nezatěžujícím životní prostředí. I zde jsme sice svědky pokroku, ovšem zdaleka ne tak rychlého, jak by bylo potřeba a jak se předpovídalo na počátku milénia. Má-li být využití vodíku skutečně přínosem pro životní prostředí, pak je nezbytné, aby jeho produkce byla opravdu klimaticky neutrální. Jenže tak tomu není – 98 procent globální produkce vodíku pochází z reformingu zemního plynu nebo ropy, protože tato technologie nadále zůstává cenově nejdostupnější možností.
Veškerá současná světová produkce vodíku by postačovala na pohon 300 milionů aut s palivovými články, tedy asi třetinu celého globálního vozového parku. Vodíku tedy je na světě s ohledem na současné potřeby relativně dost. Jenže většina tohoto vodíku nemá správnou barvu. To může u bezbarvého plynu vypadat jako protimluv. Jenže vodík se klasifikuje podle způsobu jeho výroby, respektive její emisní stopy. Podle toho se označuje různými barvami, i když toto označování není oficiální a zcela jednotné (a aby to nebylo tak jednoduché, pro průmyslové použití se lahve s vodíkem označují červenou barvou).
Společnost Solar Global uvedla v Napajedlích do provozu první výrobu zeleného vodíku v ČR. | Foto: Solar Global
V barevné duze vodíku by do budoucna měl hrát rozhodující roli zelený vodík, tedy ten, který se vyrábí elektrolýzou vody zcela bez škodlivých emisí skleníkových plynů pomocí elektrické energie ze zcela bezemisních zdrojů. Elektrolyzéry používají elektrochemickou reakci k rozdělení vody na vodík a kyslík. Zelený vodík ovšem v současnosti představuje zanedbatelný podíl v celkové produkci. Pravidla pro výrobu zeleného vodíku navíc nejsou zcela jednotná – v EU jsou mnohem přísnější než například v USA, což může pro výrobce zařízení pro elektrolýzu představovat problém. Jen malé doplnění: pro vodík vyrobený elektrolýzou pomocí solární energie se nově používá i označení žlutý vodík. Růžový vodík (někdy bývá také označován jako fialový nebo červený) vzniká elektrolýzou využívající energii z jaderných zdrojů.
Modrý vodík se vyrábí ze zemního plynu pomocí parního reformování, při němž se zemní plyn a ohřátá voda spojují ve formě páry. Výstupem je vodík a jako vedlejší produkt oxid uhličitý. To znamená, že součástí tohoto procesu musí být systém pro zachycování a ukládání CO2. Proto bývá modrý vodík označován i jako nízkouhlíkový.
V současnosti je nejběžnější šedý vodík, který se vyrábí ze zemního plynu neboli metanu pomocí parní reformace, ovšem bez následného zachycování oxidu uhličitého. Při použití černého nebo hnědého uhlí v obdobném procesu výroby je vodík označován jako černý a hnědý.
Tyrkysový vodík se vyrábí pomocí procesu zvaného pyrolýza ze zemního plynu za vzniku vodíku a pevného uhlíku, který může být trvale uložen, nebo dále používán. Tato výroba ale musí být teprve ověřena ve velkém měřítku. V budoucnu může být tyrkysový vodík hodnocen jako nízkoemisní, pokud bude napájen bezemisními zdroji energie.
Bílý vodík je přirozeně se vyskytující geologický vodík nacházející se v podzemních ložiscích, který lze získat hydraulickým štěpením (frakováním). V současnosti neexistuje žádná produkce tohoto typu vodíku, ale už bylo identifikováno několik oblastí s velkou akumulací přírodního vodíku v množství, jež by v budoucnu mohlo dramaticky změnit možnosti jeho využití.
Společnost Bosch připravuje výrobu kontejnerů soustřeďujících v jednom místě produkci vodíku od čištění vody po elektrolýzu. | Grafika: Bosch
Pro automobilový průmysl v České republice je důležité, že v oblasti využití vodíku v dopravě se nabízí možnosti pro další rozvoj i v rámci probíhající transformace. Vodíkovým technologiím se věnuje například společnost Bosch, jeden z pilířů automobilového průmyslu v České republice. Velmi významný přínos mají nejen její výrobní závody, ale také vývojová a technologická centra.
Bosch nově působí v celém vodíkovém hodnotovém řetězci a vyvíjí technologie pro výrobu i použití vodíku. Uplatňuje přitom své zkušenosti z automobilového průmyslu, a to i ve výrobě zeleného vodíku. Ve společnosti Bosch na projektech z oblasti vodíkových technologií pracují víc než tři tisíce lidí, z toho přes polovinu v Evropě, mimo jiné i v Českých Budějovicích, kde se 800 inženýrů a techniků věnuje špičkovým technologiím pro různá řešení mobility budoucnosti, právě včetně vodíku.
Vývoj vodíkových technologií ve společnosti Bosch začíná od základu, tedy od úpravy vody. V Českých Budějovicích se vyvíjí a testuje unikátní řešení k přípravě vody pro elektrolýzu použitelné i pro mořskou vodu. Toto zařízení, které lze zabudovat do kontejneru, by mělo být k dispozici v roce 2024.
Společnost Bosch vyrábí velké bloky palivových článků pro využití v těžkých nákladních vozidlech. | Foto: Bosch
Bosch se v Českých Budějovicích podílí i na vývoji elektrolyzérů ve formě modulů s využitím technologie PEMEL (Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis). Připravují se v kontejnerovém uspořádání ve škálovatelné velikosti od relativně malých (1,25 až 5 MW) až po velká průmyslová řešení (10 až 1000 MW). První prototypy se už testují a na trhu se mají objevit v roce 2025, přičemž Bosch už má zajištěny první partnery. Využití těchto zařízení je ideální ve spojení s bezemisními zdroji energie. Je zde ovšem problém, že proces elektrolýzy nelze přerušit, takže musí být k dispozici zdroj energie pro kontinuální provoz, například ve formě akumulátorové jednotky.
Bosch do budoucna připravuje inovativní řešení spojující vše do jednoho bloku – od čištění vody až po elektrolýzu. Takové zařízení bude možné umístit kupříkladu i v offshorových větrných farmách na moři, kde odpadne vedení elektrické energie i chemická úprava vody, přičemž výsledkem bude vodík odváděný potrubím. V Českých Budějovicích se v rámci vývoje plastů hledají i materiály umožňující bezeztrátové ukládání a přepravu vodíku potrubím.
Na vrcholu vývoje vodíkových technologií Bosch jsou palivové články. Jejich výrobu zvládá ve světě jen málo firem. Společnost Bosch vloni ve svém závodě ve stuttgartském Feuerbachu zahájila sériovou výrobu modulu zdroje energie s palivovými články FCPM (Fuel Cell Power Modul). Při jeho výrobě Bosch využívá polovinu komponent, které má k dispozici z vývoje a produkce pro jiné technologie.
Tankování vodíku do kamionu v závodě Bosch v Homburgu. | Foto: Bosch
Bloky palivových článků s výkonem 216 kW už Bosch začal dodávat pro nákladní vozidla společnosti Iveco. Ve vývoji jsou i menší bloky s výkonem 132 nebo 190 kW pro rozvážková vozidla a škálovatelné bloky s výkony 70 nebo 150 kW pro lehká užitková vozidla. S nabídkou pro osobní auta zatím Bosch nepočítá. V současné době se pracuje na prodloužení životnosti článků tak, aby si uchovaly víc než 85procentní účinnost po dobu 30 tisíc pracovních hodin namísto současných 20 tisíc.
Význam společnosti Bosch pro České Budějovice je důležitý i s ohledem na její spolupráci s univerzitami při vývoji palivových článků a softwaru. Na výzkumných projektech ve vývojovém centru v současné době pracuje 50 studentů.
Bosch zkoumá i další možnosti využití vodíku. Pracuje také na motoru spalujícím vodík a vyvíjí systémy pro nepřímé i přímé vstřikování vodíku. Toto řešení je vhodné zejména pro vznětové motory těžkých vozidel jezdících na dlouhých trasách se zvláště velkým nákladem. Motor na vodík dokáže vše, co motor na naftu, ale je uhlíkově neutrální. Přitom víc než 90 procent potřebných vývojových a výrobních technologií již je k dispozici. Očekává se, že motor na vodík bude uveden na trh během roku 2024. Bosch již na něj má objednávky. Na obdobném řešení pro velké motory pracuje i společnost Deutz.
Vodík nachází uplatnění i ve sportu. Za touto aktivitou stojí pořadatel 24 hodin Le Mans Automobile Club de l’Ouest (ACO), který hledá cestu k udržitelnějším závodům. Protože čistě elektrický pohon pro vytrvalostní závody stále nepřichází v úvahu, pro rok 2026 vyhlásil kategorii pro automobily poháněné vodíkem. Původním cílem bylo využít palivové články, ovšem jejich testování v závodním tempu zatím nepřináší uspokojivé výsledky. Proto byl otevřen prostor i pro spalovací motory na vodík. První funkční prototyp takového vozidla předvedl Bosch ve spolupráci s firmou Ligier Automotive. Základem je zážehový motor, který odborníci z Bosch Engineering upravili pro spalování vodíku.
Budoucností nejen vytrvalostních závodů by mohla být auta s motory spalujícími vodík, jako je demonstrační prototyp Ligier-Bosch H2E. | Foto: Bosch
Toyota s vozem Corolla poháněným motorem spalujícím vodík úspěšně startuje ve vytrvalostních závodech v Japonsku. Vodík by se tedy mohl stát základem i pro budoucí podobu motoristického sportu bez fosilních paliv.
V roce 2023 schválil Evropský parlament oficiální revidovanou podobu směrnice pro podporu využívání obnovitelných zdrojů energie, takzvanou RED III (Renewable Enery Directive). Směrnice zvyšuje cíl Evropské unie v oblasti podílu obnovitelných zdrojů v konečné spotřebě energie v EU do roku 2030 na minimálně 42,5 procenta. Nově také Evropská unie přišla se závaznými cíli pro spotřebu obnovitelného vodíku v sektoru dopravy a průmyslu. Tato směrnice je závazná pro všechny členské státy.
Směrnice stanovuje vůbec poprvé povinné cíle pro spotřebu obnovitelných paliv nebiologického původu, mezi které patří kromě obnovitelného vodíku také obnovitelný čpavek, obnovitelný metanol a syntetická paliva. Konkrétně to znamená, že v dopravě bude nutné do roku 2030 zajistit přibližně jedno procento veškeré spotřebované energie pomocí těchto paliv nebiologického původu. Toho má být dosaženo právě především spotřebou obnovitelného vodíku. Pro představu, v ČR by se ho mělo v roce 2030 spotřebovat 20 tisíc tun.
EU chce do roku 2030 vyrábět 10 milionů tun zeleného vodíku a z jiných částí světa dovézt dalších 10 milionů tun. Současná globální produkce elektrolýzou je ovšem necelých 300 tisíc tun. Dosažení cílů tak bude vyžadovat obrovské investice do znásobení zatím malého počtu evropských elektrolyzérů a instalaci 150 až 210 GW nové kapacity obnovitelné energie pro jejich napájení.
Využití palivových článků se ukazuje jako nejefektivnější řešení pro těžkou nákladní dopravu na dlouhé vzdálenosti, taková vozidla už testuje mnoho výrobců, například Iveco. | Foto: Iveco
Nařízení o zavádění infrastruktury pro alternativní paliva AFIR požaduje, aby státy EU do konce roku 2030 na hlavní dálniční síti TEN-T (tedy u nás na dálnicích D1 nebo D5) postavily každých 200 km plnicí stanice na vodík s kapacitou vhodnou pro rozvoj nákladní dopravy.
Rok 2023 byl pro rozvoj dopravy s vodíkem důležitý i pro Českou republiku. Orlen Unipetrol otevřel první dvě veřejné plnicí stanice v Praze na Barrandově a v Litvínově. Současně společnost Čepro spustila další neveřejnou stanici v Mstěticích u Prahy. Společně s první vodíkovou plničkou, která vznikla už před více než dvěma lety v Ostravě, se tak Česká republika dostala na počet čtyři.
První energetický systém na průmyslovou výrobu bezemisního zeleného vodíku v ČR zprovoznila společnost Solar Global v Napajedlích. Vodík vyrobený elektrolyzérem s protonovou vodivou membránou pomocí fotovoltaické elektrárny za podpory větrné energie v plně zeleném režimu vyrobí osm tisíc kilogramů bezemisního vodíku ročně.
Dopravní podnik hlavního města Prahy od loňského léta testuje autobus s palivovými články od společnosti Škoda Electric a skupina Orlen Unipetrol zkouší v Mostě a Litvínově obdobný autobus, který vyvinula slovenská společnost Mobility&Innovation Production.
Společnost ČEPRO v Mstěticích u Prahy za účasti ministrů financí Zbyňka Stanjury a dopravy Martina Kupky slavnostně otevřela už čtvrtou plnicí stanici na vodík v ČR. | Foto: ČEPRO
V letošním roce bude mimo jiné pokračovat projekt elektrolyzéru společnosti ČEZ, který nabídne plnicí stanici pro deset vodíkových autobusů obsluhujících část Středočeského kraje v okolí Mníšku pod Brdy.
Letos má Ministerstvo pro místní rozvoj finalizovat Vodíkovou strategii ČR a měly by být také vypsány nové výzvy na podporu výroby obnovitelného vodíku z Modernizačního fondu v rámci programu GreenGas. Další dotační výzvy pro pořízení plnicích stanic budou v gesci Ministerstva dopravy.
Autobus na vodík Škoda H’City testoval Dopravní podnik hl. m. Prahy ve spolupráci se společnostmi Škoda Group a Orlen Unipetrol. | Foto: Vladimír Rybecký
Světlo světa by také letos měla spatřit aktualizovaná verze Národního akčního plánu čisté mobility. Podle toho současného by v ČR do roku 2025 mělo být 12 vodíkových stanic, do roku 2030 pak 40 stanic.
Autoweek.cz/AutoTablet.cz
článek napsal pro magazín Český autoprůmysl
