Autoforum

/

Foto: Archiv Autoforum.cz

Reálné využitelnosti elektromobilů dnes brání neexistence možnosti efektivního uložení elektrické energie. Jsou nadějí tzv. palivové články?

Přes konvenční akumulátory cesta nevede

Nejslabším článkem elektřinou poháněných vozů jsou dnes akumulátory. Zatímco samotný elektrický pohon umí výrobci zvládnout velmi dobře, hledání rozumného úložiště energie potřebné k pohonu elektromotorů se zdá být neřešitelným problémem. Ať už osadíte vůz jakýmkoli z aktuálně používaných typů baterií a budete se snažit dodat jim kapacitu energie odpovídající palivové nádrži konvenčních aut, budou příliš velké, příliš těžké a co více, jejich dobití z běžné sítě bude trvat nejméně desítky hodin.

Kupříkladu nahrazení veskrze obyčejné šedesátilitrové nádrže nafty dnes nejrozumnějšími běžně dostupnými Li-ion akumulátory by znamenalo zatížit vůz „baterkami” o hmotnosti 2,4 tuny, což je více než kolik váží i ty nejtěžší osobní limuzíny se vším všudy. Navíc by takové akumulátory o kapacitě přibližně 230 kWh bylo nutné v běžné síti nabíjet i při stoprocentní účinnosti nabíjení plných 100 hodin, tedy déle než 4 dny. A šedesátilitrovou nádrž nafty doplníte asi za... 4 minuty?

Jak vidno, snaha stvořit skutečně široce použitelný elektromobil opírající se o dnes dostupné akumulátory je dnes zcela nereálná. U všech elektrických konceptů není řeč o poloviční kapacitě energie nebo dvoj- či trojnásobné době potřebné pro její doplnění, ale o zlomku energie kombinované z uživatelského pohledu s nekonečnou dobou potřebnou pro „dotankování”. Výše naznačený příklad pak ilustruje, jak by to dopadlo, kdyby možnosti elektromobilu s Li-ion akumulátorem měly plně korespondovat s možnostmi dnes běžně dostupného auta.

Palivové články se zdají být řešením

Aby se elektromobily mohly stát reálně použitelnou alternativou, musí být nejprve nalezeno úložiště, které disponuje při malém objemu a hmotnosti dostatečným množstvím energie doplnitelné v řádu minut. Často jsou v této souvislosti zmiňovány tzv. palivové články. Jde o elektrochemické zařízení schopné vytvářet elektrickou energii z dodaného paliva (typicky vodík) a okysličovadla (typicky kyslík nebo i vzduch). Do palivového článku zkrátka doplníte palivo a je schopen z něj vytvářet elektřinu.

Z hlediska doplnitelnosti jde tedy o podobný princip jako u dnešní palivové nádrže, můžete jej doplnit během chvíle. Akorát palivo není v tomto případě spalováno přímo, ale je využito pro vytváření elektrické energie, která teprve pohání motor. Také z hlediska hmotnostní náročnosti se palivový článek jeví být vhodným řešením. Pro uložení zmíněných 230 kWh energie pro pohon elektromotoru potřebuje článek při své 60 % účinnosti (rozebereme dále) palivo o výhřevnosti 1 380 000 kJ, což při výhřevnosti zmíněného vodíku 119 550 kJ/kg znamená jen 11,54 kilogramu vodíku.

Potíž je ale v daném případě v tom, že vodík má za běžného tlaku a teploty nízkou hustotu a nabízí za těchto podmínek výhřevnost pouhých 10,748 kJ na litr. Pro zmíněných 1 380 000 kJ energie tak potřebuje vodíku sice jen 11,54 kilogramu, ale za běžného tlaku a teploty 128 396 litrů. A to už je trochu horší číslo.

Koncepty využívající palivových článků již představila řada automobilek

Problematické skladování vodíku hatí plány

Aby tedy bylo vůbec možné dostat větší množství energie do objemově rozumného množství vodíku, je třeba jej skladovat pod vysokým tlakem. V uhlíkových nádobách je dnes možné skladovat vodík pod tlakem 700 barů a tento systém se vším všudy dosahuje objemového poměru až 21 g/l. Zmíněných 11,54 kg (nebo 11 540 gramů, chcete-li) vodíku je tedy možné vměstnat do uhlíkové nádoby o objemu 540 litrů. Ani to není žádný zázrak.

U tekutého vodíku je pak možné hovořit o poměru 33g/l a tedy přibližně 350 litrové nádrži. Když uvážíme, jak energeticky náročný a složitý proces je vůbec do kapalného stavu vodík „dostat” a pak jej v něm udržet, jde o variantu vcelku utopickou. Zvláště když stejné množství energie (samozřejmě s přihlédnutím k odlišné účinnosti elektromotoru a spalovacího motoru) je možné mít v šedesátilitrové nádrži nafty, kterou můžete převážet třeba v láhvi od Coca Coly...

Nízká účinnost uzavírá kruh

A ještě jedno úskalí dnešní palivové články mají, nízkou účinnost. Je sice pěkné, že na konci celého procesu pohonu elektromobilu je přeměna elektrické energie v kinetickou v elektromotoru s účinností okolo 90 procent, jenže nejprve musíme onu elektrickou energii k motoru přivést. A to vůbec není jednoduché. Již jsme nastínili, že samotná účinnost palivového článku (tedy přeměny energie uložené v palivu na elektrickou energii) není zrovna nejvyšší a pohybuje se okolo 60 procent. Objevily se již i články s účinností okolo 75 procent, ale nejsou obvyklé a situaci beztak dramaticky nemění.

Ač samotný vodík je látka relativně snadno dostupná, ve větším množství je též třeba jej vyrobit. Děje se tak obvykle elektrolýzou vody, což opět není stoprocentně efektivní proces, jeho účinnost se pohybuje mezi 60 a 70 procenty. Ve výsledku tak cesta od elektřiny k vodíku a zpět k elektřině přes palivový článek „netrpí” účinností přesahující 40 % a to pořád není konec procesu. Elektřina se dnes stále vyrábí především z uhlí a Wikipedia uvádí, že účinnost celého systému uhlí - elektřina - vodík - elektřina je 12 - 16 %.

Účinnost celého procesu se tak blíží pouhým 10 procentům a to jsme se pořád ještě nerozjeli. A nekalkulujeme energetickou ani jinou náročnost skladování vodíku v použitelné formě. Vedle tohoto čísla se efektivita konvenčních aut nezdá být nikterak marná...

Rozličné elektromobily využívající palivových článků sází vesměs na podobnou koncepci

Pro raketoplány možná ano, pro auta zatím ne

Naše pojednání o palivových článcích prosím berte jako veskrze stručné shrnutí této problematiky, které dovoluje udělat si pojítko mezi možnostmi vozů se spalovacími motory, elektromobily vybavenými konvenčními akumulátory a těmi, které se snaží využít tzv. palivových článků. Jejich možnosti jsou prezentovány na článku používajícím jako palivo vodík, který je v posledních létech považován za nejschůdnější cestu. Nepředstavuje ale jedinou možnost a využití jiného paliva může možnosti celého řešení posunout dále.

Častým argumentem bývá, že palivové články jsou používány třeba v raketoplánech, a tak jde o tu správnou technologii budoucnosti, která potřebuje jen čas, aby z nebes sestoupila mezi nás, obyčejné smrtelníky. Může to tak dopadnout, ale podobné uvažování není správné. Palivové články jsou v raketoplánech používány zejména proto, že žádná lepší alternativa z hlediska objemové a hmotnostní náročnosti či efektivity není v daném případě k dispozici. Běžné akumulátory by byly přinejmenším dramaticky těžší a jestli nezbytně potřebnou energii vyrobíte s účinností 10, 30 nebo 60 procent, na to se u multimiliardových vesmírných projektů, kterých navíc proběhnou nejvýše jednotky za rok, nehraje. Pro každodenní mobilitu ale potřebujeme řešení maximálně efektivní a praktické. Ani jedním se v tuto chvíli palivový článek být nejeví.

Nejnovější studie Audi Q5 HCH, která nás inspirovala k napsání tohoto článku a které jsme se nakonec věnovali samostatně

Zdroj obrázků: Automobilky a Wikimedia Commons

Petr Miler