Čím nahradíme ropu? Palivové články, akumulátory a další0

Závislost na ropě je jako Damoklův meč, který visí nad naší civilizací. Spalovací motor má navíc řadu nevýhod. Čím můžeme nahradit ropu? Jaký pohon je pro automobily ideální?

Nejvíce a nejrychleji se rozvíjí takové technologie, které zaujmou velké množství lidí a přitáhnout velké množství peněz. Takových výrobků je celá řada – mobilní telefony, automobily, notebooky, tablety apod.

„Elektromotor je malý, lehký, tichý a levný.“

Z hlediska spotřeby energie a vlivu na životní prostředí je nepochybně nejdůležitější z této řady automobil, který v průběhu 20. století změnil vzhled našeho světa pravděpodobně více než cokoli jiného; možná dokonce více než atomová energie.

Závislost na ropě

Aby byl automobil automobilem, potřebuje pohon – energii. Přestože automobil prodělal v minulém století prudký vývoj a výrazně se proměnil, energie k jeho pohonu je stále stejná. Naprostá většina automobilů stále získává energii spalováním uhlovodíků získaných z ropy.

Je zřejmé, že závislost na ropě je naprosto zásadní nevýhoda – je to Damoklův meč visící nad naší, na dopravě tak závislé, civilizaci. Snaha o snížení závislosti na ropě a snižování emisí CO₂ vedla například k rozvoji biopaliv (ethanol, metylester řepkového oleje, případně bioplyn).

Automobily změnily svět. Zdroj: Thinkstockphotos.com

To ovšem problém neřeší. Ani intenzivní zemědělství nedokáže zajistit takové množství biopaliva, které pro dopravu potřebujeme. Jediná (dočasná) alternativa je stlačený zemní plyn (CNG), který nám vydrží o něco déle než ropa. Ani to ale neřeší problém emisí CO₂ či problém nízké energetické účinnosti spalovacích motorů.

Elektromotor vítězí nad spalovacím motorem

Kromě toho, spalovací motor vlastně není pro pohon automobilu (ani po více než 100 letech vývoje) nijak zvlášť šikovné zařízení; je velký a těžký a ke své činnosti potřebuje další (také těžká) zařízení, jako je převodovka, startér, chladič, alternátor, akumulátor apod. Spalovací motor má jen jedinou, zato zcela zásadní výhodu. Kapalné uhlovodíky, které spaluje, mají vysokou energetickou hustotu a dají se velmi snadno doplnit do nádrže. Automobil se spalovacím motorem tak má vlastně ve většině civilizovaných zemí reálně neomezený dojezd.

Naopak ideální zařízení k pohonu automobilu (ostatně k pohonu skoro všeho) je elektromotor. Má jednodušší konstrukci, delší životnost, podstatně vyšší účinnost, umožňuje rekuperaci energie při brzdění a navíc je malý, lehký, tichý a levný. Nepotřebuje složitou a těžkou převodovku ani startér či velký vodní chladič.

Názorně mi to kdysi předvedli na dni otevřených dveří Dopravního podniku. Po otevření zadní (motorové) části městského autobusu se objevil prostor zcela zaplněný motorem a jeho příslušenstvím. U trolejbusu se stejnou karoserií byl ten prostor téměř prázdný, jen na dně byl šikmo uložený motor a u něho chladicí ventilátor.

Elektromotor má ale jednu zcela zásadní nevýhodu – potřebuje zdroj elektrického proudu. V současné době ovšem žádný takový zdroj, který by umožnil stejný dojezd a stejně rychlé „tankování“ energie, nemáme.

Zdroje elektřiny pro pohon vozidel

Elektrické sítě

Nejjednodušší to mají kolejová vozidla. Napájení z troleje je používáno již 100 let a stále se osvědčuje. Horší je to u silničních vozidel. U trolejbusu napájení z troleje  výrazně omezuje jeho pohyblivost a výstavba vedení je drahá. V poslední době se proto stále častěji objevují trolejbusy s některým z druhů akumulace elektřiny, které mohou fungovat i v úsecích, kde není trolejové vedení.

Superkondenzátory

Pro krádkodobou akumulaci energie (např. rekuperační brzdění) jsou ideální superkondenzátory. Jejich výhodou je, že se dají nabíjet intenzivním proudem a tedy po krátkou dobu. Na druhou stranu, jejich hlavní nevýhoda spočívá v malé kapacitě.

Pro trolejbusy a tramvaje mohou být ideálním zařízením umožňujícím projíždění krátkých úseků bez trolejového vedení; pokud je třeba vzdálenost zvětšit, lze superkondenzátor kombinovat s klasickým akumulátorem. Siemens vyrábí systém Sitras HES, který umožňuje tramvajím ujet až 2,5 km bez napájení z vrchního vedení.

Kromě určité úspory energie a investic do vedení je si největší přínos této technologie možnost odstranit trojejové vedení z historických center měst, což potěší zvláště památkáře a fotografy architektury. K nabití superkondenzátorů stačí připojení ke zdroji na řádově desítky vteřin.

Vzhledem ke krátké vzdálenosti mezi trolejbusovými zastávkami ve městech je pravděpodobné, že časem bude možné trolejbusy nahradit elektrobusy, kterým postačí k nabití čas, jež stráví na zastávce v době, kdy lidé vystupují a nastupují.

Co budeme v budoucnu „tankovat“ do nádrží? Zdroj: Thinkstockphotos.com

Akumulátory (akumulátorové baterie)

Akumulátorů existuje celá řada a pro použití ve vozidlech jsou důležité následující parametry:

• Specifická energie – tj. množství uložené energie připadající na jednotku hmotnosti akumulátoru. Z hlediska využití v dopravě jde o nejdůležitější vlastnost. Zatím jsou bohužel dosahované hodnoty hluboko pod specifickou energií běžných automobilových paliv.
• Kapacita – jde vlastně o elektrický náboj, který akumulátor pojme. Nejčastěji se kapacita udává v Ah.
• Účinnost při nabíjení – je menší než 100 % kvůli vedlejším reakcím, jako je např. tvorba vodíku a kyslíku na elektrodách.
• Napětí článku – čím vyšší je napětí článku, tím méně jich musíme spojit do série a tím jednodušší je konstrukce akumulátoru.
• Vnitřní odpor – měl by být co nejmenší, aby byl akumulátor schopný dodávat velký proud.
• Životnost – tj. především počet cyklů nabíjení/vybíjení, které akumulátor snese, aniž by kapacita poklesla pod 80 %. U některých akumulátorů (hlavně lithiových) klesá časem kapacita, i když nejsou používány, jiné dokáží sloužit desítky let (např. nikl kadmiové trakční baterie nebo olověné staniční baterie).

Zatím z hlediska specifické energie, kapacity i napětí jasně vítězí lithiové baterie.

Palivové články

Palivový článek, jak už název napovídá, umožňuje vyrábět elektrický proud elektrochemickou reakcí přímo z vhodného paliva s použitím vzdušného kyslíku jako oxidovadla. Základní výhodou palivového článku je, že chemickou energii paliva přeměňuje na elektrickou energii přímo a ne přes teplo, jako je tomu u spalovacího motoru.

Nejde tedy o tepelný stroj a díky tomu není jeho účinnost omezena druhou větou termodynamickou; teoreticky může mít účinnost 100 % (v praxi se zatím účinnost pohybuje okolo 60 %). Bohužel jediné palivo, pro nějž máme k dispozici dostatečně výkonné a rozumně účinné palivové články, je vodík.

Z čistě technického hlediska je vodík krajně nevhodné palivo pro použití v dopravních prostředcích. Jde o plyn, který nelze zkapalnit při rozumné teplotě (bod varu -253°C).  Zkapalněný vodík je velmi lehký, a proto je třeba poměrně velký objem speciální termosky.

Schůdnějším řešením je používání stlačeného vodíku; při 200 atmosférách má ale jen poloviční obsah energie než stlačený zemní plyn. Se vzduchem tvoří vysoce výbušnou směs v širokém rozsahu koncentrací. Hlavní problém je ale v tom, že na Zemi se vodík prakticky nevyskytuje. Není to tedy primární zdroj energie jako třeba ropa. Pokud s ním chceme pohánět automobil, musíme jej napřed vyrobit. To sice není nic složitého, běžně se vyrábí například ze zemního plynu nebo elektrolýzou vody, nicméně je na to potřeba energie.

Vodík je jednou z alternativ benzínu. Zdroj: Thinkstockphotos.com

Pravděpodobně hlavní překážkou pro použití vodíku v dopravě je nutnost vybudovat potřebnou infrastrukturu, tj. výrobní kapacity, rozvody, zásobníky a síť tankovacích stanic. Přestože se o „vodíkovém hospodářství“ uvažuje už mnoho let, vypadá to, že vývoj se asi touto cestou ubírat nebude. Existují i názory, že vodík je tou nejméně účinnou a investičně nejdražší alternativou. Ulf Bossel tvrdí, že vytvoření efektivního „elektronového hospodářství“ je mnohem vhodnější cestou než vytváření méně efektivního „vodíkového hospodářství“.

Pokud se neobjeví nové technologie produkující levný vodík (např. účinná přímá produkce vodíku pomocí sluneční energie, řasy produkující vodík apod.), tak asi bude dána přednost akumulátorům před palivovými články. Větší šanci na uplatnění by možná měly palivové články využívající zemní plyn, pro který už je potřebná infrastuktura částečně k dispozici.

Zajímavou možností, jak využít uhlovodíků v palivových článcích, je technologie „Liquid Tin Anode Solid Oxide Fuel Cell“ (LTA-SOFC). Jde vlastně o galvanický článek (baterii), jejíž kovová anoda se po vyčerpání kapacity „zregeneruje“ (redukuje) reakcí s vhodným uhlíkatým palivem. Regenerace trvá jen relativně krátkou dobu. Reakce probíhá za vysoké teploty (zhruba 1000 °C) a lze použít celou řadu organických sloučenin (paliv). Narazil jsem dokonce na publikaci, která se zabývá  přímou výrobou elektřiny z uhlí při současném zachycování vznikajícího CO2. Zatím je ale tato technologie v začátcích; zda a kdy se ji podaří uvést do praxe zatím není jasné.

Autor: Karel Murtinger

Autor je spolupracovník redakce a energetický poradce. Dlouhodobě se zabývá problematikou nízkoenergetických a pasivních staveb a souvisejících technologií.

Více článků od autora