Laik by si mohl myslet, že vodík (hydrogen) se hodí maximálně k pohonu raket nebo k výrobě výkonné bomby. Jak si dnes ale ukážeme, vodík lze úspěšně použít i pro pohon běžného civilního automobilu. Má to ale svoje ale… Houstone, máme problém…
Pravěk: auta se spalovacím motorem na vodík
S vodíkovým pohonem se experimentovalo už na počátku automobilismu. Francouzský vynálezce François Isaac de Rivaz sestrojil kolem roku 1806–1807 pístový spalovací motor, do něhož jako palivo využíval směs vodíku a vzduchu. Praktické využití pro svůj nápad ale nenašel. O několik dekád později zkoušel německý konstruktér Nicolaus August Otto experimentovat s různými plynnými palivy včetně svítiplynu s vysokým obsahem vodíku. Všechny tyto a další experimenty ale narážely na technické limity tehdejších materiálů a také na fakt, že s rozšířením levnějšího benzinu se alternativní pohony zdály nepotřebné.
Vodíkový pohon tak na řadu desetiletí zůstával okrajovým diskuzním tématem a předmětem ojedinělých pokusů. Z těch zajímavějších lze zmínit pozoruhodnou přestavbu nákladního vozu norské společnosti Norsk Hydro z roku 1933. Měl zvláštní zařízení – tzv. reformátor. Do nádrže se nelil čistý vodík, ale kapalný čpavek (amoniak), který se v reformátoru chemicky rozkládal. Vznikal vodík, který se hned spaloval v motoru. Výhodou bylo, že čpavek se snáze skladuje a převáží než čistý vodík, ale má zase jiné limity (toxicitu). Jinde ve stejné době experimentovali s jízdou na benzin s příměsí vodíku apod.
Nicméně pak přišla tragédie, která důvěrou ve vodík značně otřásla. Stačilo pouze 34 sekund k tomu, aby dne 6. května 1937 během požáru vodíkem plněné německé vzducholodi Hindenburg, během neúspěšného přistávání v New Jersey, zahynula asi polovina přepravovaných osob a spektakulární záběry výbuchu vzducholodi pověst vodíku v očích veřejnosti na dlouho poškodily.
Vodíková auta s palivovým článkem
Trvalo řadu let, než se uklidnily emoce, ustoupil strach a objevil se nový a silný důvod, proč bylo nutné experimenty s vodíkem resuscitovat. A tím novým důvodem byly lety do kosmu, pro které bylo třeba nějaké efektivní palivo a také způsob jeho ukládání a zpracování.
Psala se 60. léta 20. století a americký kosmický program našel využití pro palivové články. Ani v jejich případě nešlo o nový vynález, ale o myšlenku starou přibližně 150 let, která ale teprve čekala na své využití.
Palivové články nejsou baterie, která se nabíjí a vybíjí. Je to vlastně jakýsi jednoduchý generátor – elektrochemické zařízení, které chemickou energii přeměňuje na energii elektrickou. A v raketových programech Gemini a Apollo sloužily v 60. letech 20. století jako vysoce spolehlivý a energeticky účinný zdroj elektřiny v prostředí, kde je hmotnost a skladnost paliva kriticky důležitá. Navíc sloužily i jako zdroj vody pro posádku, protože H2O je v zásadě jediným odpadním produktem vodíkových palivových článků.
Takže zjednodušeně: Baterie je „spotřební konzerva“ s energií. Naproti tomu palivový článek je „továrna“ na výrobu energie. Zatímco u baterie většinou platí: hodně energie = velký a těžký akumulátor, u palivového článku tomu tak být nemusí. Musíte ale řešit jiné problémy. Například slavná hláška „Houstone, máme problém.“ To tehdá na lodi Apollo 13 vybuchla jedna z nádrží s kapalným kyslíkem, důsledkem čehož nemohly palivové články vyrábět elektřinu ani vodu.
Jak ale víme, tento i další problémy se podařilo vyřešit a kosmický program zároveň fungoval jako technologický inkubátor pro civilní provoz zde na zemi. Palivové články znamenaly změnu pravidel. Vývoj automobilů se začal ubíral novým směrem. Došlo k předefinování, resp. rozšíření pojmu „vodíkové auto“. Do té doby se totiž pokusy s vodíkovými auty týkaly téměř výhradně spalovacích motorů. „Auto na vodík“ v praxi znamenalo vůz, který k pohonu pálil vodík nebo plynnou směs s jeho vysokým podílem přímo ve válcích.
Když ale s kosmickými lety přišly vodíkové palivové články, rozšířilo to dosavadní podstatu „vodíkového auta“. V dnešní praxi je to vlastně zvláštní druh elektromobilu. Anglicky Fuel Cell Electric Vehicle (FCEV). V nádržích veze stlačený vodík, podobně jako jiné auto veze benzin. Vodík se zde ale nespaluje v motoru. Místo toho za jízdy prochází palivovým článkem. V něm vodík reaguje s kyslíkem ze vzduchu a při tiché chemické reakci vznikne elektřina a voda. Část energie se ukládá do malé vyrovnávací baterie, zbytek míří přímo k elektromotoru, který roztočí kola, a z výfuku jde už jenom vodní pára. Řidič přijede k pumpě, během několika minut natankuje vodík a pak jede potichu dál.
Od prototypů k prvním flotilám
Jako první silniční vozidlo s palivovým článkem je v odborných přehledech uváděn GM Electrovan z roku 1966 (prototyp založený na automobilové dodávce GMC Handi‑Van). Byl vyvinutý firmou General Motors, využíval technologie palivových článků z kosmického výzkumu a měl dojezd zhruba 200 kilometrů. Byl ovšem extrémně drahý a těžký, takže zůstal jediným prototypem. Byl to ale takový historický most mezi světem kosmického Apolla a pozemním automobilismem.
Experimenty se tedy znovu rozjely na Západě i na za železnou oponou, kde experimentálně na vodík jezdil třeba Moskvič nebo maďarský autobus Ikarus. Některé firmy to dál zkoušely i bez palivových článků. Billings Energy Corporation v 60. a 70. letech vyvíjela prototypy automobilů upravených na spalování vodíku, s vodíkem skladovaným v kovových hydridových nádržích. Lockheed studoval průzkumná a dopravní letadla na kapalný vodík. V USA i SSSR proběhly experimentální lety upravených strojů s motorem na vodík.
V roce 1978 byla ve Spojených státech v rámci tehdejšího National Bureau of Standards na základě požadavku Kongresu vypracována rozsáhlá studie o perspektivách vodíkového paliva pro dopravu. Dobové přehledy shrnují, že analýza zdůrazňovala tři hlavní podmínky: výrazné zlevnění velkokapacitní výroby vodíku, konkurenceschopné náklady ve srovnání se syntetickými palivy z uhlí a vybudování infrastruktury pro distribuci i skladování vodíku včetně vhodného způsobu ukládání ve vozidlech.
Moderní etapa vodíkových automobilů pak začíná s 90. lety 20. století. V roce 1994 představil Daimler‑Benz svůj New Electric Car (zkráceně NECAR 1), první ukázkový prototyp osobního automobilu poháněného vodíkovými palivovými články. Následovala řada dalších prototypů. Současně vznikaly pilotní projekty vodíkových autobusů v městské hromadné dopravě.
Na přelomu tisíciletí vstupují do hry velcí japonští a korejští výrobci. Toyota, Honda i Hyundai rozjíždějí ambiciózní výzkumné programy vodíkových osobních aut. Základní koncepce je definována: vozidlo je v jádru elektromobil, ale baterii nahrazuje (nebo doplňuje) systém palivového článku a tlakových nádrží na vodík. Technologický vývoj však výrazně předbíhal ekonomiku i politiku. Problémem byla i nedostatečná veřejná infrastruktura plnicích stanic.
Sériová výroba a velká očekávání
Prvním sériově vyráběným vodíkovým osobním autem, které se ve větším měřítku dostalo k běžným zákazníkům, byla Toyota Mirai z roku 2014 – model od začátku navržený jako vodíkové auto. Už před ní sice existovaly komerčně nabízené vozy s palivovými články, ale většinou jen v malých flotilách jako například Honda FCX (2002) a FCX Clarity (2008).
V médiích se začíná hovořit o vodíku, jako palivu budoucnosti. Velkou výhodou vodíku je totiž lokálně bezemisní provoz. Při provozu vozidla s palivovými články prakticky žádné spaliny nevznikají. Pouze vodní pára. Ve srovnání s fosilními palivy tak nezanechává téměř žádné znečištění. Dojezd je navíc srovnatelný nebo vyšší než u konvenčních spalovacích aut a k zahození není ani fakt, že tankování je rychlé – v řádu minut. Vodíková auta jsou proto částí odborné veřejnosti vnímána jako alternativa k bateriovým elektromobilům, u který je kritizována doba nabíjení a omezený dojezd.
Kritici ale poukazují na to, že slibná „budoucnost“ je zatížená vysokými náklady. Výroba nízkoemisního („zeleného“) vodíku z obnovitelné elektřiny je totiž energeticky i finančně náročná a logistika i skladování vodíku vyžadují nákladnou specializovanou infrastrukturu.
Pro celkovou klimatickou bilanci je navíc rozhodující způsob výroby vodíku. Skutečnost, že vozidlo nevypouští CO₂ ani oxidy dusíku (NOₓ), ale jen vodu, je významná zejména v městském prostředí. Pokud jde ale o výrobu, většina dnešního vodíku je tzv. „šedá“ – vyráběná z fosilních paliv s vysokou uhlíkovou stopou. Kritici poukazují na to, že vyrobit, stlačit a přeměnit vodík na elektřinu v autě vyžaduje podstatně více energie než přímé nabíjení baterií. Skutečně „zelený“ vodík z obnovitelné elektřiny je zatím drahý a objemově omezený.
Současný stav: mezi vizí a skeptickou praxí
V automobilovém průmyslu dnes v prostředí vodíkových aut dominuje využití vodíku ve formě palivových článků. Mají řadu výhod: vysokou účinnost, tichý provoz a modulárnost, která umožňuje jejich škálování od osobních aut přes autobusy až po nákladní vozy. Přesto se dál experimentuje i s oním původním přímým spalováním vodíku v pístových motorech.
Ekonomické tlaky vedly některé automobilové koncerny k výraznému přehodnocení strategie. Některé (např. skupina Stellantis) oznámily utlumení nebo ukončení vývoje vodíkových osobních aut, zatímco jiné (Toyota, Hyundai, BMW) naopak deklarují, že pro ně vodík zůstává klíčovou součástí dlouhodobé vize. Konsensus se tedy nerodí uvnitř odvětví ani mezi regiony. Vodík se v komunitě automobilového průmyslu zároveň prosazuje i zpochybňuje.
Palivo a infrastruktura jsou dnes podle kritiků výrazně nákladnější než u bateriových elektromobilů. Vodík je navíc velice hořlavý plyn, který vyžaduje pečlivě navržené tlakové nádrže a bezpečnostní ventily. Méně známou „vadou na kráse“ je navíc jeho nepříjemná schopnost pronikat do některých kovů a dělat je křehčí, takže automobilky musí volit sofistikovanější materiály. Přesto existuje mnoho hlasů, které tuto formu paliva podporují jako důležitý faktor dekarbonizace průmyslu a dopravy. Některé scénáře počítají s tím, že do poloviny 21. století by mohl tvořit významnou, dvoucifernou část energetického mixu EU, a to zejména v průmyslu, energetice a těžké dopravě. Odpovídají tomu plány na budování rozsáhlých kapacit pro elektrolýzu a vznik vodíkových koridorů pro nákladní dopravu. V dopravě je některými predikována následující segmentace:
- Pro osobní automobily bateriová elektromobilita. Může využívat existující elektrickou infrastrukturu a je energeticky účinnější. Vodíková auta se podle těchto názorů mohou uplatnit spíše v prémiových a speciálních segmentech, budou-li dostupné plnicí stanice.
- Naopak pro těžká nákladní auta a autobusy se vodík z pohledu některých odborníků jeví jako perspektivnější alternativa. Pro vozidla s vysokým denním nájezdem, která potřebují rychlé „doplnění energie“ a velký dojezd. Někteří výrobci nákladních vozů proto vyvíjejí vodíkové trucky s možným nasazením na dálkových trasách.
- Mimo to může vodík nabývat na významu u těžké pracovní techniky, vlaků na neelektrifikovaných tratích či v lodní dopravě, kde je budování klasické trakční nebo nabíjecí infrastruktury nákladné nebo technicky obtížné.
Technologický vývoj se snaží soustředit na několik klíčových oblastí:
- zlevnění a dekarbonizaci výroby (levnější elektrolýza a využití přebytků z obnovitelných zdrojů),
- snižování podílu drahých kovů v palivových článcích a zvyšování jejich životnosti,
- vývoj bezpečnějších, lehčích a levnějších tlakových či kryogenních zásobníků.
- Tématem je také mezinárodní obchod s vodíkem – jeho dovoz z oblastí s levnou obnovitelnou elektřinou (např. severní Afrika, Blízký východ, Austrálie).
Existují tedy jasně definované výhody a nevýhody, mnoho nedořešených problémů a mnoho proměnných. Ironicky by se dalo říci, že snazší bylo letět na vodík do vesmíru než s ním konvenčně jezdit zde na planetě Zemi. Jaká tedy bude budoucnost vodíkového pohonu? Uvidíme.
Použité zdroje (výběr)
A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis. The role of Battery Electric Vehicles, Plug-in Hybrids and Fuel Cell Electric Vehicles. PDF. Zeroemissionvehicles.eu, 2010.
Beazley, Mitchell: Co dokážou stroje. Albatros, Praha 1987.
Gondžár, Alexander – Gondžár, Karel: Automobily a spotřeba paliva. Měření a hodnocení spotřeby automobilových pohonných hmot a olejů. Nakladatelství dopravy a spojů, Praha 1990.
Eichlseder, Helmut – Klell, Manfred – Trattner, Alexander: Wasserstoff in der Fahrzeugtechnik – Erzeugung, Speicherung, Anwendung. 4. Auflage. Springer, Wiesbaden 2018.
Liebreich, Michael: Clean Hydrogen Ladder. Version 4.1. Liebreich Associates, London 2021.
Periodika: Československý sport 1977 • Lidová demokracie 1982 • Mladá fronta 1979 • Nová svoboda, deník KSČ pro ostravský kraj 1979 • Průboj, krajský týdeník KSČ Ústeckého kraje 1976 • Svět motorů 1974 • VTM. Věda a technika mládeži, čtrnáctideník pro polytechnickou výchovu 1980, 1988 • Zápisník, časopis Hlavní politické správy československé lidové armády 1978
Wikipedia.org, webové stránky výrobců jednotlivých vodíkových vozidel