Energie pro vozidla příštích generací

Cest k pohonným jednotkám budoucnosti je hned několik.

Palivové články ve vozidlech

Na ženevském autosalónu 2005 Geneva Motor Show se samozřejmě představily i novinky, zaměřené na budoucnost automobilů: DaimlerChrysler vystavoval novou generaci svých vozidel poháněných palivovými články. Nový vůz F-Cell, vytvořený na základě Mercedesu třídy B je pokračovatelem unikátního sendvičového konceptu vyvinutého společností Mercedes-Benz pro tento typ vozidel. Nový elektrický motor se silným točivým momentem vyvine výkon přes 100 kW - to je o plných 35 kW více, než se podařilo dosáhnout u předchozí generace. Díky snížené spotřebě a zvýšené kapacitě palivových nádrží vzrostl akční rádius vozidla, které dokáže ujet na jednu náplň zhruba 400 km. Na technologii pohonu s využitím palivových článků pracují konstruktéři a výzkumníci firmy DaimlerChrysler už od počátku 90. let minulého století. V roce 1994 tak mohli světu předvést první vozidlo s palivovými články NECAR 1, které brzy následovalo více než dvě desítky dalších výzkumných vozidel a prototypů zaměřených na tyto nové tech nologie. V současné době už je testována 5. generace vozidel NECAR a výzkumníci DC mají na svém kontě na 180 patentovaných aplikací v oboru palivových článků. V roce 2003 DaimlerChrysler vypustil zatím největší sérii vozů poháněných palivovými články k praktickým testům. V současné době jezdí po světě už více než stovka této značky - osobní vozy, dodávky, autobusy aj. a ověřují praktické možnosti využití této technologie budoucnosti v každodenním provozu. Např. v desítce evropských měst fungují tři desítky městských autobusů Mercedes-Benz Citaro, další trojice jsou nasazeny v australském Perthu, a v Pekingu v Číně, aby vyzkoušely rutinní práci n různých klimatických podmínkách. Několik vozů Sprinter vybavených palivovými články obstarává rovněž každodenní dodávkovou službu v USA a v Německu.

Ve znamení vodíku

V oblasti vodíkového pohonu se angažují prakticky všichni hlavní výrobci automobilů, ale asi největší hmatatelný pokrok se podařilo dosáhnout dvěma automobilkám: mezi ně patří zejména BMW, Ford a DaimlerChrysler. BMW pracuje na vodíkové technologii už více než 20 let, a testovalo už více než dvě desítky prototypových vozidel. Např. poslední model této kategorie, sedan vycházející ze Série 7 nazvaný 750hL už dokáže ujet kolem 220 mil na vodík a dalších 370 na benzínový pohon. Tato schopnost duálního pohonu je řešením do doby, než se vodíkové čerpací stanice stanou běžné.

Také Ford se intenzivně věnuje využití vodíku jako perspektivního paliva Ford Power Products (FPP), divize skupiny Ford Powertrain Operations, zodpovědná za vývoj a marketing vodíkových motorů společnosti Ford uvedla na průmyslový trh počátkem letošního roku vodíkem poháněný spalovací motor H2ICEs.

FPP má v současné době vyvinuty dva různé typy těchto vodíkových motorů: 4.2-litrový V-6 je vyvinut jako prototyp pro pozemní služby na letištích. Vodíkové spalovací motory dokýží snížit CO2 až o 99.7 %, což z nich činí ideální řešení právě pro letištní prostředí, kde jsou emise přísně regulovány. Dalším je Ford V-10 Triton, 6.8-litrový vodíkový motor s turbodmychadelm. Ford je v současné době jediným výrobcem, který aktivně vyvíjí čtyři alternativní technologie pohonu: benzínovo-ekletrické hybridní motory, tzv. čisté dieselové motory, spalovací motory využívající vodík, a palivové články. Věří, že jeho pokročilé vodíkové motory učiní vodík praktičtějším a přitažlivějším palivem, které povzbudí k budování vodíkové infrastruktury.

Nedávno Ford představil svůj první vodíkem poháněný autobus. Tzv. Shuttle bus E-450 je určen pro 12 pasažérů a palivová nádrž s vodíkem mu umožňuje dojezd kolem 150 mil. S téměř nulovými emisemi bude E-450 splňovat nejpřísnější emisní a bezpečnostní standardy, a cílem Fordu je nyní připravit půdu pro jeho nasazení ve větším měřítku. Prvním zákazníkem, který bude využívat Fordovu novinku je stát Florida, kde má mít příští rok osm vodíkových autobusů Ford svou oficiální premiéru.

GM a Opel zkoušejí HydroGen

Také další automobilky intenzivně pracují na zapojení vodíku a palivových článků do svých vozidel. Koncept HydroGen 1 vyvinutý firmami Opel a General Motors v Globálním centru alternativních pohonů (Global Alternative Propulsion Center - GAPC), se veřejnosti poprvé představil na přelomu milénia v podobě prototypu technicky inspirovaného vozem Opel Zafira. Pětisedadlový experimentální automobil je poháněn třífázovým elektromotorem o výkonu 55 kW/75 k, který mu dokáže udělit rychlost až 140 km/h. Energii motoru dodává systém, který tvoří celkem 200 samostatných palivových článků sériově pospojovaných do zásobníkové sady o rozměrech pouze 590 x 270 x 500 mm. Svými kompaktními rozměry tak zabírá sada palivových článků přibližně stejné místo jako běžný spalovací motor. Stálý výkon sady palivových článků činí 80 kW ( 109 k), ale špičkový krátkodobý výkon může vystoupat i o polovinu na 120 kW ( 163 k). Do palivových článků se řízeně dodává vodík. Do doby, než bude vybudována taková infrastr uktura plnicích stanic, která by byla schopná dostatečně pokrývat poptávku po palivu - vodíku, vidí Opel a GM řešení v palubních reformátorech, ve kterých se bude vodík získávat z benzinu. Konstruktérů m konceptu HydroGen 1 se podařilo zvýšit jeho akční rádius mezi doplňováním paliva až na 400 km. Palivové články použité v systému HydroGen1 dokázaly opakovaně startovat a pracovat i při teplotách minus 40 stupňů Celsia. Vodík je ve voze uložen ve speciální nádrži z ušlechtilé oceli o průměru 400 milimetrů a délce jednoho metru, extrémně podchlazený až na minus 253 stupňů Celsia. Koncept HydroGen 1 má speciální válcovou nádrž, která je pokrytá několika vrstvami izolačního materiálu na bázi tkanin ze skelných vláken, a tato izolace má srovnatelné termoizolační schopnosti jako vrstva tradičního polystyrénu silná devět metrů. Do nádrže se vejde asi 75 litrů zkapalněného vodíku. Výzkumníci z GAPC však hledají další způsoby uložení vodíku ve voze. Jedna z metod počítá např. se zachycováním atomů vodíku na povrchu extrémně malých dutých uhlíkových vláken. Jiný způsob využívá principu ukládání vodíku v mikroskopických mezerách ve stlačeném metalickém prášku, v jehož struktuře lze obdobně be zpečně uložit potřebný objem vodíku, který do sebe materiál "nasaje" jako houba. Podle vývojářů GM a Opelu je příprava cenově dostupného ekologického systému pohonu s palivovými články, otázkou několika málo příštích let.

Klady i zápory vodíkového pohonu

Vodík má oproti tradičním palivům řadu výhod - jde o obnovitelný zdroj energie, který může být vyráběn z vody pomocí elektrolýzy a extrahován z ropy nebo zemního plynu. Elektrochemická reakce vodík-kyslík produkuje elektrickou energii s průměrnou účinností 60%, při reakci v palivových článcích vzniká obyčejná voda, takže jediným odpadem a emisemi je v ideálním případě pouze vodní pára. Vývojáři jsou přesvědčeni, že v dlouhodobém časovém horizontu se vodík prosadí jako optimální palivo pro vozy budoucnosti.

Bohužel stejně tak má zatím vodík pro běžné využití v praxi i řadu nevýhod:

Jedním z hlavních problémů je jeho skladování - Kilogram plynného vodíku zabírá asi 12 m3, jako stlačený plyn nebo superchlazená tekutina má mnohem vyšší nároky na skladování než benzín. Co do objemu je kapalný vodík využívaný vozidly 3,5 krát větší než benzín, což znamená, že nádrže na zkapalněný vodík zabírají ve vozidlech hodně prostoru. Kapalný vodík je nutné udržovat v nádrži s teplotou -253 stupňů Celsia. Samozřejmě mnohem přísnější jsou i bezpečnostní parametry, protože jde o vysoce stlačený plyn. Nicméně společnost Millenium Cell už pracuje na řešení tohoto problému a výsledky vypadají nadějně: Firma zkoumá technologii, která umožňuje bezpečně vyrábět čistý vodík ze surovin příznivých k životnímu prostředí.

Dalším problémovým faktorem jsou náklady - vodík, i když vyráběný ve velkých objemech vychází v porovnání s náklady na kilometr hůře ve srovnání s tradičními palivy. Jeho zkapalňování je poměrně náročný a nákladný proces, také cisterny na zkapalněný vodík musí být důkladně izolovány, aby odolávaly vysokému tlaku, což se projevuje i vyššími náklady na cenu vodíkových vozidel.

Pokud ale vše půjde dobře podle předpokladů, měli bychom se širšího nasazení vozidel s vodíkovým pohonem dočkat už v průběhu několika let, kdy se předpokládá jejich masovější výroba. Bude to však vyžadovat také vybudovat potřebnou infrastrukturu, která je dnes teprve v plenkách v podobě pilotních projektů vodíkových čerpacích stanic. A také podporu, která by zajistila zvýhodnění vozidel poháněných palivovými články oproti jejich levnějším benzínovým a dieselovým bratříčkům, jejichž výrobci rovněž hledají nové cesty, jak učinit automobily poháněné tradičními palivy ještě skromnější a ekonomicky vyspělejší.

Přijde ke slovu i vzduch?

Auto na vzduch není takovou sci-fi, jak by se mohlo na první pohled zdát. Vzduchový pohon vozidel tu už byl, a v současné době moderních technologií se opět hlásí o slovo. Aspoň tak to vidí extravagantní konstruktér Guy Négre. Je autorem pozoruhodného projektu nazvaného MiniCAT (název je odvozen od technologie pohonné jednotky Compressed Air Technology - CAT) neboli automobil na vzduch. Prototyp třímístného vozu, které jezdí na vzduch, a jehož emise tvoří opět jen vzduch, dokonce čistší než ten, který používá jako "palivo" se představil na světovém autosalonu, v Paříži v roce 2002 . Tato technika se krátce používala začátkem 20. století v tramvajích ve francouzských městech Nantes a La Rochelle. Několikaletý výzkum, který vyústil ve schválení čtyřicítky patentů, umožnil její efektivní využití pro auta, říká konstruktér unikátního motoru Guy Négre. Tajemství vzduchového motoru spočívá podle konstruktéra ve třech dlouhých trubicích vyrobených z uhlíkových vláken a umístěných po d spodkem auta. Trubice obsahují vzduch stlačený na 150krát větší tlak, než je v pneumatikách. Píst v motoru přihání venkovní vzduch a stlačuje ho na 20 barů, což ho zahřívá na 400 stupňů Celsia, a vst říknutí stlačeného vzduchu nutí píst k pohybu společně s osou kol. MiniCAT se už nabízí na webových stránkách společnosti MDI (www.mdi.lu) za 8000 tisíc eur, Guy Négre čeká na investory pro svůj projekt automobilky vyrábějící tato pozoruhodná vozidla ve velkém.