V rozsahu blížiacim sa takmer k 100% sme len donedávna ako zdroj energie spaľovali uhľovodíkové palivá – nafta, benzín, kerozín, zemný plyn, ťažké oleje atď. Všetko to, čo sa dá vydolovať pomerne ľahko a lacno zo Zeme. Ale pretože tieto zásoby nie sú nekonečné a jedného dňa sa vyčerpajú, tento spôsob je neudržateľný.

Z pohľadu dopravy tu už predtým boli snahy o „alternatívu“. Rôzne koncepty elektromobilov, ktoré v zásade zlyhávali na tom podstatnom – nedostatočnej vyspelosti akumulátorov. Príliš ťažké, príliš málo energie. A v časoch, keď bolo ropy a ropných derivátov habadej a veľmi lacno, to bola nepriechodná cesta. Plus nedotiahnutý dizajn takýchto BEV, dlhé doby nabíjania ktoré v kombinácii s extrémne nízkym dojazdom nemohli spaľovákom konkurovať ani náhodou, ani omylom.

Lenže doba a situácia sa mení. Jednak preto, lebo ľudstvo alebo tovar sa bude potrebovať presúvať z miesta na miesto aj o tisíc rokov, ale tie zásoby fosílnych (rozumej neobnoviteľných) palív na tak dlho nevystačia. A tiež preto, lebo trvalo milióny rokov, kým sa všetok uhlík z jedovatej atmosféry premenil na uhlie, ropu a zemný plyn (a atmosféra sa stala dýchateľnou a obývateľnou) a my ho tam teraz vraciame závratnou rýchlosťou nazad. Čo to bude znamenať – a už vlastne aj znamená – si každý trochu inteligentnejší človek dokáže domyslieť. Okrem Trumpa (a jeho pochlebovačov), ten si myslí že je nadčlovek a dýchať bude asi doláre či čo…

Ja nikomu nechcem brať jeho ilúzie alebo vieru v ten či onen „alternatívny“ spôsob ako poháňať dopravný prostriedok, ale predpokladám u všetkých týchto ľudí aspoň základnú znalosť fyzikálnych zákonov, matematiky a logických súvislostí.

Dnes mnohé vlády a podniky propagujú tzv. „čistú“ vodíkovú alternatívu. Ale je naozaj čistá? Ak sa človek trochu pozrie pod pokličku, tak zistí, že ani zďaleka nie a navyše je tu jeden zásadný nedostatok, ktorý každý propagátor tejto alternatívy akosi mimochodom (alebo žeby zámerne?) zamlčuje.

Jedným z argumentov pre vodíkové autá (HEV) je ich „čistota“ a to, že vodík je najrozšírenejší prvok vo vesmíre. Žiadne ťažké alebo jedovaté kovy ako ich obsahujú akumulátory v BEV (napr. kobalt, kadmium, a pod.), žiadne ťažké batérie, vodík je čistý a ekologický. Nesprávne.

Rozšírenosť určitého prvku vo vesmíre vôbec nemá nič spoločné s jeho ekonomickou využiteľnosťou tu na Zemi. To sú dve rozdielne veci a mnohí si to neuvedomujú. Alebo nechcú uvedomiť. Kým je vodík možno v miliardách ton dostupný vo vesmíre vo svojej pôvodnej, čistej plynnej podobe, na Zemi nič také neexistuje. Tu musíme vodík pomerne prácne získavať z vody, plynov či iných materiálov – a to stojí energiu. VEĽA energie. A čas, technológie, rozsiahlu, zložitú a náročnú infraštruktúru (a teda nie lacnú).

Ďalším argumentom býva, že na výrobu HEV nepotrebujete dolovať drahé či ťažké kovy, ktorých sa použije pomerne veľa pre výrobu batérií v BEV. Lenže:

1) aj palivové články obsahujú drahé kovy (platina, paládium a iné) a zrejme ešte dlho budú. Tieto špeciálne a vzácne kovy sú vďaka svojim unikátnym schopnostiam v palivových článkoch prakticky nenahraditeľné. A pokiaľ ich nahradíte, musíte sa zmieriť s oveľa horšou účinnostou. A to je presne to, čo nechceme, lebo aj tieto palivové články s paládiom a platinou nie sú bohvieako účinné (palivové články v Toyote Mirai majú približnú účinnosť cca 45%, výrobca presnú hodnotu tají, ale viacero zdrojov sa po rozbore zhodlo na tejto hodnote).
2) aj HEV MUSÍ obsahovať batériu-akumulátor, najčastejšie lítiovú. Dôvodom je, že palivový článok nie je schopný nárazovo dodať enormne veľa energie v krátkom čase, ak potrebujete nárazovo akcelerovať. Musíte použiť nejakú pomôcku, nejaký medzičlánok, kde túto potrebnú energiu vopred uskladníte, aby ste ju mohli v prípade potreby použiť. A tou pomôckou je malý akumulátor (nabíjateľná batéria), ktorá tieto nárazové energetické potreby dokáže vykryť. V budúcnosti to možno budú superkondenzátory, tie sú ale na toto použitie ešte dnes stále príliš drahé a s príliš malou energetickou hustotou.

Túto akumulačnú batériu na akceleráciu potrebujú HEV aj z iného dôvodu – na uskladnenie energie pri rekuperácii/brzení. A to je ďalšia vec, ktorú HEV nedokážu – z vodíka vyrobia elektrinu, ale pri brzdení/rekuperácii z tejto elektriny nedokážu nazad vyrobiť vodík. A pri jazdení v meste, kolónach, systéme jazdy rozbeh a za chvíľu už brzdiť šetrí rekuperácia pomerne veľa energie (ktorú vracia nazad do akumulátorov).

Takže tu opäť máme čosi, čo nikto z propagátorov vodíkových áut nerád prezrádza a padá ďalší argument zástancov HEV, že HEV eliminuje potrebu (neekologickej) batérie. Neeliminuje.

Navyše podiel ťažkých kovov v (lítiových) akumulátoroch sa trvale znižuje až budú úplne nahradené inými, bežnými, lacnejšími a nejedovatými materiálmi. Tu ide vývoj míľovými krokmi dopredu, ukazujú sa nové možnosti kombinácie s technológiou superkondenzátorov, ďalšieho navyšovania energetickej hustoty, výkonu, efektivity atď.

Skrátim to  – vodík zaspal dobu. Mal svoju šancu pred nástupom dnešných výkonných akumulátorov, ale už nie dnes. Elektrické káble a rozvody máme všade, ich prípadné navýšenie kapacity je ďaleko menším problémom, ako budovanie podobne rozsiahlej infraštruktúry pre dopravu a skladovanie vodíka.

Vodík sa dnes vyrába v podstate len dvoma základnými metódami: Parnou reformáciou alebo elektrolýzou. Samozrejme sú k dispozícii desiatky ďalších spôsobov, ale kvôli ich neefektivite, náročnosti alebo iným aspektom sú v podstate mimo zmysluplného uvažovania ako cesty pre masové používanie. Najmä ak máme ostať pri jeho „ekologickej čistote“, prichádza do úvahy jeden jediný udržateľný spôsob výroby – štiepenie vody. Elektrolýzou, fotokatalýzou, fermentáciou organických substrátov, rádiolýzou, termochemickými reakciami atď.

Parnou reformáciou sa dnes vyrába 95% vodíka. Lenže parou sa reformujú fosílne palivá – plyny, uhlie, uhľovodíkové palivá a z pohľadu dlhodobej udržateľnosti do ďalekej budúcnosti tadiaľto cesta nevedie, snahou je predsa eliminovať používanie neobnoviteľných zdrojov a palív úplne. Navyše vodík získaný reformáciou z plynov je pomerne špinavý (jeho použitím by sa drahý palivový článok nenávratne zničil) a jeho ďalšia filtrácia pre použitie do palivových článkov je technologicky a najmä energeticky neúmerne náročná. Navyše, a s tým sa už nikto nepochváli, vzniká pri výrobe vodíka týmto spôsobom neskutočne veľké množstvo CO2. Takže táto „čistá“ alternatíva je v podstate retrospektívna a nerieši jedne z hlavných problémov dneška – znížiť tvorbu CO2.

Vylučovacou metódou sa dostávame k jedinej dostupnej metóde výroby vodíka pre budúcnosť – elektrolýza vody. Z ekologického hľadiska tento jediný spôsob dáva zmysel. Z energetického už ďaleko menej. Pri spaľovaní vodíka pre pohon v dopravnom prostriedku sa vodík opäť nazad zlúči s kyslíkom a vzniká voda. V princípe nekonečný kolobeh. Lenže tá energia, potrebná na jeho extrakciu z vody a ďalšie nutné kroky… V tom je jadro problému. Elektrolýza vody je veľmi neefektívna a ani nie je výhľad do budúcnosti, že by sa to niekedy mohlo zmeniť. Na vine sú fyzikálne a elektro-chemické zákony a zákonitosti, ktorých obsiahlosť je priveľká pre tento krátky článok.

Zmienil som sa o energetickej nevýhodnosti vodíkového cyklu. Čo to ale znamená konkrétne?

Ak si totiž vezmeme 100kWh elektriny, presunieme ich do nabíjacej stanice, potom to automobilového akumulátora a odtiaľ priamo na pohon daného auta, na pohon ostane využitých takmer 70-75% z pôvodných 100kWh. Navyše odpadáva kopec problémov so skladovaním či prepravou akejkoľvek horľaviny, bezpečnostné riziká sú minimálne, vyhovujúce elektrické rozvody sú už dnes všade (a prípadne ich „upgrejd“ je ľahký a lacný). Prečo mám teda používať akýsi ďalší medzistupeň v podobe vodíka, ak môžem elektrinu použiť priamo a bez strát?

Pretože ak vezmem rovnakých 100kWh elektriny a pomocou nej najprv vyrobím vodík (a kyslík), ten prefiltrujem, schladím, stlačím, uchovám, prečerpám a potom znovu použijem na výrobu elektriny, na konci dostanem ani nie 30% z pôvodných 100kWh.  A to som ešte kruto optimistický. Niektoré zdroje TU a TU hovoria iba o cca 20%. Pretože každý krok, od chvíle prvotnej elektrolýzy vody, až po použitie vodíka na výrobu elektriny alebo mechanickej energie pre pohon dopravného prostriedku, je energeticky (a často aj materiálne či technologicky) veľmi náročný. A aj z logiky veci vyplýva, že čím je tých krokov viac, tým je to menej výhodnejšie. A necelých 30% je priepastný rozdiel oproti 70-75%.

Vodík má navyše veľmi nízku hustotu, ťažko sa stláča a celá problematika okolo stlačeného vodíka je opäť príliš rozsiahla a zložitá. Zjednoduším to – vodík ako palivo v nádrži automobilu (alebo aj nádrži na čerpacej stanici) je problém sám osebe. A jeho vyriešenie stojí buď veľkú pridanú váhu vozidla (čo je samo osebe v rozpore so zmyslom účinnosti dopravného prostriedku, lebo čím ľahší, tým efektívnejší), alebo/aj drahé technológie či materiály. A tu opäť narážame na zmysel takéhoto riešenia, lebo práve batériové elektromobily riešia drvivú väčšinu problémov vodíkových áut elegantne, jednoducho a podstatne lacnejšie.

Taktiež, kým batéria v aute je už dnes recyklovateľná (a do budúcnisti sa to len zlepší), ako zrecyklujete špeciálnu nádrž na vodík, ktorá má navzájom pevne spojených bezpočet rôznych vrstiev z kovov, polymérov, epoxidov, sklenených a uhlíkových vlákien a čojaviem čoho ešte?

V neposlednom rade je vodík opäť horľavina a mať za každým rohom nádrž so stovkami litrov vodíka (kvôli vodíkovej čerpacej stanici pre autá) je bezpečnostná hrozba, ktorú nikto rozumný podstupovať nebude.

K tomu bezpečnostnému riziku vodíka si dovolím ešte jednu poznámku. Vodík je vďaka jednej zo svojich vlastností skvelé palivo do raketových motorov. Tou vlastnosťou je rýchlosť horenia. V prípade výbuchu teda hovoríme o detonačnej rýchlosti. A tu je problém. Kým také LPG, PNG alebo akékoľvek iné palivo (vrátane benzínu) má detonačnú rýchlosť pomerne malú, vodík je vďaka svojej vysokej rýchlosti extrémne nebezpečný. Nepomerne viac, ako akékoľvek doteraz používané palivá v doprave. A čo taká extrémne silná detonácia dokáže napr. v tuneli, si predstaviť ani radšej nechcem.

Vráťme sa ale k ekonomike vodíkového cyklu. Myslím, že najvýstižnejšie to ukazuje tento obrázok. Percentuálne straty pri jednotlivých krokoch sú červeným.

Vlády a korporácie propagujú vodík ako „lepšiu“ alternatívu z jedného zásadného dôvodu: lebo keď vyschnú zdroje štátu z daní PHM, niečím to budú musieť nahradiť. Daňou z elektriky (ktorá je lacná a prípadne si ju ľudia vedia vyrobiť sami) asi ťažko. Ale daňou z vodíka, ktorý si nikto len tak nevyrobí, a bude si ho musieť kúpiť na plniacej stanici, sa to už dá.

Mnohí majitelia elektromobilov majú doma na strechách domov solárne panely a vybudovanú pomerne jednoduchú a lacnú infraštruktúru. Dom má ďalšiu batériu, do ktorej sa uchováva energia z panelov, po návrate domov majiteľ pripojí auto do nabíjačky a „preleje“ elektrinu z domovej batérie do auta. V prípade núdze, a pokiaľ to konštrukcia elektromobilu a rozvodov dovolí, môže aj auto slúžiť ako zásobáreň elektriny.

Neviem si ale predstaviť, že by všetci títo k už existujúcej inštalácii ešte museli inštalovať drahé a neefektívne elektrolytické vyvíjače vodíka, kompresory, drahé nádrže a pod. Tým by navyše vyhadzovali „von oknom“ 70% získanej elektriny. A keďže tu ide o rizikovú horľavinu, takáto inštalácia bude vyžadovať prísne predpisy, kontroly, prehliadky, údržbu. Takže opäť problémy a výdavky. A ako som písal vyššie, zmysel to dáva jedine z pohľadu štátu, ten si totiž výpadok príjmov nejako bude chcieť nahradiť. Preto sú BEV z jeho pohľadu nevýhodné, on zarobí jedine ak bude môcť daniť vodík (ako to robí dnes s fosílnymi PHM) a nútiť ľudí do tejto „alternatívy“. Z ekonomického aj energetického hľadiska ale v podstate totálny nezmysel.

Uvedomelejšia časť civilizácie (na čele s ľuďmi ako Elon Musk a pod.) pochopili, že je nutné radikálne zmeniť tieto zaužívané spôsoby, inak ako civilizácia skončíme a ostane po nás len ekologická katastrofa, ktorú bude táto Zem napravovať ďalšie státisíce a milióny rokov. Ale už bez nás.

Lenže aj Musk sám veľmi rozumne a názorne dokázal, že vodík NIE JE cestou do budúcnosti. Nie preto, že on sám má milióny z takpovediac „konkurenčnej technológie“, ale preto, že už veľakrát dokázal, že to, čo robí a kam ide, má zmysel.

Najmä BEV a vôbec priame využitie elektriny (a ďalších alternatívnych energetických zdrojov) sú udržateľnou cestou, ako môžeme na Zemi existovať ďalšie tisíce a tisíce rokov bez strachu z vyhladenia samých seba – ak nerátam iné hrozby, ktoré sú ale na úplne inú diskusiu.

Zdroje:

http://theconversation.com/why-battery-powered-vehicles-stack-up-better-than-hydrogen-106844

http://www.iop.org/resources/topic/archive/fuel/index.html

insideevs

insideevs

Wikipédia

https://oilprice.com/Energy/Crude-Oil/Hydrogen-Cars-Struggle-To-Compete-With-Electric-Vehicles.html

cleantechnica