Jak může fungovat vodíková energetika? Český vývojář odhalil svá tajemství
Jablonecká firma Devinn se zabývá vývojem technologií pro výrobu a použití vodíku. Stojí za plničkou pro prototyp vodíkové Tatry Force e-Drive a její stroje částečně napájejí ty nejznámější hudební festivaly v Česku. Vydal jsem se zkoumat, co za tím stojí.
Když jsme si před pár měsíci mohli prohlédnout prototyp vodíkové Tatry Force e-Drive v pražských Dejvicích, zaznělo tam nepříliš známé jméno – Devinn. Tato firma byla jednou z těch, které se podílely na vývoji vodíkové force, spolu s Ústavem jaderného výzkum u v Řeži, samotnou Tatrovkou a třeba taky VŠCHT.
Vodíková force už dokázala sama o sobě zbořit některé mýty o tom, že diesel na věčné časy a nikdy jinak. Zatím tedy na papíře; prokázat je bude muset v testovacím provozu v českém povrchovém dole. Devinn však s vodíkem pracuje mnohem víc, než jen na prototypu vodíkové force, jak zjišťuji na prezentaci v areálu firmy v Jablonci nad Nisou.
Zůstaňme však ještě chvíli u speciální tatrovky. Její testovací provoz v dole bude vyžadovat pravidelné doplňování vodíku, na které nebude možné jezdit k veřejné plnicí stanici – jednak vůz není homologovaný pro silniční provoz a jednak by to zabralo obrovské množství času. Vodík bude tankovat přímo v závodě a plnička, kterou k tomu bude používat, nepochází od nikoho jiného, než od Devinnu.
Ta zaujme na první pohled tzv. svazky tlakových lahví s vodíkem, které pojmou dohromady 100 kg vodíku. Force má nádrže na 30 kg vodíku, takže se z plničky dokáže natankovat třikrát až čtyřikrát v závislosti na tom, s jakým stavem přijede. Plnění nádrží náklaďáku na 350 barů tlaku zvládne přístroj, který má sám maximální tlak vodíku v lahvích 500 barů, během 20–25 minut.
Tahle konkrétní plnicí stanice, protože dle plánu bude plnit nádrže vozu jen třikrát denně, je navržená tak, že po onom pětadvacetiminutovém plnění bude trvat zhruba osm hodin, než se tzv. boosterem doplní tlak vodíku v lahvích na oněch 500 barů.
Tankování vodíku totiž funguje na principu vyrovnávání tlaku; v prázdných nádržích vozu je tlak nízký, kdežto v plných, resp. natlakovaných lahvích plničky vysoký. Postupně se takto vyrovnává tlak, a tedy do nádrží vozu proudí vodík, ze sekce s nízkým tlakem, pak ze sekce s vyšším tlakem a tak dále – až do chvíle, než se vyrovná tlak ze sekce s nejvyšším tlakem.
Když slyším číslo 500 barů, napadá mě, zda by tahle plnička dokázala natankovat třeba Toyotu Mirai na nějaké dvě třetiny, když nádrže mirai pracují s maximálním tlakem 700 barů. Není to však možné, mirai by dokázala natankovat jen polovinu nádrží na tlak 350 barů. Pro natankování plných nádrží, což znamená vodík pod tlakem 700 barů, je třeba plničky s maximálním tlakem 1.000–1.200 barů.
Zmíněný booster je v tomto případě vzduchový. Funguje tak, že elektrický kompresor, který je součástí plničky, natlakuje vzduch, a ten potom zvyšuje tlak v jednotlivých tlakových sekcích plničky. Tomuto systému se říká „vzduchový booster“ a existují i boostery hydraulické, které se používají u veřejných vodíkových čerpacích stanic, kde je předpoklad, že se bude tankovat častěji než třikrát za den.
Kompresor běží na elektřinu ze sítě, plnička nemá vlastní palivový článek k pohonu kompresoru. A proč kompresor netlakuje přímo vodík? Energeticky by to dávalo smysl, ale tato sekce zařízení je považována za tzv. výbušnou zónu a proto je třeba ji co nejlépe oddělit od elektřiny.
Nabíječka aut i elektrocentrála
Palivové články se samozřejmě dají použít i jinak, než že jimi vyrábíte elektřinu přímo pro pohon auta. Klíčové tam je to, že palivový článek vyrábí elektřinu, a s tou si pak můžete dělat, co chcete. Třeba jí nabíjet elektromobily, jak ukazuje prototyp poloautonomní mobilní nabíječky H2bot, který stojí opodál.
Ten má za sebou devítiměsíční testovací provoz v rámci závodu Škody Auto, kde jezdil po uzavřeném parkovišti a dobíjel zaparkované enyaqy. Jeho zásoba 14 kilogramů vodíku stačí k celkovému dobití 230 kilowatthodin elektřiny a nabíjecí výkon, který umí poskytnout, je 45 kW stejnosměrného proudu.
Právě tady se dostáváme k zádrhelu, který by jednoho nenapadl. Auta sice mají standardizovanou zásuvku CCS Combo 2 a většina jich má zásuvku krytou deklem, který se odklopí, když na něj zatlačíte, anebo když autu pošlete signál, aby dekl elektricky otevřelo, jenže pak tam je ještě jedna bariéra – kryt přímo na zásuvce, přinejmenším na její dolní části, sloužící k připojení silových kabelů stejnosměrné nabíječky.
Ten není standardizovaný a každá automobilka ho má trochu jinak. U některých to je gumový či plastový kryt, který musíte prsty sejmout a pak ho zas vrátit na místo, u jiných třeba dvířka na pružině. Právě odstranění této poslední bariéry je pro poloautonomní nabíjecí systémy podle Devinnu největší překážkou.
V tomto konkrétním případě, kdy se nabíjely jen enyaqy, měl H2bot „ručně“ napsaný program přímo na řešení enyaqu. To bylo možné, protože se nabíjel jen tento jeden model elektromobilu; sám přístroj by si s tímto krytem poradit nedokázal. Další překážkou by bylo třeba zamčení vozu, které znamená i zamčení vnějšího deklu nabíjecí zásuvky, ovšem díky tomu, že zkušební provoz probíhal na neveřejném, uzavřeném parkovišti, mohla auta zůstat odemčená.
Zmíněná elektrocentrála má zase označení H2base a slouží přesně k tomu, k čemu klasická benzínová elektrocentrála – k výrobě elektřiny tam, kde není možné ji dovést ze sítě. Jen s tím rozdílem, že tu není hlučný spalovací motor, nýbrž palivový článek. Tento přístroj funguje kompletně sám a na rozdíl od H2botu nachází využití v reálném světě. Kromě několika zákazníků, kteří si ho koupili, také částečně napájí elektřinou festivaly Rock for People a Colours of Ostrava.
Devinn k tomuto zařízení má vlastní svazek karbonových lahví s vodíkem, které ho pojmou 14 kilogramů pod tlakem 500 barů. Sám váží zhruba 600 kg. Systém je možné naložit na přívěs či do dodávky a dovézt kamkoliv, cestou je možné lahve naplnit na veřejné čerpací stanici, která zvládne natankovat sedmisetbarové auto, skrz redukční ventil.
Dokud však nezačneme skládat zmíněné šestimetrákové svazky vedle sebe, na což kvůli hmotnosti bude rychle potřeba náklaďák, je zařízení omezeno kapacitou vodíku na ekvivalent zhruba 100 litrů nafty. Důvodem je i to, že neexistují 700bar vodíkové nádrže schválené pro přepravu vodíku; jsou jen takové, které jsou schválené coby součást pohonu vozidla, např. zmíněné mirai nebo Hyundai Nexo. Pokud tedy je nutno elektrocentrálu provozovat dlouho bez možnosti doplnění paliva, klasická nafta nebo benzín je pořád lepší.
Vyplatí se to?
Tím se dostáváme k otázce, jestli ten kolotoč elektřina-vodík-elektřina není prostě jen zbytečně neefektivní, když tu elektřinu můžete dobít přímo do baterie auta a přímo na ni jezdit. Upřímně – ano, je. Na výrobu jednoho kilogramu vodíku je třeba 9 litrů demineralizované vody a zhruba 50 kWh elektřiny, a pak je v 1 kg vodíku ukryto asi 33 kWh energie. A palivový článek, v němž zase z vodíku budete vyrábět elektřinu, má účinnost kolem 50 %. Efektivita toho kolotoče tedy je někde kolem 35 %.
Je tu však jedno velké „ale“. Drtivá většina rychlonabíjecích stanic je připojená do elektrické sítě a auta u nich elektřinu „čerpají“, když potřebují, bez ohledu na to, jestli je zrovna v distribuční soustavě elektřiny přebytek či nedostatek. Proto se taky tak často hovoří o tzv. rezervovaném příkonu rychlonabíjecích stanic – ta stanice musí být schopná kdykoliv podat maximální nabíjecí výkon.
Vodík však můžete vyrábět ve chvíli, kdy je elektřiny v distribuční soustavě přebytek. To znamená, že kromě pomoci ke stabilizaci distribuční sítě je elektřina levná, ne-li dokonce zadarmo či za tzv. zápornou cenu, tj. že za její okamžitý odběr ještě dostanete zaplaceno. To je mimochodem v Evropě čím dál častější fenomén – podle staršího článku webového magazínu Hrot24 v Německu loni bylo celkem 300 hodin se zápornými cenami elektřiny. Důvod je jednoduchý – nárazové přebytky elektřiny z obnovitelných zdrojů.
De facto tak energii do vodíku uložíte jako do baterie. Ano, jsou v tom jisté ztráty, ale ty mají formu tepla – jak v elektrolyzérech, tak v palivových článcích. Toto teplo je samozřejmě možné využívat např. k ohřevu vody nebo vytápění – a tohle posune celkovou efektivitu výroby a následné spotřeby vodíku o desítky procent nahoru, i vysoko nad polovinu.
Samozřejmě, taky je možné místo vodíku tu energii uschovat do bateriových úložišť a z nich potom nabíjet elektromobily. V Česku takových nabíječek pár stojí, jedna je např. na pražském Chodově u plaveckého bazénu a její maximální výkon je 150 kW. Pro jejich stavbu nicméně potřebujete velké množství „secondlifových“ baterií, resp. bateriových modulů. To jsou ty moduly, které už nemají dost velkou kapacitu na to, aby mohly efektivně fungovat v elektromobilech, ale pořád jsou třeba na 60, 70 procentech své kapacity.
Do „krabice“, která stojí někde u parkoviště, to nevadí, protože tam těch modulů můžete naskládat doslova tuny. Pak je nabijete ve chvíli, kdy praží slunce či vane silný vítr, a tedy je přebytek elektřiny, a později tu elektřinu v moment potřeby „posunete“ dál elektromobilu.
To však samozřejmě neznamená, že vodík nenajde v budoucnosti své využití. Jen prostě – ostatně, stejně jako bateriové elektromobily – není všespásným řešením, které by nám automaticky zajistilo světlejší a zelenější zítřky.
