S profesorem Vladimírem Matolínem o výzkumu vodíkového pohonu na MFF Univerzity Karlovy


Sdílejte:

Zavřete oči a představte si, že procházíte městem, kde místo burácejících motorů slyšíte zpěv ptáků a klapot podpatků kolemjdoucích. Nebo že v zimě nastartujete své auto, aniž by se z výfuku do bílého sněhu vyvalila hustá oblaka černého naftového dýmu. Že je to pohádka budoucnosti? V rámci současného českého výzkumu pod vedením pana profesora Vladimíra Matolína se tento sen uskuteční možná dříve, než by kdokoli z nás očekával.

Ačkoli lze revoluční vodíkový pohon využít v nabíjení nejrůznějších elektrospotřebičů (mobilní telefony, notebooky apod.), největší potenciál ukrývá právě v možnosti alternativního pohonu dopravních prostředků s vysokým potenciálem nahrazení hlavní technologie současnosti – spalovacího motoru. Tento palivový článek převádí vodík na elektrickou energii pomocí elektrolýzy, a ačkoli stále využívá fosilních paliv, jako jsou zemní plyn, ropa či uhlí, jeho emisní hodnoty jsou k životnímu prostředí mnohonásobně šetrnější. Výzkumný tým profesora Vladimíra Matolína z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy se zabývá vývojem dostupného palivového článku a jejich práce je na nejlepší cestě k úspěchu.  Finančně dostupný článek by zprostředkoval masovou produkci, a posunul tak automobilový průmysl (a to především v rámci městské hromadné dopravy) o zásadní krok vpřed.

O klasických stereotypech a skepsi, současné situaci a budoucích možnostech jsme krátce pohovořili s panem profesorem Matolínem.

Můžete mi jednoduše vysvětlit, co je to vodíkový článek a jak jej v automobilech využit?
Vladimír Matolín: Pro automobily se používá již zmíněný palivový článek s polymerní nebo také protonově vodivou membránou.  Dvě elektrody, anoda a katoda, jsou odděleny tenkou fólií, membránou, která je vodivá pro protony vznikající z vodíku na anodovém katalyzátoru. Protony jsou odváděny na katodu, a tím vzniká elektrické napětí, které přitahuje elektrony procházející elektrickým obvodem. Článek se tedy chová jako běžný elektrický článek, přesněji elektrochemický článek, kterým napájíme dnes všechny malé spotřebiče. Na katodě vznikají z protonů a elektronů opět atomy vodíku, které reagují na katodovém katalyzátoru s kyslíkem, nejčastěji ze vzduchu, na vodu. Zatímco elektrochemický článek pracuje do doby, kdy dojde k vyčerpání chemické látky, kterou obsahuje a přeměňuje na elektrickou energii, palivový článek přeměňuje chemickou energii, která je mu průběžně dodávána.

Palivové články se spojují do soustav, podobně jako elektrochemické články do baterií, a pohánějí elektromotory elektromobilů. V elektromobilech, jak je dnes známe, se ovšem používají tzv. vratné elektrochemické články, které se mohou nabíjet.

mirai
Motor Toyoty Mirai, která jako první konvenční automobil jezdí na vodík. (zdroj: Toyota)

Pokud se nepletu, na vodíkovém článku pracujete od roku 2013. Jak jste od té doby postoupili a co považujete za největší úspěch?
Nejdříve musím upřesnit jedno nedorozumění. Nevyvíjeli jsme palivový článek, konktrétně článek s polymerní membránou, ale jeho nejproblematičtější součást, a tou je katalyzátor, který štěpí vodík na protony a elektrony, které potom vytvářejí elektrický proud. Všechna dosavadní řešení, která jsou prakticky použitelná, jsou založena na využití platiny jakožto hlavní složky katalyzátoru. Při současném stavu technologie by masové rozšíření článků nebylo možné právě kvůli ceně a globálnímu nedostatku platiny.

Za největší úspěch tedy považuji, že se nám podařilo vyvinout anodu článku, která obsahuje přibližně 6 g Pt na čtvereční centimetr elektrody při splnění všech požadovaných parametrů. Je to zanedbatelné množství, zhruba 50krát menší, než je současný standard. V současné době pracujeme na snížení obsahu Pt v katodě.

„Nicméně je potřeba poznamenat, že velké množství vodíku vzniká při chemické výrobě jako odpad, takže jeho využití představuje velice efektivní řešení."
Vladimír Matolín

Prozatím je k výrobě vodíku stejně využíváno fosilních paliv. Jaký je množstevní rozdíl fosilních paliv při výrobě vodíku a paliv do spalovacího motoru?
Aktuálně je hlavním zdrojem vodíku reforming uhlovodíků, především parní reforming zemního plynu. Při tomto procesu ale vzniká CO2, a proto nelze mluvit o „čistých“ zdrojích energie, má ovšem význam pro lokální snížení zátěže životního prostředí, např. ve městech. Nicméně je potřeba poznamenat, že velké množství vodíku vzniká při chemické výrobě jako odpad, takže jeho využití představuje velice efektivní řešení. Z globálního hlediska ale tato výroba vodíku není úplně vhodná, protože podobně jako u elektromobilů přenáší problém znečištění a spotřeby fosilních paliv jenom na jiné místo. Pokud jde o srovnání využití fosilních paliv při výrobě vodíku a ve spalovacích motorech, to je spíš otázka na specialistu, chemického inženýra.

V Německu bude představen první vlak na vodíkový pohon. Má tato technologie budoucnost i v běžné městské hromadné dopravě?
Určitě, podle mého názoru především v městské hromadné dopravě. Vodíkové autobusy jsou dnes hlavní oblast, kde se vodíkový pohon již využívá. Jeden z hlavních výrobců palivových článků, kanadský Ballard, dodává články hlavně pro autobusy. Vodíkový pohon se využívá jako hybridní v kombinaci s bateriemi, které článek průběžně dobíjí. Proto je v autobusu, který má zastávky a stojí na konečné, menší palivový článek, tedy přesněji soustava článků, než v osobním autě.

vlak
Vlak Coradia iLint, poháněný vodíkovým systémem. (zdroj: Coradia)

Slyšela jsem ovšem o budoucí možnosti využití jaderné energie či biomasy. V jakém časovém horizontu by se k tomu mohlo dojít? A jsou v jednání ještě jiné možnosti?
Využití biomasy, kde se uplatní speciální bakterie, je určitě velmi zajímavé řešení a prakticky již zvládnuté. Ale jako ve všech případech, důležitým parametrem je cena, a ta se mimo jiné zvyšuje i požadavky na čistotu vodíku pro články do vodíkových aut. Využití jaderné energie je, pokud vím, záležitost spíše budoucnosti, kde se bude využívat vysoké teploty chladiv reaktorů nových generací. Ale nejsem odborníkem v této oblasti.

Velice zajímavé řešení je ale elektrolýza, rozklad vody elektrickým proudem na vodík a kyslík. Pokud k tomuto procesu použijeme přebytky elektrické energie ze solárních a větrných elektráren, potom se jedná i přes relativně malou účinnost o skvělé ekologické řešení.  Proto se v současné době věnuje vývoji elektrolyzérů velká pozornost.

„Podle plánů velkých výrobců by mělo v horizontu deseti let dojít k relativně značnému rozvoji alternativních pohonů, včetně vodíkových."
Vladimír Matolín

Co si myslíte o skepsi k reálnému využití alternativních pohonů? Je v tomto případě na místě, nebo je to spíše neochota přizpůsobit se novým možnostem?
Já nevím, jestli se jedná o skepsi. To bude možno říci, až budou vytvořeny podmínky pro provoz alternativních pohonů. Zatím není ani dostatečná síť nabíjecích stanic, vodíkové plnící stanice neexistují vůbec a auta jsou drahá. Ideální je mít elektroauto na ježdění po městě, kde se dnes stejně nedá zaparkovat, a ještě jedno klasické na „svobodné“ ježdění na větší vzdálenosti. To je pak ale těžké nevypadat jako skeptik.

Z kolika a jak zaměřených vývojářů se skládá váš tým? Spolupracujete především se svými studenty, nebo volíte zkušenější kolegy?
Tým je dnes tvořen především post doktorandy, ale i doktorandy. Dohromady na projektech spojených s touto problematikou pracuje asi 8 mladých vědeckých pracovníků a dva pedagogové.

Kam se podle vás může pohnout vývoj v rámci dalších deseti let?
Podle plánů velkých výrobců by mělo v horizontu deseti let dojít k relativně značnému rozvoji alternativních pohonů, včetně vodíkových. Masové využití elektroaut na baterie si vyžádá obrovské investice do přenosových soustav, které se zřejmě ukáží jako limitující faktor. Rychlonabíjení, které by mělo zvýšit flexibilitu, znamená nabíjení obrovskými proudy. Vodíkové auto se plní palivem podobně jako auto na CNG, LPG anebo klasická paliva. Každopádně všechny automobilky na vodíkovém konceptu pracují a investují do vývoje obrovské prostředky.

Témata:
Sdílejte:

Doporučujeme

Vyhrajte dárky v hodnotě až 7 000 korun ve Vánoční elektrojízdě

V 18 městech na jihu Čech a Moravy můžete vyhrát hodnotné ceny nebo luxusní elektromobil na týden i s řidičem.