Vodíkový autobus
13. 1. 2010
Chceme snížit naši závislost na ropě z dovozu? Potřebujeme snížit emise skleníkového plynu, oxidu uhličitého? Usilujeme o čistší životní prostředí ve městech? To vše přináší využití alternativního paliva budoucnosti – vodíku. Zblízka si prohlédneme evropský unikát, který se zrodil v České republice – první vodíkový autobus s trojitě hybridní technologií pohonu. Vodík slouží pro činnost palivového článku, který dodává elektřinu elektromotoru. Hybridní pohon pomocí ultrakapacitorů a akumulátorů také využívá energii vznikající při brzdění a snižuje tak její celkovou spotřebu. Ukážeme, jak se palivo budoucnosti čerpá na naší první vodíkové čerpací stanici, a nastíníme vizi vodíkové dopravy zítřka.
Slyšeli jste to? Co? No přece že jste nic neslyšeli. Je to podezřelý autobus. Autobus bez motoru. Co za tím vším vězí? A navíc – jsme právě v areálu Ústavu jaderného výzkumu! Že by to byl autobus na jaderný pohon?
Filip: No Michaele, chybí mi tady takový ten zápach a takové to vrnění autobusu.
Michael: Ale to není žádné překvapení. Totiž tento autobus nemá žádný spalovací motor. Pohání ho čistě vodíkové technologie. A ty nemají žádné vibrace.
Tak vida. Ne jaderný, ale vodíkový autobus. Ale vážně. Představujeme vám unikát. Dokonce světový unikát, který se zrodil u nás. Autobusů na vodíkový pohon už jezdí po Evropě i jinde po světě docela dost. Jedinečnost tohoto vozu spočívá v jeho originální koncepci. Ta umožnila co nejhospodárněji zacházet s energií, jakou palivo budoucnosti – vodík – poskytuje.
Projekt autobusu na vodík se zrodil v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži u Prahy. Šlo o to, vyvinout a v praxi v České republice ověřit vodíkový autobus, který by zdokonalil existující technologie, zvýšil účinnost pohonného systému vozidla. Tím by se také výrazně snížily jeho provozní náklady.
Ing. Luděk Janík, koordinátor projektu TriHyBus, ÚJV Řež: V zadní části autobusu se nachází palivový článek. Palivový článek je srdcem autobusu. Poskytuje hlavní primární energii pro samotný pohon. Sestává se z několika set malých tenkých článků, které vyrábí elektřinu. Každý ten článek produkuje zhruba jeden Volt. My jich tam máme několik set, takže máme přibližně 500 až 600 Voltů podle zatížení. Membránový článek má výkon padesát kW a poskytuje tedy základní zatížení autobusu.
Palivové články jsou postaveny jako sendvič. Uprostřed se nachází tenká plastová membrána, která umožňuje průchod protonů. Fólie je obklopena katalyzátorovým konvertorem, ve kterém jsou dva kanálky pro přívod kyslíku na straně jedné, a vodíku na straně druhé. Oba plyny pak začnou reagovat a produkovat elektrickou energii a teplo a vodu. Němečtí spolupracovníci českého konstrukčního týmu sídlí v Puchheimu, jednom z předměstí Mnichova. Už víc než patnáct let se specializují na průmyslové palivové články a hybridní systémy, které je využívají.
Myslíte si, že palivové články jsou výsledkem výzkumu posledních let? Omyl. Jejich historie začala mnohem dřív. Jejich princip objevil už roku 1838 Švýcar Christian Schönbein. První palivový článek sestrojil o roku později waleský fyzik Sir William Grove. Výzkumu se později věnoval i německý chemik Wilhelm Ostwald. Koncem padesátých let minulého století se palivové články začaly využívat jako zdroje proudu pro kosmické lodi Gemini, Apollo a později i pro raketoplány.
Dnes rychle přibývá palivových článků jako zdrojů energie pro vozidla, především osobní automobily a autobusy. Oproti hybridním pohonům s dieselovým motorem však palivové články převádějí energii z vodíku přímo na elektřinu.
Dr. Joachim Kroemer, vedoucí prodeje, Proton-Motor Fuel Cell, Puchheim: Dnešek připomíná situaci s klasickými vozidly před sto lety. Tehdy jste museli benzín kupovat v lékárně. Když vybudujeme komerční infrastrukturu, současné vysoké ceny vodíku půjdou určitě dolů.
Během několika příštích let chtějí v Německu vybudovat rozsáhlou síť vodíkových čerpacích stanic, která umožní rychlý rozvoj dopravy na vodík. Dnes existuje a dále se vyvíjí pět typů palivových článků. Liší se použitým elektrolytem, teplotou, při níž elektrochemická reakce uvnitř článku probíhá, ale také rozměry článku a jeho praktickým využitím. Pro mobilní zařízení – tedy i pro vozidla – se hodí především článek s polymerní membránou. Jeho pracovní teplota je do 90 stupňů Celsia.
Jesse Michael Schneider, vedoucí výzkumu a vývoje, Proton-Motor Fuel: Naším cílem je během následujících let zvýšit životnost, snížit provozní náklady a tedy zlepšit konkurenceschopnost. Měli bychom si uvědomit, že tato technologie nabízí nejen stejný výkon jako konvenční zdroje, ale navíc je bez emisí.
Ing. Jan-Mark Kunberger, MBA, vedoucí projektu, Proton-Motor Fuel Cell, Puchheim: Pro následující systém použijeme opakovaný oběh vodíku, budeme tedy schopni využít vodík mnohem účinněji. Zvýší se celková účinnost. Pro další autobusy chceme dokázat, že celý systém uchování energie vozidla je schopen provozu po několik tisíc hodin.
Nový palivový článek o výkonu dvacet kilowattů pohání první městský čisticí vozík pro švýcarskou Basilej. Vodík umožňuje až sedm hodin provozu bez emisí. Dvojice palivových článků pohání také první osobní motorovou loď na světě pro sto cestujících pro dopravu v Hamburku. Ale vraťme se zpátky do Řeže – k prohlídce našeho unikátního autobusu.
Ing. Luděk Janík, koordinátor projektu TriHyBus, ÚJV Řež: Ostatní zařízení jsou pomocná zařízení k palivovému článku. Jsou to například různé tlumiče, aby ten zvuk z toho byl co nejtišší. Jsou to různé kompresory, které potřebujeme v autobuse například pro otevírání dveří nebo pro brzdění, pro výrobu stlačeného vzduchu. Tady vidíme dvě koncovky. Ta vlevo je vodíková, to znamená, tady se připojuje vodíková čerpací stanice. Řidič, když potřebuje natankovat, si připojí hadici a natankuje podle potřeby. Ta druhá koncovka je na dusík, je to speciální aditivní bezpečnostní prvek, kterým si profoukneme veškerý palivový článek a veškeré komponenty, které vodík obsahují, aby tam potom nebyl při vypínání palivového článku. Tady vidíme elektroniku, která řídí chod celého článku, monitoruje konkrétní články a zajišťuje, aby ten palivový článek fungoval tak, jak má.
Na vývoji našeho vodíkového autobusu úzce spolupracoval i tradiční výrobce trolejbusů z Plzně. Základ autobusu vybavil pohonem – elektromotorem o výkonu 120 kilowattů a důmyslným řídicím systémem.
Ing. Luděk Janík, koordinátor projektu TriHyBus, ÚJV Řež: Takže v zadní části autobusu vidíme dva velké válce, to jsou chladiče palivových článků. Před nimi pod bílým krytem jsou čtyři tlakové kompozitní lahve, ve kterých je uskladněn vodík. Ten vodík je tam uskladněn v plynné fázi pod poměrně vysokým tlakem 350 barů. To celkové množství vodíku je dvacet kilogramů a toto množství nám umožní dojezd asi tři sta kilometrů, což je více než dostatečné pro klasický městský provoz.
Tak to, na čem stojím, ty čtyři velké modré krabice, jsou takzvané ultrakapacitory. To je jeden ze tří zdrojů v autobusech, který používáme hlavně pro velké výkony, a to jak při rozjezdu, tak při brzdění, kdy rekuperujeme energii elektrickou do ultrakapacitorů.
Pod touto bílou krabicí se nachází celá řídící jednotka a veškeré výkonové komponenty autobusu, je to mozek autobusu. Jsou tam kromě měničů napětí také spínače a řídící počítače celého autobusu. Jsou tady konkrétně čtyři počítače, které řídí toky jednotlivých energií.
Poslední součástí na střeše autobusu je takzvaný brzdový odporník. Je součástí rekuperačního systému autobusu, kdy my ukládáme energii, která vzniká při brzdění, ukládáme ji do ultrakapacitorů. Nicméně existují případy, kdy té energie je mnoho a my se jí musíme nějak zbavit, proto ohříváme tyto brzdové odporníky a teplo uniká volně do vzduchu. Je to podobné jako u starších tramvají, které známe z běžného provozu po městech.
Jedinečnost tohoto vozidla je v jeho trojitě hybridním pohonném systému. Od něj má také název – TriHyBus.
Michael: Ale zajímalo by mne, jak vlastně funguje ten unikátní řídicí systém při jízdě.
Ing. Luděk Janík, koordinátor projektu TriHyBus, ÚJV Řež: Tak ten princip, ta unikátnost spočívá v tom, že používáme tři zdroje energie. Abychom si to mohli ukázat, tak právě proto tady máme obrazovky, které ukazují, co se momentálně děje. Aleši, přidej trochu! Momentálně zrychlujeme, tak vidíme ty tlusté oranžové šipky, to znamená, že energie je vydávána ze zdrojů do elektromotoru, to jsou přesně ty velké oranžové šipky. A když brzdíme, Aleši, tak vidíme zelené šipky, které ukazují, že energii uspoříme a ukládáme do ultrakapacitorů.
Je tu ještě jedna otázka: proč se projekt trojitě hybridního autobusu na vodík zrodil právě v Ústavu jaderného výzkumu? Souvisí to s vodíkem, přesněji – se způsobem jeho získávání. V nové hale, v sousedství TriHyBusu, se testuje jeden ze systémů jaderného reaktoru čtvrté generace pro jaderné elektrárny. Na jeho vývoji, který je velkým mezinárodním projektem, se podílejí i specialisté našeho ÚJV v Řeži.
Právě v tomto novém reaktoru čtvrté generace, který bude pracovat při teplotách několika set stupňů, bude možné získávat vodík tepelným rozkladem vody. Jaderné elektrárny se pak stanou zároveň zdrojem vodíku pro nové vodíkové hospodářství, tedy i pro dopravu využívající vodík.
Tady je vize vodíkové dopravy zítřka ve skutečnosti. Vodíková čerpací stanice v Mnichově. Pro vozidla je tu k dispozici vodík v obou používaných podobách. Hluboce zchlazený zkapalněný vodík je uskladněn a čerpá se při teplotě minus 253 °C do vozidel, vybavených dokonale izolovanou nádrží. Teprve za jízdy se převádí na plyn a pohání běžný spalovací motor nebo palivový článek.
Anebo se čerpá rovnou vodík v plynném stavu a plní pod tlakem do tlakových nádrží, jaké třeba používá náš TriHyBus. Tento unikátní autobus byl oficiálně představen veřejnosti koncem června loňského roku. Výsledek koncepce českých mozků a realizace v mezinárodní spolupráci za spolufinancování Evropskou unií bude sloužit městské dopravě v Neratovicích.
Díky originálnímu úspornému pohonnému systém mu načerpaných dvacet kilogramů vodíku stačí na tři sta kilometrů provozu. Zatím TriHybusu bude sloužit naše první vodíková čerpací stanice v Neratovicích. Vodíková doba začala už i u nás.
Autor: Vladimír Kunz