Palivové články

Palivovými článkami na ceste za trvalou mobilitou

Mobilita predstavuje dôležitú spoločenskú hodnotu a zároveň rozhodujúci faktor pre rozvoj národného hospodárstva. Zodpovedné konanie s ohľadom na budúcnosť preto musí smerovať k trvalo udržateľnej mobilite. DaimlerChrysler trvalú mobilitu ukotvil hlboko vo svojom podnikateľskom pláne. Na pozadí črtajúceho sa vývoja energetického sektora už niet pochýb, že súčasné využívanie prevažne fosílnej primárnej energie kritérium dlhodobej trvácnosti nespĺňa.

Trvácna mobilita sa dá dosiahnuť iba súbežným splnením troch cieľov:
1. Pohony so zlepšenou účinnosťou. Ak sa budú motorové palivá získavať prevažne z fosílnych zdrojov, je potrebné sa zamerať na ich čo najúčinnejšie a najšetrnejšie využívanie, chrániť tak obmedzené zásoby a zmenšovať emisie CO2. Obnoviteľné zdroje energie sú k dispozícii teoreticky v neobmedzenom množstve, ale aj ony si vyžadujú šetrné zaobchádzanie, v neposlednom rade aj kvôli relatívne veľkým výrobným nákladom.
2. CO2 -neutralita. Iba výrazne menšie vypúšťanie kysličníka uhličitého pomôže predísť nebezpečenstvu klimatickej zmeny. Aj tento cieľ si vyžaduje dôraznejšie nasadenie obnoviteľných zdrojov energie, ktoré sú pri ich využívaní prevažne alebo úplne CO2 - neutrálne.
3. Dôraznejšie využívanie obnoviteľných zdrojov. Rozšírenie alternatívnych zdrojov energie do svetových regiónov, ktoré sú v súčasnosti silne závislé od dovážaných fosílnych nositeľov energie, zmenší mieru takejto závislosti a zlepší zásobovaciu sebestačnosť. Dôraznejšie nasadzovanie obnoviteľných zdrojov energie navyše zabezpečí dlhodobú dostupnosť primárnej energie pre sektor dopravy.

Energetické štruktúry a koncepcie mobility sa nedajú zmeniť zo dňa na deň. V oboch prípadoch ide o oblasti, v ktorých zmena smerom k trvácnosti vedie k hmatateľným výsledkom iba pozvoľne. To však znamená aj to, že vhodné stratégie vývoja musia obsahovať krátko-, stredne- a dlhodobé perspektívy. Od všetkých zúčastnených si tiež vyžadujú značnú dávku trpezlivosti. DaimlerChrysler túto stratégiu napĺňa pod mottom „Naša cesta za trvalou mobilitou“. Definuje pracovnú mapu všetkých vývojových cieľov, ktoré sú dnes, zajtra, alebo pozajtra dosiahnuteľné a predstavujú vždy iba jeden krok k cieľu,“ vysvetľuje Dr. Herbert Kohler, vedúci koncernového výskumu a predvývoja automobilových konštrukcií i pohonu a zároveň aj splnomocnenec koncernu DaimlerChrysler pre životné prostredie.

Takúto dlhú cestu však automobilky ako Daimler- Chrysler nezvládnu osamotené. Ich úloha spočíva vo vytváraní efektívnejších a ekologickejších koncepcií pohonov, ako aj pripraviť uvedenie takých koncepcií na trh, ktoré majú potenciál priniesť veľký skok v efektivite. Nevyhnutným pre dosiahnutie cieľa však zostáva aktivovanie sa ďalších zúčastnených. Výrobcovia motorových palív a nosičov energie musia svoje produkty rovnako zlepšovať a zároveň vyvíjať nové palivá za dostupné ceny. Optimalizované alebo inovatívne pohony dokážu naplno využiť svoj potenciál iba so zodpovedajúcimi nosičmi energie a ich kvalitou. Výrobcovia energie a technologickí vývojári musia postupne rozširovať svoje výrobné kapacity pre obnoviteľné energie a zlepšovať tiež výrobné procesy, aby boli nové formy energie dostupné v dostatočnom množstve a za prijateľné ceny. Musia tiež vzniknúť prídavné zásobovacie infraštruktúry, cez ktoré bude možné celoplošne distribuovať nové motorové palivá. V neposlednom rade sa o vhodné rámcové podmienky musí postarať aj politická sféra a vydláždiť tak cestu k trvalej mobilite.

V oblasti motorových palív podporuje DaimlerChrysler celý rad výskumov, ktoré predstavujú medzníky na ceste za trvalou mobilitou. Súčasné palivá ako nafta a benzín sa dajú kvalitatívne zlepšiť; technické optimalizácie spaľovacích motorov tak v plnej miere nachádzajú svoje opodstatnenie. Aj primiešavanie obnoviteľných biopalív prvej generácie už dnes ponúka možnosti zmenšovania emisií CO2 a umožňuje tak pribrzdiť spotrebu fosílnej primárnej energie. Syntetické palivá, ktoré sa dajú získať z fosílnych, ale aj obnoviteľných zdrojov (biopalivá druhej generácie), predstavujú ďalší krok k na mieru šitým koncepciám motorového pohonu. Umožňujú tiež zlepšenie efektivity a zmenšenie emisií CO2 . Na konci cesty by mali stáť palivá získané prevažne alebo výlučne z obnoviteľných zdrojov, ktoré privádzajú cieľ v podobe CO2 -neutrality na dosah. DaimlerChrysler pritom z viacerých dôvodov vidí vo vodíku ideálnz nosič energie pre takýto dlhodobý vývoj.
Ani po viac ako 100 rokoch neustáleho zlepšovania nestrácajú spaľovacie motory potenciál k zväčšovaniu ich výkonu a zmenšovaniu produkovaných emisií. S ponukou syntetických palív, ktorá má v najbližších rokoch stúpajúcu tendenciu, sa v oblasti vývoja motorov otvárajú ďalšie obzory ich zlepšovania. Vývojom a nasadzovaním hybridných koncepcií vo vhodných uplatneniach získa DaimlerChrysler v najbližších rokoch dodatočný priestor na zmenšovanie CO2 . Z dlhodobého hľadiska však žiadna koncepcia pohonu nevykazuje väčší potenciál dosiahnuť trvalú mobilitu ako stlačeným vodíkom poháňaný palivový článok. Koncern sa preto už dávno rozhodol zamerať sa na túto sľubnú koncepciu. Vďaka súčasným testom v praxi sa mu podarilo prejsť značný kus cesty smerujúcej k uvedeniu inovatívneho pohonu na trh. S výskumným vozidlom F 600 HYGENIUS vedci z DaimlerChrysler dokázali, ako sa dá dôsledne stupňovať výkonnosť, stálosť a spôsobilosť tejto novej koncepcie pohonu. A to tak, aby mohli byť zákazníci koncernu DaimlerChrysler v blízkej budúcnosti mobilní nielen dlhodobo, ale aj s neobmedzenou zábavou počas jazdy.

Ako zmeniť pohony a palivá vozidiel – dosiahnuté

Kedy má zmysel poháňať vozidlo iba článkami alebo iba vysokonapäťovou batériou? V akých podmienkach a pri akej záťaži by sa mala aktivovať funkcia, pri ktorej dodáva elektromotoru energiu jednak palivový článok, ale zároveň aj batéria? V ktorých okamihoch a jazdných situáciách je vhodné zmeniť režim prevádzky? A pri akej úrovni naloženia, či spôsobe jazdy by sa mal elektromotor využívať ako generátor a dobíjať tak batériu? To sú len niektoré aktuálne otázky, ktoré konštruktéri nových pohonov DaimlerChrysler zohľadňujú súčasne s dôležitými okolnosťami ako sú jazdná dynamiky, spotreba a funkčná bezpečnosť. Ďalším cieľom testovacích jázd v F 600 HYGENIUS je preto vývoj optimálnej prevádzkovej stratégie pre budúce F-Cell vozidlá triedy B. Mnohé vyriešila už v súčasnosti testovaná flotila 60 vozidiel F-Cell triedy a pribúda k nim know-how z najnovšieho výskumného vozidla F 600 HYGENIUS, ktoré je koncipované ako čisto palivovými článkami poháňaný automobil. Celý rad ďalších vylepšení z modelu F 600 HYGENIUS sa potom uplatní pri pohone B-triedy F-Cell.

K základným technologickým vylepšeniam, ktoré sa už preniesli na model F 600 HYGENIUS patria: tlakové nádrže, ktoré udržujú vodík pod tlakom 700 barov a zväčšujú tak dojazd z pôvodných 160 na vyše 400 kilometrov, permanentne vybudený synchrónny elektromotor s kompaktnou a ľahkou konštrukciou, ktorý dosahuje maximálny výkon 85 kilowattov a maximálny krútiaci moment 350 Newtonmetrov, ďalej výkonná lítium-iónová batéria, ktorá sa uplatnila ako vysokonapäťový zásobník energie a technicky zjednodušený na- a odvlhčovací systém z dutých vlákien, ktorý umožňuje druhej generácii súboru článkov štartovať aj za studena. Dve ďalšie inovácie zo štúdie F 600 HYGENIUS budú do masovejšieho nasadenia prechádzať postupne. Na jednej strane sa budú bipolárne platne v palivových článkoch vyrábať z kovových fólií, ktoré umožňujú zmenšiť ich rozmery, čo doterajšie grafitové platne neumožňovali. Na strane druhej bude súbory článkov zásobovať vzduchom ľahké elektrické turbodúchadlo. F 600 HYGENIUS vďaka tomu pri prepočte na energetický ekvivalent nafty spotrebúva iba 2,9 litra na 100 kilometrov. Systém palivových článkov tohto vozidla pracuje mimoriadne efektívne – v oblasti čiastočného zaťaženia sa účinnosť pohybuje na úrovni 60 percent.

Vedie vodík

DaimlerChrysler vymedzuje cestu za trvácnym zásobovaním energiou pre individuálnu mobilitu a orientuje sa pri tom pre jeho vlastnosti najmä na vodík, ako alternatívny zdroj pohonu. Vodík získaný z obnoviteľných zdrojov a použitý ako automobilové palivo garantuje trvalú optimálne účinnú mobilitu bez emisií.

Vodík sa javí ako ideálny sekundárny nosič energie. Ako palivo pre vozidlá poháňané palivovými článkami dosahuje energetickú účinnosť na takmer dvojnásobnej úrovni najmodernejších zážihových a vznetových motorov. Prináša tiež diverzifikáciu primárnych nosičov energie využívaných v doprave a zväčšenie podielu palív získaných z obnoviteľných zdrojov. Umožňuje sústavne zmenšovať emisie – aj s ohľadom na skleníkové plyny.

Vodík sa už po niekoľko desaťročí vyrába v priemyselnom množstve, pričom sa využíva ako nosič energie alebo reakčný plyn v priemysle a rafinérskych procesoch. Vodík vzniká tiež ako vedľajší produkt chemickej výroby. Na jeho výrobu sú vhodné aj obnoviteľné zdroje energie. Ročne sa vo svete vyrobí asi 45 miliónov ton vodíka. Množstvo v súčasnosti nevyužívaného vodíka vystačí na zásobovanie minimálne milióna vozidiel poháňaných palivovými článkami. Táto kapacita stačí do začiatku skomercionalizovania tejto pohonovej koncepcie na masovom trhu.
Ak sa však má vodík ako alternatívne palivo uplatniť, „natankovať“ automobil poháňaný stlačeným vodíkom musí byť rovnako pohodlné a rýchle, ako „natankovať“ benzín. Skúsenosti s najlepšími čerpacími stanicami, ktoré sa projektu alternatívneho pohonu zúčastnili, ukazujú, že toto kritérium je už splniteľné. Tlakové nádrže vozidiel môžu doplniť aj ľudia, ktorí sa s vodíkovým stojanom stretnú po prvý raz, pričom túto činnosť zvládnu za menej než tri minúty. Výrobcovia plniacich zariadení sú spôsobilí týmto požiadavkám vyhovieť. Zákazníkom musí byť tiež k dispozícii príslušná zásobovacia infraštruktúra. Automobilky preto musia spolu s energetickými podnikmi spolupracovať pri výstavbe sieti čerpacích staníc. Po vybudovaní jednotlivých čerpacích miest na súčasných skúšobných stanovištiach ide najmä o vytvorenie minisietí – „clustrov“ – v skúšobných regiónoch v rokoch 2010 až 2015. Tie bude následne potrebné pozdĺž diaľnic medzi sebou poprepájať. Dôležitá je pritom nielen hustota čerpacích staníc, ale aj technická výkonnosť zariadení. Musia napríklad doplňovať vodík pod tlakom 70 MPa namiesto doterajších 35 MPa, čo umožní realizovať novovyvinuté dvojnásobné zväčšenie dojazdu. Inými slovami: Technika čerpacích staníc musí vedieť kopírovať zlepšenia vozidiel.

Ako zmeniť pohony a palivá vozidiel – budúcnosť

Desaťročie od roku 1994, po predstavení prvého vozidla Mercedes-Benz poháňaného palivovými článkami, Necar-u 1, sa Mercedesu podarilo do každodennej prevádzky uviesť stovku vozidiel s týmto alternatívnym pohonom. Okrem 60 F-Cell vozidiel triedy A, ktoré využívajú zákazníci na šiestich stanovištiach v Európe, USA a Ázii, sa k využívaným prototypom zaraďujú aj rôzne testovacie vozidlá vo vývoji. Patria sem napríklad tri dodávky typu Sprinter a tiež 36 mestských autobusov Citaro, ktoré rovnako poháňajú palivové články a v každodennej hromadnej doprave sú úspešne nasadené od roku 2003. Do konca júna 2006 najazdilo 60 F-Cell vozidiel triedy A celkovo 800 000 kilometrov, pričom sústavy palivových článkov pracovali celkovo 24 000 hodín. Do konca júna 2006 najazdili Citará s alternatívnym pohonom už 1,4 milióna kilometrov, pričom niektoré sústavy palivových článkov dosiahli viac ako 3000 prevádzkových hodín – aj táto hodnota patrí k tým, ktoré sa nikto neodvážil predpovedať. V najbližších rokoch uvedie Daimler- Chrysler do prevádzky aj ďalšie vozidlá poháňané palivovými článkami – tentoraz na báze triedy B. Najvhodnejším obdobím pre uvedenie automobilov poháňaných palivovými článkami na trh sa javí obdobie medzi rokmi 2012 a 2015.

Treťou generáciou „vodíkových vozidiel“ sa potom DaimlerChrysler pokúsi okrem technologických zlepšení predovšetkým zmenšiť ich výrobné náklady. Celý systém palivových článkov by sa mal vďaka zmenšeniu počtu komponentov zjednodušiť a spevniť. Menej dielcov znamená menej potenciálnych chýb a tiež menšie náklady. Zostávajúce komponenty by sa mali zmenšovať a zaberať tak menej priestoru a mať aj menšiu hmotnosť. Do začatia sériovej výroby ide zároveň o ďalšie predĺženie životnosti a výkonnosti palivových článkov. Práve na tieto aspekty sa zameriavajú špecializované programy a technické koncepcie..

„Náklady pohonu na palivové články možno z dlhodobého hľadiska v zásade zmenšiť“, zdôraznil Dr. Christian Mohrdieck odhad spoločnosti DaimlerChrysler. „Dosiahnuť tento cieľ si však vyžiada určité kroky a tiež dlhodobý harmonogram.“