Vodík – budoucí palivo pro dopravu ( zamyšlení nad úsporou v MHD Jihlava)
Dušan Krankus Přírodovědné lyceum 3. ročník SSOŠ Jihlava, K. Světlé 2, Jihlava, 586 01
Úvod Ve svém projektu se hodlám zabývat problematikou alternativních paliv pro motorovou dopravu. Doprava je klíčové téma životního prostředí, protože představuje jednu z nejtěžších aktuální zátěží. Ve velkých městech jsou emise z dopravy hlavním faktorem ovlivňujícím kvalitu ovzduší. Využívání automobilů v osobní dopravě v ČR se stále zvyšuje a počet osobních automobilů stoupá. Zatímco v roce 1990 připadalo 1 auto na více než 4 obyvatele, dnes je tomu jinak-1 auto na 2 obyvatele. Nevyšší intenzita dopravy je zaznamenávána v okolí velkých měst např. Praha,Brno atd. Je to způsobeno převážně pravidelnými cestami za prací a zázemím těchto velkých měst. Postupně se uplatňuje integrovaná MHD a alternativní paliva a pohony. Předmětem mého zájmu v tomto projektu se stane unikátní vodíkový autobus TriHyBus, který vyvinuli čeští vědci a který se stal součástí MHD Neratovice. Já se však ve svém projektu zaměřím na jiné město. Spolupracoval jsem DP města Jihlavy. Na základě této spolupráce jsem vypracoval porovnání, jak by to vypadalo, kdyby autobus na jedné jihlavské lince byl nahrazen TryHyBusem. K čemu jsem došel se dozvíte na těchto stránkách.
Doprava a emise Nejškodlivější emise z dopravy, které negativně působí na lidské zdraví, jsou prašné částice. Vznikají při spalování pohonných hmot, otěru pneumatik, brzdového obložení apod. jejich hlavní riziko je především v obsahu rizikových chemických látek. Nebezpečí částic závisí na jejich velikosti, např. jemná frakce částic do 2,5 μm se dostává až do plicních sklípků.
Budoucnost dopravy Vzhledem k prudkému nárůstu spotřeby ropy, vysokým emisím ropných produktů a poškozování klimatického systému emisemi skleníkových plynů se hledá východisko v podobě postupného nahrazování fosilních paliv palivy a pohony alternativními. Toto je celosvětově velice důležité téma. Mezi alternativní paliva patří:
1
LPG kapalný propan-butan bioplyn CNG stlačený zemní plyn vodík elektřina a palivové články
Vodíkový pohon Rostoucí intenzita dopravy a klesající zásoby ropy vyvolávají potřebu nového zdroje energie. Energii, která bude efektivní, obnovitelná, levná a nezatíží ovzduší dalšími emisemi skleníkových plynů. Vodík se jeví jako nejvhodnější, protože neprodukuje žádné emise a jeho spalováním vzniká pouze H2O. Dalším důvodem proč využívat vodík je to, že vodíku je v přírodě dostatek a případně se dá vyrobit i synteticky. Vodíkovou technologií se proto zabývají přední světové automobilky i řada vědců a snaží se odstranit hlavní nevýhody této technologie – tankování a skladování vodíku, nebezpečí úniku plynu a výbuchu.
Výroba vodíku Vodík může být vyráběn mnoha způsoby z širokého spektra vstupních zdrojů. Roční světová produkce vodíku je přibližně 55 milionů tun. V globálním měřítku dominuje v současné době výroba z fosilních paliv.
uhlí 18%
elektrolýza 4% ropa 30%
zemní plyn 48%
Elektrolýza vody Elektrolýza je proces, při kterém stejnosměrný proud při průchodu vodným roztokem štěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem: 2 H2O → 2 H2 + O2
Konvenční elektrolýza H2 reaguje na katodě za vzniku plynu, který je jímán a skladován. Proces elektrolýzy probíhá za pokojových teplot a pro jeho chod je nutná pouze elektrická energie. Tímto způsobem jsou vyrobena asi 4 % z celkové světové produkce vodíku. Účinnost procesu se pohybuje v rozmezí 80 - 92 %. Výstupem elektrolýzy je kyslík a vysoce čistý vodíkový plyn, pro většinu aplikací bez nutnosti dodatečného dočišťování.
2
Konvenční elektrolýza je výhodná zejména tam, kde je levná elektřina a dostatek vody. Příkladem může být Island s jeho geotermální energií. Elektrolytické zařízení je modulární, může být navrženo jako velká centrální jednotka či jako malé zařízení pro lokální použití se stejnou účinností. Výhody - použití různých zdrojů vstupní energie, čistota elektrolytického vodíku Nevýhody - vysoké náklady na membránu v elektrolyzéru, vysoké ceny el. energie.
Vysokoteplotní elektrolýza Pro vysokoteplotní elektrolýzu je charakteristické, že část dodávané energie tvoří elektrická energie a část je přivedena ve formě tepla. Do elektrolyzéru vstupuje pára a vodík. Vystupuje z něho obohacená směs obsahující 75 % vodíku a 25 % páry. Z ní je na anodě oddělen iont kyslíku, který prochází skrze membránu. Vodík je pak z páry oddělen v kondenzační jednotce. Výhody - vyšší účinnost procesu díky snížené spotřebě elektrické energie, snadnější překonání aktivační bariéry na povrchu elektrody, cirkulace plynů zpomaluje proces koroze
Biotechnologická produkce vodíku Jiným zajímavým způsobem, který je dnes ovšem na počátku vývoje, je výroba vodíku pomocí mikroorganismů. Suchá biomasa je vhodným materiálem pro konverzi pomocí klasických termochemických procesů, biomasa s vysokým obsahem vody je tímto způsobem z ekonomického hlediska nevyužitelná. Proto může být v případě vlhké biomasy výhodné využít biotechnologické procesy, kdy reakce jsou katalyzovány mikroorganismy ve vodném prostředí za nízkých teplot a tlaků. Rozlišují se dva procesy: 1. vodíková fermentace fungující bez přítomnosti světla - je přirozený děj, ke kterému dochází za anaerobních podmínek, organické látky jsou v tomto případě využívány jako primární zdroj vodíku a také jako zdroj energie, různé druhy bakterií využívají v nepřítomnosti kyslíku redukci protonů na vodík k uložení elektronů z oxidace organických látek
Obr.2 Schéma bioprodukce vodíku pomocí dvoustupňové fermentace 2. fotobiologickou produkci vodíku - fotofermentace je proces, při kterém jsou organické látky, například acetát, bakteriemi přeměňovány na vodík a CO2 za využití světla, proces probíhá za anaerobních podmínek a může být snadno kombinován s vodíkovou fermentací popsanou výše, kde je acetát jedním z produktů, jednou ze skupin mikroorganismů schopných fotofermentace jsou purpurové bakterie
3
Výroba vodíku pomocí mikroorganismů je slibným, nicméně v celkovém pohledu poněkud nízkokapacitním způsobem, jak vodík vyrábět. Velkou výhodou oproti např. výrobě uhlovodíkových biopaliv je využití vstupních surovin, které jsou jinak obtížně zpracovatelné (např. kaly z čističek odpadních vod), a nekonkuruje tak z hlediska záborů orné půdy výrobě potravin.
Výroba vodíku ze zemního plynu Vodík se dá získat i ze zemního plynu, ale tento způsob nebude podle mého názoru v budoucnu využitelný, protože zemní plyn bude vyčerpán.
Skladování vodíku Možnost dlouhodobého skladování vodíku představuje základní technologickou výhodu oproti dalšímu nosiči energie – elektřině, u které je nutno neustále regulovat rovnováhu mezi výrobou a spotřebou. "Uskladnění" elektřiny v akumulátorech není využitelné v měřítku velkovýroby, přečerpávací elektrárny jsou sice užitečnou, ale opět poněkud okrajovou možností. Skladování vodíku tedy představuje velmi výhodnou možnost, jak optimalizovat a regulovat výrobu a spotřebu energií obecně. Existují například plány na propojené výroby elektřiny a vodíku přes elektrolýzu, což by umožnilo snažší regulaci jaderných elektráren, které by mohly pracovat při optimálním zatížení po celou dobu a v období sníženého odběru by se vyráběl vodík, využitelný buď pro výrobu elektřiny (v době špičky) nebo pro dopravu.
Skladování vodíku v plynné fázi Pro stacionární aplikace se obvykle používá bezešvých ocelových lahví. Vyrábějí se v objemech od 0,8 litrů do cca 140 l pro běžné aplikace.V mobilních aplikacích se obvykle používá kompozitních tlakových nádob. Vyrábějí se v objemech od desítek litrů do 300 l. Typickým provozním tlakem je 350 bar (=350 atm = 35MPa), v nejnovějších aplikacích potom 450 až 700 bar (současný technologický limit je 1 000 bar). V mnoha aplikacích je válcový tvar mírně deformován v závislosti na potřebách zástavby do úložného prostoru vozidla. Vnitřní povrch kompozitních lahví tvoří obvykle tenká vrstva kovu, případně speciálního polymeru, která zabraňuje úniku plynu přes strukturu kompozitu.
Skladování vodíku v kapalné fázi Kapalný vodík je skladován při teplotě -252 °C. Vodík je ze zásobníku čerpán jako kapalina pro spalovací motory nebo jako plyn - pro palivové články. Pro uskladnění se používají vícevrstvé nádoby s velmi dobrými izolačními vlastnostmi s maximálním přetlakem 5 barů. Tyto nádoby musí být vybaveny přetlakovým mechanismem, kterým je regulován maximální přípustný tlak. Při skladování vodíku v kryogenních nádobách dochází vlivem přestupu tepla z okolí k postupnému odpařování, a tedy zvyšování tlaku uvnitř této nádoby. Aby nedošlo k destrukci nádrže, musí být tlak uvnitř nádoby regulován odpouštěním odpařeného vodíku. Pro běžně používané nádrže dosahují ztráty až 3 % hm na den. V některých aplikacích je takto unikající vodík jímán a stlačován do přídavných tlakových lahví. Zkapalňování vodíku je technologicky i energeticky náročný proces. Energie potřebná ke zkapalnění dosahuje přibližně 40 % energie v palivu.
4
Vedle těchto tradičních způsobů skladování existuje ještě velké množství alternativních technologií skladování vodíku. Nejperspektivnější se jeví skladovat vodík vázaný v materiálech, jako jsou alanáty, metalhydridy, nanostruktury uhlíku a další.
Bezpečnost Na úvod je třeba předeslat, že všechna paliva jsou nějakým způsobem nebezpečná. S nadsázkou by se dalo říci, že to je právě ta vlastnost, pro kterou se využívají. Vysoká hustota energie, hořlavost a výbušnost jsou vlastnosti, které jsou společné všem druhům paliv. Skladování těchto látek v prostoru vozidla představuje riziko vznícení, případně výbuchu paliva vně spalovací komory tepelného motoru nebo palivového článku. Vodík není v tomto ohledu výjimkou, přesto je jeho chování v mnoha ohledech velmi odlišné od stávajících fosilních paliv. Vodík tvoří spolu se vzduchem hořlavou a výbušnou směs v širokém rozsahu koncentrací (475 % objemu pro hořlavou směs a 19-59 % objemu pro výbušnou směs); při rychlé expanzi může dojít k samovznícení; vodík má velmi nízkou zápalnou energii, již velmi malý elektrostatický náboj může iniciovat vzplanutí paliva, nízká viskozita a malá velikost vodíkové molekuly kladou zvýšené nároky na utěsnění palivové soustavy. Únik vodíku není možné rozpoznat lidskými smysly. Velmi nízká hustota plynu napomáhá rychlému rozptylu do okolí, a tedy rychlému snížení koncentrace pod zápalnou mez. Nebyly zjištěny toxické účinky na člověka, při hoření nevznikají toxické zplodiny; za denního světla není vodíkový plamen téměř viditelný. Přestože většina výše uvedených parametrů je z hlediska bezpečnosti oproti běžným palivům méně příznivých, mnoho praktických zkoušek prokázalo menší destrukční účinky vzplanutí vodíkové nádrže na vozidlo i menší riziko pro posádku.
Obr.č. 3 Test úniku a následného vznícení vodíku vs. stejná situace s vozidlem na benzin.
Test úniku a vznícení vodíku z vozidla Při destrukci nádrže stoupá vodík díky své nízké hustotě velmi rychle vzhůru a případný požár vzniká ve větší míře vně vozidla. K zvýšení bezpečnosti přispívá i menší množství paliva skladovaného ve vozidlech. Bezpečnost se dá dále zvýšit vhodným umístěním skladovací nádrže (u autobusu například na střechu vozidla). Velké množství dopravních prostředků v rámci demonstračních projektů na celém světě denně prokazuje, že je vodík pro tyto účely dostatečně spolehlivé a bezpečné palivo.
Vodíkové palivové články Palivový článek je zjednodušeně řečeno zařízení, které dokáže přetransformovat elektrochemickou energii vzniklou reakcí H2 + O2 na energii elektrickou. Tento způsob neprodukuje žádné emise CO2 a jiných skleníkových plynů a tudíž se jeví jako ideální zdroj budoucího pohonu aut. Tyto palivové články mají velice solidní účinnost až 60 procent. Tento způsob už byl vyzkoušen několika světovými automobilkami.
5
Obr.č.4 Princip palivového článku
Princip palivového článku Nejsnáze jej lze objasnit na palivovém článku s polymerní membránou. Tento článek se skládá ze dvou elektrod, na jejichž povrchu se nachází slabá vrstva uhlíku obsahujícím malé množství platiny, která zde slouží jako katalyzátor. Elektrody jsou od sebe odděleny tenkou polymerní membránou, která propouští kladně nabité ionty - protony (u katexové membrány). Vodík je přiváděn na anodu, kde na vrstvě katalyzátoru dochází k jeho disociaci na kladné ionty (protony) a elektrony. Protony procházejí skrze polymerní vrstvu, elektrony jsou nuceny procházet externím okruhem a mohou tedy konat užitečnou práci. Palivové články jsou v současnosti technologicky velmi vyspělá a bezpečná zařízení. Jejich komerčnímu rozšíření brání prozatím jejich vysoká cena daná stupněm vývoje a převážně kusovou výrobou a v neposlední řadě cenou použitých materiálů. U nízkoteplotních palivových článků je to především cena fluorovaných membrán a platiny, u vysokoteplotních potom cena materiálů schopných odolat vysokým teplotám a korozivnímu prostředí. Cena palivového PEM článku je v současnosti přibližně 3 000-4 000 USD/kW. Přední výrobci však již dnes garantují budoucí cenu/kW srovnatelnou se špičkovým spalovacím motorem.
Využití palivového článku pro autobus Autobus využívá pokročilé hybridní technologie s cílem optimalizace energetických toků ve vozidle. Základním zdrojem energie je elektřina z palivových článků (výrobce Proton Motor, výkon cca 60kWe), dále baterie Li-ion ( 10 kwh, 40 a ultrakapacitory (1,2 kWh, 200 kW ! ) pro rekuperaci energie při brzdění a k pokrytí proudových špiček při rozjezdu. Ty snižují spotřebu vodíku. Spolupráci všech zdrojů energie řídí systém, který optimalizuje tok energií v systému napájení trakčního motoru. Tento systém umožňuje rekuperaci energie do sekundárních zdrojů (například při jízdě z kopce, deceleraci atd.) a její opětovné využití v energeticky náročných režimech (např. akcelerace). Toto uspořádání umožňuje využít palivový článek, primární energetický zdroj, s relativně malým výkonem. Nad rámec běžných palubních ukazatelů je pro autobus vyvinuto MMI rozhraní, které sdružuje ovládací, vizualizační a bezpečnostní funkce související s vodíkovým pohonem.
Vodíkový pohon v ČR V současné době na českých silnicích jezdí první vodíkový autobus –TriHyBus. Název je zkratkou anglického názvu Triple Hydrogen Hybrid Bus.
6
Unikátní TriHyBus byl vyvinut českými odborníky v Ústavu jaderného výzkumu v Řeži. Výsledkem práce vědců a techniků je celosvětově unikátní vozidlo s trojitě hybridním pohonným systémem. Vývoj autobusu poháněného elektřinou z vodíku začal v roce 2005. Od září 2009 se stal součástí MHD Neratovice. Vozidlo unikátně kombinuje tři druhy pohonu, aby mělo co nejmenší spotřebu zatím drahého vodíku. V Neratovicích také vznikla první vodíková čerpací stanice v ČR. Tento autobus je důkaz, že vodíkový pohon není hudbou až tak vzdálené budoucnosti. Systém palivových článků u tohoto autobusu pracuje takto: 1. vodík, který je uložen v nádrži pod neustálým tlakem 700 bar, reaguje se vzdušným kyslíkem 2. elektrický proud jako výsledek této reakce pohání elektromotor 3. vodní pára, která vzniká jako další produkt, uniká do ovzduší Neuvěřitelná je rychlost tankování vodíku do nádrže, to zabere pouhých 10 minut. Zajímavý je také systém uložení pohonu: ten je uložen na střeše autobusu. Celý pohon je výborně chráněn a zároveň nijak neomezuje prostor pro posádku autobusu. Autobus nespaluje vodík místo nafty, ale jeho energii mění v palivovém článku přímo na elektrický proud. Proto trakci vozidla zajišťují, podobně jako u trolejbusu, elektromotory.
7
Základní technické údaje TriHyBus Délka Hmotnost Podvozek Primární zdroj energie Typ
12 metrů 14 tun IRISBUS Citelis 50 kW PEM vodíkový palivový článek
Sekundární zdroje energie
Li-ion akumulátor o kapacitě 10 kWh (max. výkon 40 kW, ultrakapacitory (4 x 18F, max. 200 kW, 1,2 kWh )
Skladování vodíku
4 kompozitní tlakové nádrže (celkem 800l, 30 MPa ~ 20 kg H2) na střeše
Doba tankování plné nádrže Dojezd na jedno natankování Maximální rychlost Spotřeba vodíku
10 minut 300 km 65 km/h (elektonicky omezena) 7,5 kg / 100 km, (ekvivalent 20 l nafty/ 100km)
Porovnání s praxí Na základě spolupráce s Dopravním podnikem města Jihlavy jsem vypracoval následující porovnání autobusu Karosa na naftu a autobusu TriHyBus na vodík. Základní technické údaje- KAROSA IRISBUS CITELIS Délka(m) Spotřeba(l nafty na 100 km) Objem nádrže (l) Cena za plnou nádrž (Kč) Denně (km) Dojezd (km) Údaje poskytl DP Jihlava
12 42 250 1092 412 105
Základní technické údaje - VODÍKOVÝ AUTOBUS Délka(m) Spotřeba(kg H2) Objem nádrže (kg) Cena za 100 km (Kč) Denně (km) Dojezd (km)
12 7,5 20 37,50 412 300
8
Nasazení vodíkových autobusů v MHD Jihlava by znamenalo: 1. značný pokles emisí - uvolňovaný CO blokuje okysličení krve v plicích tím, že se váže na krevní barvivo, vyšší koncentrace v ovzduší mohou způsobovat citlivým osobám alergické reakce Množství CO v g/kWh 1,6 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Karosa
Trihybus
2. snížení ceny dopravy – na 100 km 1054,50 Kč → to je 96,5% současné ceny (ovšem neuvažuji vysoké pořizovací náklady pro Trihybus)
Cena paliva na 100 km 1200 1050 900 750 600 450 300 150 0 Karosa
Trihybus
Dle informací z Dopravního podniku města Jihlavy ujedou vozy MHD v krajském městě za jeden kalendářní rok cca 1 453 000 km. Kdyby byly např. pouze teoreticky všechny naftové autobusy nahrazeny TriHyBusy, došlo by k úspoře 15 321 875 Kč (15 866 750 Kč - 544 875 Kč). Toto je jeden ze vstupních údajů pro analýzu, jak financovat vysoké pořizovací náklady TriHyBusů – 1 000 000 €-25 000 000 Kč za kus . Nyní totéž udělám pouze pro 1 autobus na lince, která denně najezdí 412 km, což je asi reálnější díky jeho vysoké pořizovací ceně. Zde by nahrazení jediného autobusu znamenalo úsporu 1 585 575 Kč za rok. Ovšem zlepšení kvality ovzduší a snížení alergií a dalších onemocnění lze penězi těžko vyjádřit.
9
Závěr: Dovolte mi říci pár slov na úplný závěr mé práce. Práce na tomto projektu mě obohatila o některé velmi cenné zkušenosti a skutečnosti z oblasti pohonu motorových vozidel. Oblast automobilového průmyslu mě velice zajímá a jsem překvapen, že výzkum vodíkového pohonu už je v podstatě připraven k praktickému použití. Též si myslím, že jsem ve své práci došel k velice zajímavým údajům, zejména co se týče finančního hlediska. Vodíkové technologie jsou sice dnes ještě poměrně drahé, ale už dnes se jejich používáním dají ušetřit docela velké peníze. Tyto technologie budou po svém zavedení do sériové výroby podle mého názoru nadále zlevňovat. Proto se snad nemusíme obávat, že očekávaný úbytek fosilních paliv bude znamenat omezení automobilového průmyslu. Také je možné očekávat, že nástup vodíkových pohonů přispěje ke snižování emisí skleníkových plynů. O důležitosti tohoto tématu svědčí i titul Český energeticko-ekologický projekt 2008 pro zástupce Ústavu jaderného výzkumu Řež z rukou ministra dopravy ČR Gustáva Slamečky , udělený dne 10.11.2009.
Poděkování Mé poděkování patří: Mgr. Evě Lemberkové – koordinátorka projektu p. Šramlovi - Dopravní podnik města Jihlavy
Zdroje informací www.cenia.cz www.idnes.cz www.h2bus.cz DP města Jihlava
Obrazová příloha
Obr.č. 5
Motor TriHyBusu
Obr.č. 7 TriHyBus – pohled zepředu
Obr.č. 6 - TriHyBus – pohled zboku
Obr.č. 8 TriHyBus
10
Obr.č. 9
Čerpací stanice H2
Obr.č. 10 Trihybus
11
