Naplňte se vodíkem

S váhou téměř 2 600 kilogramů se statný vůz z předměstské detroitské skunkové továrny DaimlerChrysler jeví jako nepravděpodobné auto budoucnosti. Linky jsou zřetelně pozdní 20. století. Naskočte na sedadlo řidiče a budete se cítit jako ve vašem standardním sportovním užitkovém vozidle (SUV). Ale odklopte kapotu a okamžitě je jasné, že to není obyčejný hltač plynu: Místo spalovacího motoru se nachází sofistikovaná palubní rafinerie – palivový procesorový systém vysokotlakých plynových potrubí, kompresorů a chemických reaktorů, které přeměňují metanol na plynný vodík.

Tato pohyblivá laboratoř v hodnotě mnoha milionů dolarů – Jeep Commander II – dodává vodík do dvou zásobníků palivových článků, které tiše kombinují vodík a kyslík v chemické reakci, která generuje dostatek elektřiny, aby se SUV řítilo po dálnici. Provoz vozu je čistý a efektivní, generuje pouze vodu, oxid uhličitý a nějaké náhradní teplo. Chybí toxické látky znečišťující ovzduší a jemné saze, které chrlí z výfuků většiny vozidel.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z listopadu 2000

• Viz zbytek čísla
• předplatit

DaimlerChrysler a jeho partneři – kanadský vývojář palivových článků Ballard Power Systems a konkurenční automobilka Ford Motor Co. – věří, že vozidla s palivovými články mohou poskytovat výkon a výkon, na který jsou dnešní řidiči zvyklí. Commander II ukazuje, jak těžká to je výzva. Zatímco vozidlo představuje nejmodernější technologii palivových článků, jeho motoru trvá zahřátí půl hodiny a jeho sériová výroba by stála několiknásobně více než u standardního V6. DaimlerChrysler však tuto mezeru uzavírá. Jeho další demo s palivovými články, hatchback, který bude představen již letos na podzim, bude obsahovat palivový článek s dvojnásobnou silou než Commander II. Nejen, že jeho palivový procesor bude vážit o polovinu méně, ale nastartuje se za méně než minutu.

Právě tento typ stálých a podstatných vylepšení technologie palivových článků přesvědčil mnoho výrobců automobilů a ropných společností, že spalovací motor konečně dosáhl svého. Tváří v tvář přísnější regulaci výfukových emisí několik výrobců automobilů investuje značné prostředky do vedení přechodu. DaimlerChrysler, Ford a Ballard utratily téměř 1 miliardu dolarů za palivové články a plánují do roku 2004 utratit nejméně miliardu navíc na zahájení sériové výroby vozidel. Cílem je odvézt palivové články z továrny skunk do showroomu. Velká většina našich lidí, kteří pracují na palivových článcích, pracuje na výrobním programu, říká Bruce Kopf, ředitel TH!NK Technologies, společnosti Ford na výrobu elektromobilů.

Do závodu se zapojili konkurenti Ford a DaimlerChrysler spolu s hlavními dodavateli dílů. Čtyři největší japonští výrobci automobilů investovali za posledních deset let do palivových článků více než 850 milionů dolarů a několik z nich se zavázalo komercializovat tuto technologii – možná ještě před DaimlerChrysler a Ford.

Tyto společnosti jsou nadšené z palivových článků, protože spalovací motor je stále těžší vylepšit. I ty nejsofistikovanější konstrukce budou mít potíže se splněním přísnějších emisních norem, které budou brzy zavedeny v Kalifornii a několika státech na východním pobřeží. A čištění spalovacího motoru začíná zvyšovat jeho náklady. Po 100 letech vylepšování naráží technologie spalování na své limity.

Palivové články jsou také přitažlivé, protože zbaví elektromobily napájení z baterií, které dnes poskytují nejčistší auta na silnicích, ale zároveň je odsoudí na mezeru na trhu. Auta na baterie jsou rychlá a citlivá a téměř tichá bez chrastění a hučení pístů. Tyto vlastnosti však byly zastíněny omezeným dojezdem vozidel. Baterie se prostě příliš nezlepšily od doby, kdy byly téměř před stoletím vyhnány ze silnice spalovacím motorem. Přirozená omezení elektromobilu ho v podstatě odsuzují k velmi malému provoznímu dojezdu, a to je dnešní příběh, říká historik Robert Casey, kurátor dopravy v Muzeu Henryho Forda v Dearbornu, Michigan. Elektromobil je automobilem budoucnosti. posledních sto let.

Membránová magie

Jedním ze způsobů, jak prodloužit dojezd elektromobilu, je převážet palivo a vyrábět elektřinu na palubě. To je přístup používaný hybridními benzinovými a elektrickými vozy, jako je Toyota Prius, která se letos v létě dostala do showroomů v USA. Prius využívá malý, účinný spalovací motor a hromadu baterií, které doplňují motor při akceleraci a absorbují výkon od kol při brzdění. Problém tohoto řešení spočívá v tom, že je ze své podstaty komplikované a nákladné, protože kombinuje technologie elektrického a mechanického pohonu. Robert Winters, analytik energetických technologií u Bear Stearns v New Yorku, říká, že Prius je silně dotován, a přemýšlí, zda budou hybridy někdy dostupné. Máte tam redundantní motorový systém. Jak to hodláte překonat?

Vstupte do palivového článku. Na rozdíl od baterií, které ukládají náboj, palivové články vyrábějí elektřinu za chodu. Mějte dostatek paliva a palivový článek doveze vaše elektrické vozidlo, kamkoli budete chtít. Winters říká, že palivové články se rychle stávají komoditou a vozidla s nimi by mohla snadno tvořit několik procent z přibližně 60 milionů automobilů, které se budou celosvětově vyrábět do roku 2010.

Přestože se palivové články dodávají v půl tuctu variant, využívajících různá paliva a materiály, jedna verze se ukázala jako jasná favoritka pro automobilové použití: palivový článek s protonovou výměnnou membránou (PEM). PEM článek je pevný a kompaktní a pracuje při relativně chladných 80 C. Srdcem článku PEM je pryžová plastová membrána potažená platinovým katalyzátorem. Katalyzátor štěpí plynný vodík na protony a elektrony; membránou mohou procházet pouze protony. Elektrony putují kolem membrány a generují drahocenný elektrický proud, než se rekombinují s protony a kyslíkem na druhé straně membrány za vzniku vody. Skládání série těchto membránových katalyzátorových sestav nebo článků znásobuje napětí.

Stohy PEM osvětlovaly kosmickou loď Gemini, která kroužila kolem Země v 60. letech 20. století, ale vytvářela proud elektřiny příliš slabý a drahý pro komerční aplikace – nemluvě o automobilových motorech. Na konci 80. let pak výzkumníci z Los Alamos National Laboratory učinili velký pokrok v oblasti katalyzátorů a snížili o 90 procent potřebné množství platiny. Ballard znásobil hustotu výkonu komínu – výkon vrácený na jednotku vzácného prostoru ve vozidle, který zabírá – tím, že se naučil, jak udržet membrány šťastné (mokré, ale ne promočené) a zdokonalil potrubí, které přes komíny přenáší vodík, kyslík a vodu. Ballard se sídlem v Burnaby, BC, má téměř 400 vydaných nebo čekajících patentů na ochranu svého vedoucího postavení v technologii PEM.

Před dvěma lety Ballard překonal minimální hustotu výkonu pro automobily – 1 000 wattů na litr – se zásobníkem Mark 700, z nichž dva pohánějí Commander II. Ballard's Mark 900 stacks, vydané začátkem tohoto roku, vydávají až 1 350 wattů na litr. To je hustota výkonu, která je pro dnešní vozidla praktická, říká Paul Lancaster, Ballard viceprezident pro finance. Jinými slovy, auto sbalící se do takové kupy by mělo zrychlit rodinný silniční stroj včetně zavazadel se stejnou chutí jako spalovací motor.

Řízení kolem překážek

Ale držte se své šekové knížky, protože zbývá ještě více práce, aby bylo vozidlo s palivovými články praktické. Všechny jeho systémy jsou příliš nákladné – dokonce dražší než naložení baterií do auta – a dodávání vodíku do komínů je stále boj.

Ballardovou hlavní výzvou je výroba levnějších stohů. Společnost spolupracuje se společnostmi Ford a DaimlerChrysler na optimalizaci svých návrhů zásobníků pro levnou, automatizovanou výrobu. A aby dosáhl kritického množství výroby, Ballard komercializuje palivové články na několika trzích současně – nejen ve vozidlech, ale i v přenosných generátorech energie, obytných generátorech a stacionárních elektrárnách. Lancaster stanoví bod zvratu na přibližně 300 000 stacků ročně. V rámci možností jsme použili společné materiály a běžné výrobní procesy napříč produktovými řadami, takže k dosažení tohoto objemu nemusíme vyrábět palivové články pro 300 000 vozů.

DaimlerChrysler a Ford se mezitím zaměřují na výrobu zbytku vozu. Jejich největší bolestí bylo udržovat komíny napájené vodíkem. Problémem s palivovými články se stala paliva. Už to není palivový článek, říká Mohsen Shabana, který jako programový manažer vozidel s palivovými články v provozu inženýrských technologií DaimlerChrysler v Rochester Hills, Michigan, odpovídá za provoz Commander II. Všechna tři paliva, o kterých výrobci automobilů uvažují – benzín, metanol a vodík – představují vážné problémy.

Extrakce vodíku z benzinu na palubě by umožnila bezproblémový přechod na vozidlo s palivovými články, protože benzin je všude. Ale rafinace plynu za pochodu je obtížná. Reakce probíhají při teplotě nad 800 C, takže zařízení se spouští pomalu a chemie je temperamentní; i když se tento proces běžně používá v chemických výrobních závodech a ropných rafinériích k výrobě průmyslových objemů vodíku, jeho mačkání pod kapotou je složité. Dalším nevyřešeným problémem je ochrana palivového článku před katalyzátorem otravující sírou v benzínu.

Navzdory technologickým výzvám společnosti General Motors a Exxon Mobil nedávno oznámily společný vývoj procesoru benzínového paliva a uvedly, že demonstrační vozidlo využívající palivové články poháněné procesorem by mohlo být připraveno do 18 měsíců. Automobilka tvrdí, že zatímco vodík bude pravděpodobně palivem budoucnosti, technologie zpracování benzínu poskytne kritický přechod k tomu, aby auta s palivovými články byla praktická.

Jiní nejsou ochotni čekat na benzinový procesor. DaimlerChrysler vyvíjí metanolový systém. Některé palivové články běží přímo na metanol místo vodíku, ale odborníci na palivové články tvrdí, že tato technologie je nejméně sedm let daleko od úrovně účinnosti potřebné pro pohon automobilu. Takže používat metanol jako palivo dnes znamená extrahovat jeho vodík. Metanol je snazší cíl než benzín, protože neobsahuje síru a poskytuje vodík při relativně mírných 300 C. Ale rafinace metanolu je stále složitý proces zahrnující mnoho kroků, z nichž každý musí probíhat při určité teplotě.

Metanolový procesor pod kapotou Commanderu II vytěží dostatek vodíku, aby vozidlo mezi tankováními metanolu urazilo pod 200 kilometrů. Dojezd je omezen malou velikostí palivové nádrže - důsledek objemného procesoru paliva. Velkým nedostatkem však je, že procesor paliva se zahřeje půl hodiny, což je o půl hodiny déle, než jsou řidiči ochotni čekat. Problém je v tom, že procesor používá páru k uvolnění vodíku a nabrat páru zabere čas – stejně jako tomu bylo u parních vozů z počátku 20. století.

DaimlerChrysler, Ford a Ballard tvrdí, že pracují na řešení: palivovém procesoru nové generace, který k nastartování výroby vodíku používá spíše katalyzátor než páru. Nový systém je mnohem menší – o něco větší než kartotéka – a váží o polovinu méně než zvíře, které se mačká pod kapotou velitele II. Ale tento důmyslný malý procesor na palivo má dlouhou životnost. Ford i DaimlerChrysler plánovaly tuto technologii předvést v předváděcích vozech letos na jaře, ale na okruhu autosalonu se objevil pouze Ford’s – a jeho palivový procesor nefungoval. Kopf z Fordu říká, že se tyto dvě společnosti rozhodly spojit své zdroje – včetně vzácných automobilových inženýrů, kteří jsou spokojeni s komunikačními systémy elektromobilu –, aby procesor zprovoznili v dalším koncepčním voze DaimlerChrysler. Systém je tak komplikovaný a má mnoho počítačů, které spolu mluví, říká Kopf. Na světě není mnoho lidí, kteří by byli schopni toto spustit.

Zatímco tito elitní inženýři lámou hlavu nad katalyzátory a ovládacími prvky, narůstají pochybnosti o životaschopnosti metanolu jako spotřebitelského produktu. Metanol je ošklivá látka – nejen že může být při požití smrtelný, ale dokonce i jeho potřísnění na kůži může způsobit slepotu a selhání jater a ledvin. A protože se metanol rozpouští ve vodě, představuje hrozbu pro podzemní zásoby pitné vody. To znervózňuje ropné firmy; už se snaží dostat z benzínu aditivum do paliva na bázi metanolu MTBE (methyl terciární butyl ether) poté, co se tato nechutně chutnající chemikálie začala objevovat v kalifornské pitné vodě.

Nejviditelnějším řešením je samozřejmě přímé použití vodíku jako paliva. To by eliminovalo potřebu reformátoru a také oxid uhličitý, který otepluje klima, který vytváří (ačkoli by se určité množství CO2 stále uvolňovalo při výrobě vodíku z fosilních paliv, což je dnes nejběžnější metoda). Problém je v tom, že zatímco vodík obsahuje více energie na hmotnost než jakékoli jiné palivo (asi třikrát více než benzín), je těžké nacpat velkou část tohoto energetického plynu do palivové nádrže. Přibalte si komerčně dostupnou nádrž na stlačený plyn s vodíkem a uveze vaše vozidlo sotva 150 kilometrů – ne dále než dnešní nejlepší autobaterie. Vodík je také nejmenší z molekul a proklouzne i těmi nejmenšími otvory – což je vzhledem k jeho charakteristické hořlavosti znepokojivá vlastnost. (Pamatujete na Hindenburg?) DaimlerChrysler tlačil předváděcí vůz 450 kilometrů pomocí nádrže na kapalný vodík, ale kryogenní technologie pro skladování paliva při -253 C (pouhých 20 stupňů nad absolutní nulou) není pro masové trhy zralá. A hodně štěstí při hledání vodíkové čerpací stanice – na celém světě je jich jen půl tuctu.

Dostupnost vodíku se však může stát menším problémem, protože velké ropné společnosti čelí výzvě distribuce plynu. Graham Batcheler, prezident Texaco Energy Systems, dceřiné společnosti ropného gigantu v oblasti pokročilých paliv v Houstonu, říká, že společnost věří, že palivový článek nahradí spalovací motor na dlouhou trať. Považuje za nevyhnutelné, že řidiči budou tankovat vodík – a chce, aby to dělali na stanici Texaco. Spíše než bojovat za ochranu své benzinové franšízy, Texaco investuje do klíčové technologie, která umožní čerpání vodíku: pokročilé skladovací nádrže.

Jednou z možností, jak vyřešit problém s vodíkovou náplní, je jednoduše přehodnotit kompresi. Silnější nádrže mohly stlačit vodík na vyšší tlaky nebo radikálně přepracované rámy vozidel mohly pojmout masivní, ale podivně tvarované nádrže. Další možností je zabalit nádrže plné materiálů, které vážou vodík, zpomalují molekuly bez zkapalnění plynu. Ukázalo se například, že grafitová vlákna se složitými nanostrukturami absorbují více než 20 procent hmotnosti vodíku, což umožňuje nacpat do nádrže mnohem více plynu.

Konzumní vize

Vzhledem k výzvám Johannes Ebner, výkonný ředitel programu palivových článků DaimlerChrysler odpovědný za palivovou infrastrukturu, uznává, že dřívější odhady společnosti uvedení 20 000 až 40 000 vozů na silnice v roce 2004 nyní vypadají nerealisticky: Půjde o velmi omezenou produkci. Ballard, DaimlerChrysler a Ford začnou testovat své technologie na spotřebitelích příští rok v Kalifornii, kde v roce 2003 vstoupí v platnost přísné požadavky na vozidla bez znečištění. výrobci článků a několik velkých ropných společností) plánuje umístit 60 automobilů a autobusů s palivovými články na silniční vozidla s palivovými články z rukou pečlivých inženýrů a do rukou náročných spotřebitelů.

Tyto kalifornské vozy, stejně jako Commander II, budou vyrobeny na zakázku. Skutečný test palivových článků nastane, až se na silnice vydají sériově vyráběné vozy – což se Ford i DaimlerChrysler v roce 2004 zavázaly udělat, přestože věděly, že na nich přijdou o peníze. Prohlásili jsme, že budeme mít vozidla v rukou veřejnosti a existují programy, jak to udělat, ale to neznamená, že jsou komerčně životaschopné, říká Kopf z Fordu. Připouští, že auta na palivové články jsou nyní mnohem dražší než auta na baterie, která sama o sobě nejsou levná. Ford by si musel účtovat nejméně 35 000 dolarů, aby pokryl náklady na svůj akumulátorový pick-up Ranger, téměř třikrát více, než je cenovka, která mu vyhrává zisk za prostý Ranger se spalovacím motorem.

Proč automobilky plánují přijít o peníze? Kopf říká, že vždy existuje možnost, že se technologie vyplatí dříve, než se očekávalo. Nestabilita na Středním východě by například mohla vystřelit benzín na 5 dolarů za galon, což by Američany přimělo hledat úsporu paliva stejně jako ropná krize v 70. letech. Chceme mít vyvinutou základní inženýrskou schopnost – abychom věděli, kde jsou problémy a kde musíme zjednodušit. Chceme být připraveni.

Ale říká, že hlavní motivace je dlouhodobá. Palivový článek slibuje, že automobil bude udržitelný, sníží znečištění a osvobodí ho od ropné politiky – a zajistí, že Ford dokáže v tomto století zabíjet stejně jako v minulém století. Velkou přitažlivostí palivových článků je příslib nulových emisí z výfuku, potenciálně žádné emise skleníkových plynů a energetická nezávislost, říká Kopf. To jsou svaté grály automobilového průmyslu.

Při pohledu do budoucnosti si Kopf představuje svět, ve kterém elektřina z obnovitelných zdrojů, jako jsou větrné a solární články, generuje vodík z vody – opak procesu s palivovými články – pro pohon flotily vozidel s palivovými články. Mohli byste vyrobit palivový systém a vozidlo, které produkuje nulové skleníkové plyny a nulové emise z výfuku – cyklus vodík-kyslík-voda, který je trvale udržitelný. To je konečný cíl.

Dalo by se očekávat, že takové řeči znervózní vedoucí představitele společnosti DaimlerChrysler, která nedávno oznámila program krachu na snížení operací ve výši 2 miliard dolarů, aby zmírnila obavy akcionářů z klesajících cen akcií a slabých výnosů. Ale Ebner říká, že předseda představenstva DaimlerChrysler Juergen Schrempp osobně chrání úvěrovou linku programu palivových článků ve výši 1 miliardy dolarů jako potrubí do budoucnosti. Schremppova vize zní ještě mesianisticky než Kopfova.

V nedávném projevu na World Engineers Convention vyzval inženýr, který se stal obchodním lídrem, inženýry z celého světa, aby zahodili své projekty a skočili do rozjetého vlaku s palivovými články. Schremppovo zdůvodnění? Zajistit, aby budoucí generace nebyly zavaleny globální změnou klimatu a ekonomickými dislokacemi v důsledku klesajících zásob ropy. Všichni sdílíme odpovědnost za provedení tohoto projektu, za odpovědnost za provedení tohoto projektu, za převzetí odpovědnosti je součástí důstojnosti lidských bytostí.

SPOLEČNOSTI STRATEGIE PLÁNY DaimlerChrysler , Ballard Power Systems , a Ford Motor Partnerství za účelem komercializace palivových článků, procesorů paliv a elektrických pohonů. Ballard se zaměřuje na snižování nákladů na palivové články, zatímco DaimlerChrysler a Ford předvádějí integrovaná vozidla na stlačený vodík, kapalný vodík a metanol. Naplánováno předvedení 30-40 vozidel v Kalifornii v letech 2001 až 2003. Navrhování modelů pro omezenou výrobu v roce 2004. GM a Toyota Partnerství na elektromobilech. Obě společnosti, vedoucí v oblasti bateriových a benzinově-elektrických hybridních technologií, vyvinuly plně funkční koncepční vozy s palivovými články, palivové články a systémy skladování vodíku. Očekávejte, že vozy s palivovými články budou připraveny na komercializaci do roku 2004. Pokračující investice do procesorů benzinových paliv. Honda Býčí o jeho ultračisté technologii vnitřního spalování, ale také o investicích do palivových článků. Honda postavila koncepční vozy s palivovými články se zásobníky Ballard a proprietárními zásobníky, ale vybavení zabírá prostor pro cestující vzadu. Plánuje mít připravený balíček technologií pro komercializaci vozů s palivovými články do roku 2003, ale zatím neoznámil výrobní plány. Nissan Upravil své kombi napájené bateriemi pro přepravu palivových článků Ballard a procesoru metanolu, ale vybavení zabírá prostor pro cestující vzadu. Další prototyp pro uložení vybavení pod podlahu. Automobily s palivovými články by mohly vyrábět již v roce 2003. BMW, International Fuel Cells a Delphi Automotive Systems se spojily s cílem nahradit baterie pomocnými energetickými jednotkami s palivovými články (APU) v automobilech poháněných spalovacím motorem. Do roku 2005 plánuje komercializaci APU s palivovými články.

skrýt