Hoci je vodík na prvý pohľad najzelenšou formou energie budúcnosti, technologicky je určený skôr pre kontinuálnu automobilovú nákladnú i železničnú dopravu viac ako pre priestorovo obmedzené osobné automobily. Čisto batériová technológia je na osobnú prepravu vhodnejšia. Recyklácia je podľa Slováka, ktorý ich vyvíja pre BMW, priemyselným odvetvím budúcnosti.

Keď to chlapec z provinčného mestečka Stará Ľubovňa na severovýchode Slovenska dotiahne na pozíciu šéfa výskumného tímu japonského elektronického gigantu Panasonic, ktorý je dvorným vývojárom batériových systémov pre luxusnú značku elektromobilov z Bavorska, novinári o ňom zvyknú hovoriť v superlatívoch. Na prvý pohľad je to chrumkavý príbeh hodný hollywoodskeho spracovania. Niečo na spôsob Jamala Malika, hrdinu filmového hitu z roku 2008 s názvom Milionár z chatrče.

Rastislav to dokázal, lebo je to tvrdý chlapík. Pracoval do úmoru a celé dni, týždne a mesiace sa vracal domov až neskoro v noci. Svojou pracovitosťou a chápaním širších súvislostí novodobých technológií svojich nemeckých kolegov motivoval. A tí rešpektovali, že zákazníkovi i šéfom zapadal práve jeho profil pracanta do ich koncepcie sveta.

Ako mládenec na Technickej univerzite v Košiciach si život užíval plnými dúškami. Študoval na elektrotechnickej fakulte, kde mu solídnu bázu poskytli vysoké nároky na matematiku a fyziku a technológiu. Hlavným objektom jeho záujmu však bolo lietanie. Školu robil akoby ľavou zadnou popri všetkom tom čase, ktorý strávil na letisku pri vetroňoch.

Keď sa rozprávame o tom, na čom v Dolnom Sasku pracuje, jeho prvá otázka je, koľko času máme na rozhovor. Je presvedčeným  ekologickým  aktivistom a na svet závislý od fosílnych palív má jasný názor. „Ako môže byť ľudstvo také hlúpe a myslieť si, že keď si otrávime vzduch, ktorý všetci dýchame, nebudeme niesť za to následky,“ vraví pri prvom dúšku piva.

Elektrifikácia dopravy je neodvrátiteľná nevyhnutnosť

Trend zdravého spôsobu života dominuje Európe a priemyselne vyspelým krajinám minimálne posledné desaťročie. Je to nevrátiteľný duch modernej doby. Ľudia chcú nielen jesť zdravé potraviny a piť čistú vodu, ale čoraz intenzívnejšie si uvedomujú, že pre zdravý život potrebujú dýchať neznečistený vzduch.

Preto je ekonomika založená na spaľovaní uhľovodíkov odsúdená na útlm, ktorú vystrieda portfólio zložené z využitia všetkých foriem elektrotechnológií.

Kľúčové je spojenie troch rozhodujúcich faktorov. Po prvé, dopyt po zdravom vzduchu bude neustále rásť. V mestách, kde je veľká koncentrácia ľudí, je znečistenie vzduchu spaľovacími motormi jedným z najvážnejších problémov. Napríklad v Číne trh s čistením vzduchu prekvitá. Tak ako éru uhlia a pary vystriedala doba benzínu a nafty najskôr v priemyselných krajinách, teraz v nich prichádzajú časy elektrifikácie automobilizmu. Batérie sa stanú katom ropnej doby.

Zamorený vzduch nevyvediete z mesta preč ako napríklad vodné splašky do čističky. Druhým dôvodom je efektivita. Nič nevieme previesť na pohybovú energiu tak efektívne ako elektrinu.

Tretím dôvodom je priemyselná zrelosť a ovládnutie technológie výroby aj riadenia batériových článkov i pokrok v technológii vodíkových palivových článkov na polymérovej membránovej báze.

Z týchto troch rôznych uhlov pohľadu vyplýva, že elektrifikácia dopravy je neodvrátiteľná.

Priemyselné využitia alternatívnych zdrojov energie pre automobily budúcnosti sú v podstate dva. Buď sú to vodíkové palivové články, alebo batérie. Obidve technológie majú svoje výhody aj nevýhody.

Kým vodíkový palivový článok je vzhľadom na povahu tankovania a priestorovej náročnosti vhodnejší na profesionálne využívanie dopravných prostriedkov vo verejnej či nákladnej doprave, v osobných autách s limitovaným časom užívania vozidla i priestorovým limitom je podľa Rastislava ekonomickejší batériový pohon.

Vodík

Výhody vodíka sú dané jeho fyzikálnymi vlastnosťami. Ako prvok s protónovým číslom jedna je najľahším a zároveň najrozšírenejším prvkom vo vesmíre. Tým, že je pätnásťnásobne ľahší ako vzduch a extrémne reaktívny, sa vo forme voľného plynu v zemskej atmosfére prakticky nevyskytuje, obrovské zásoby vodíka sú však viazané vo vode a aj v ďalších uhľovodíkových zlúčeninách.

Vodík je horľavý a v zmesi s kyslíkom výbušný. Výhodou chemickej reakcie s kyslíkom  je, že pri spaľovaní alebo reakcii v palivovom článku z vodíka vzniká vodná para, takže je jednoznačne najmenej škodlivým zdrojom energie zo všetkých možných druhov paliva.

Vodíkové palivové články sú súčasnosťou a budúcnosťou dopravy. Fungujú tak, že premieňajú chemickú energiu paliva priamo na elektrickú energiu. Vzhľadom na to, že palivový článok má charakter reaktora, je jeho riadenie zaťažené hysterézou. Prudké zmeny potreby výkonu (zrýchlenie alebo brzdenie) musia byť kryté batériou. To znamená, že každý automobil s vodíkovým palivovým článkom vyžaduje prítomnosť batérie na palube. Tá nemusí byť taká veľká ako pri čisto batériovom automobile, určite však dosiahne 30 – 50 percent ich objemu.

Najrozšírenejšie sú kyslíkovo-vodíkové palivové články s polymérovou membránou a naparenými elektródami katalytických kovov Pt, Rh, na ktorých prebieha elektrochemická reakcia medzi vodíkom čerpaným zo špeciálnej ultra vysokotlakovej nádrže a vzdušným kyslíkom, pričom vzniká elektrická energia a exhalátom je vodná para. Takému autu preto z výfuku kvapká destilovaná voda. Článok pracuje v rozsahu 80 – 100 ˚C. Jeho energetická účinnosť je 40 – 50 percent. Vyžaduje teda pomerne veľkú chladiacu plochu pre 50 – 60 percent tepelných strát. To zvyšuje nároky na vstavaný priestor a je teda vhodnejšie pre rozmernejšie aplikácie ako autobus, lokomotíva, kamión, loď.

Elektrickú energiu však môžeme v palivových článkoch vyrábať aj s využitím iných nosičov vodíka, ako sú napríklad metán či metanol. Pri katalytickej reakcii týchto uhľovodíkových palív je okrem vody exhalátom aj oxid uhličitý.

Práve komplikované skladovanie vodíka zvýhodňuje využitie uhľovodíkov ako medzistupeň pre palivové články. To znamená, že uhľovodíky ako metán alebo metanol sa používajú ako ľahko skladovateľné nosiče vodíka. Takéto palivové články používajúce metán, metanol alebo ďalšie jednoduché uhľovodíky sú však menej účinné ako čisto vodíkový palivový článok a ich sumárna energetická účinnosť masívne klesá.

Vodíková elektromobilita

Elektrina vyrobená redoxnou reakciou vodíka a kyslíka sa využíva na okamžitý pohon elektromotora alebo sa jej prebytok ukladá do akumulátorov, teda batérií, odkiaľ sa čerpá v prípade okamžitej potreby. Preto môže byť výkon elektromotora rádovo vyšší, než je nominálny výkon palivového článku. Autá s vodíkovým pohonom sú teda elektromobily, ktoré si elektrinu vyrábajú samy v palivových článkoch s podporou batérie.

Na funkčnú prevádzku väčšieho motorového vozidla je preto nevyhnutné skombinovať dve technológie, jednu na konštantnú výrobu energie z vodíka a druhú na okamžitú akceleráciu motora z batérií pri stlačení plynového pedála. Takýto spôsob je funkčný pri nákladných autách, nie však pri malých osobných automobiloch.

Je preto pravdepodobné, že vodíková technológia sa uplatní skôr v nákladnej doprave, pri lodiach, lietadlách.

Výroba vodíka

Vodíkový pohon má v dnešnom svete veľa fanúšikov, ale má aj niektoré nevýhody. Zjavnými výhodami vodíkového pohonu je ekologická čistota vody ako exhalátu a rýchle tankovanie vodíka v porovnaní so zdĺhavým nabíjaním batérií.

Nevýhodou vodíkovej technológie je zdroj jeho získavania. V súčasnosti sa vodík ako palivo pre palivové články získava na 95 percent reformáciou zemného plynu, teda zohrievaním zmesi metánu a vodnej pary do momentu rozpadu na H2, CO a CO2. Ide o takzvaný modrý vodík. Jeho otcom je zemný plyn, teda uhľovodík, a všetci, čo sedia na zásobách zemného plynu, sa tomuto trendu nesmierne tešia. Náklady na výrobu vodíka výhrevnosťou jednej megawatthodiny sa v polovici roka 2021 odhadujú na 48 eur.

Až 5 percent vodíka získavame elektrolýzou vody v alkalickom roztoku alebo rozkladom na polymérovej membráne. V takých prípadoch stojí výroba jednej megawatthodiny 118 eur, respektíve 99 eur. Takýto vodík je vzhľadom na svoj pôvod označovaný ako zelený za predpokladu, že na jeho výrobu sa používa len veterná alebo slnečná energia.

Elektrolýza vody je ekologická, ale jej účinnosť dosahuje len okolo 60 percent. Pri účinnosti vodíkového palivového článku v aute 40 – 50 percent je celková účinnosť využitia vodíka v dopravných prostriedkoch nižšia ako 30 percent.

Každý získaný 1 KW z vetra alebo slnka pri užití vodíka v automobilovej doprave bude využiteľný iba z jednej tretiny. Dve tretiny ťažko získanej zelenej energie je cena za rýchle tankovanie a skladovanie vodíka.

Práve pre komplikované skladovanie vodíka predurčuje na využitie v palivových článkoch práve umelé uhľovodíky ako metán alebo metanol, ktoré sú ľahko skladovateľné nosiče vodíka. Palivové články používajúce metán, metanol alebo ďalšie jednoduché uhľovodíky sú však ešte menej účinné ako vodíkový palivový článok a ich sumárna energetická účinnosť masívne klesá.

Masívne rozšírenie

Mnoho krajín sveta už robí opatrenia na podporu budovania vodíkovej infraštruktúry. Na čele sú Nemecko a Japonsko. Cieľom je vybudovať množstvo čerpacích staníc na vodík a výrazne zvýšiť výrobné kapacity na produkciu vodíka. Automobilky sú však primárnym zdrojom inovácií a vyrábajú prototypy vodíkových áut aj áut na batériový pohon.

Aliancie na podporu vodíkových pohonov a infraštruktúry a hlavne na zdieľanie nákladov na ich rozšírenie vytvorili automobilky Daimler, Ford a v Japonsku Toyota, Nissan, Honda.

Napriek tomu, že vodík má oproti čistým elektromobilom na batériový pohon výhody – natankuje sa rovnako rýchlo ako benzín, teda nádrž sa naplní za pár minút a poskytuje dlhý dojazd –, autá s palivovými článkami na vodík sa zatiaľ presadzujú len veľmi pomaly a za elektromobilmi výrazne zaostávajú.

Hlavným dôvodom je energetická neefektívnosť vodíka v porovnaní s priamym nabíjaním elektriny zo siete do batérie, ktorej najznámejším protagonistom je zakladateľ automobilky Tesla Elon Musk. Energetická náročnosť priemyselnej výroby vodíka je zhruba 3-krát vyššia v porovnaní s batériami.

Výroba vodíka je zjavne výhodou hlavne v krajinách s vysokým podielom neskladovateľnej elektrickej energie vyrobenej zo solárnych a veterných elektrární, ktoré môžu výrobu vodíka považovať za spôsob akumulácie energie pri nerovnomernej produkcii elektriny z týchto zdrojov.

Na nový kurz „zelenej“ dopravy reagujú aj producenti tradičných fosílnych palív, ktorí na čerpacích staniciach budujú nielen nabíjačky pre elektromobily, ale mnohé plánujú aj čerpacie stojany na vodík. Výroba vodíka z metánu, ktorý sa zas získava zo zemného plynu, môže byť pre firmy ťažiace ropu a zemný  plyn kompenzačným biznisom, keď raz bude benzínových a naftových motorov menej.

Keďže je uhlíková stopa takto poháňaných modrovodíkových áut stále vysoká, pre ekosystém nie sú výhodné.

Autá na batérie a ich duálne využitie

Trh s elektrickou energiou však má jednu unikátnu charakteristiku, ktorou je okamžitosť. Predá sa len toľko elektriny, koľko sa jej v danej chvíli vyrobí. V niektorých momentoch teda dochádza k obrovskému prebytku energie, najmä tej, ktorá je získavaná z obnoviteľných zdrojov. Tú elektrickú energiu, ktorú nedokážeme v danom momente spotrebovať, však rozšírením podielu elektromobilov na batériový pohon v nich dokážeme uskladniť, ale z nich v prípade potreby elektrickú energiu i čerpať.

V prípade, že podiel plne elektrifikovaných takto duálne využiteľných batérií v automobiloch stúpne, batérie v nich sa de facto stanú ekvivalentom obrovskej prečerpávacej vodnej nádrže na elektrickú energiu. Výhodou navyše je, že pri nich nebude dochádzať k veľkým stratám ako pri prečerpávaní vody.

Podľa Rastislava, ktorý je odborníkom na vývoj týchto systémov, bude systém fungovať, lebo normálny spotrebiteľ potrebuje auto na prepravu do práce a naspäť. To sú povedzme dve hodiny denne a zvyšných 22 hodín auto stojí niekde na parkovisku pripojené na nabíjaciu stanicu.

Elektropohon je oveľa efektívnejší, ľahko sa reguluje a dáva spotrebiteľovi plný krútiaci moment od najnižších rýchlostí automobilu. Preto pre užívateľov nie je dôvod sa po skúsenostiach s elektromobilmi vrátiť k autám so spaľovacím motorom. Skúsenosti motoristov sú jednoznačne pozitívne, lebo nemusia vôbec chodiť na benzínovú pumpu. Autá sa im nabíjajú buď doma v garáži, alebo v práci na firemnom parkovacom mieste.

A fakt, že elektromobily sú momentálne omnoho drahšie ako autá so spaľovacími motormi, je tiež len dočasná nevýhoda. Kým prví kupujúci platia vo vyšších cenách aj výskum a vývoj, s rozšírením elektromobilov sa potvrdí aj platnosť Moorovho zákona elektrotechniky. Ten vraví, že každé dva roky sa zvýši výkon alebo integrácia dvojnásobne. Pri zachovaní rovnakého výkonu môže cena klesnúť na polovicu. To súvisí s tým, čo ekonómovia volajú úspora z rozsahu.

Zjavnou nevýhodou elektromobilov na batériový pohon je kratší dojazd pri nižších teplotách, ktorý je výsledkom chemicko-fyzikálnych vlastností batérií. Chemické reakcie totiž prebiehajú pri nižších teplotách pomalšie.

Budúcnosť batérií

Nádejou elektromobility je grafén, ktorý je oveľa lepším elektrickým vodičom ako meď, pre plyny je nepriepustný, je 200-krát silnejší ako oceľ a je šesťkrát ľahší. Jeho vlastnosti sa môžu meniť, keď sa na jeho povrch pridajú chemické zložky.

Z hľadiska praktického využitia v priemysle je však v súčasnosti jeho význam okrajový. Zatiaľ je to laboratórne vyrábaný materiál, v priemyselnom použití ho potrebujete veľké množstvá. Problém teda nie je vo vlastnostiach, skôr v jeho nedostupnosti na využitie vo veľkom.

Batérie súčasnosti preto naďalej využívajú tradičné prvky ako lítium a kobalt. Na výrobu jednej batérie do auta potrebujeme pár kilogramov lítia. Vo svete sa ho vyťaží dostatok na pokrytie súčasných produkčných potrieb batérií aj za predpokladu, že výroba bude vyžadovať dvojnásobok. Kobalt v batériách zastupuje funkciu katalyzátora, teda urýchľovača chemickej reakcie, a jeho použitie predstavuje desatiny promile váhy batérie.

Teraz nastupuje trend špecializovaných automobilových batérií, ktorých kapacita, energetická hustota a bezpečnosť prevyšujú prvú generáciu o 30 a viac percent. Dá  sa očakávať, že do piatich rokov sa kapacita zdvojnásobí alebo sa veľkosť batérie zmenší pri zachovaní rovnakého dojazdu. Fyzicky sú však všetky batérie zvitky substrátu s dvoma metalickými elektródami a technologický pokrok v istom bode narazí na limity. Pokrok teda bude evolučný, očakávať revolučné zlepšovanie ich vlastností je nereálne.

Politický tlak na environmentálne priateľskú priemyselnú politiku je ťahúňom pokroku v oblasti elektromobility a ten vytvorí priestor na vznik nového odvetvia recyklácie batérií.

Všetky batérie sú vyrobené zo vzácnych a recyklovateľných materiálov.

Dosiahnuteľný stupeň recyklácie je 96-98 percent. Aj keď platí, že terajšie recyklačné kapacity sú blízke nule. Kto by recykloval neexistujúce batérie, však? Toto bude nový druh biznisu, lebo cena recyklácie je násobne nižšia ako získavanie vzácnych materiálov ťažením.

Autor: Mário Blaščák
Autor článku je externý prispievateľ a komentátor diania na finančných trhoch.