Katastrofa vzducholodě Hindenburg nezabila 6. května 1937 jen 36 lidí v Lakehurstu v New Jersey. Poškodila důvěru veřejnosti ve vodík na celá desetiletí. Tato vzducholoď byla doslova naplněna plynem. Vodík je nejjednodušší prvek ve vesmíru: jeden proton, jeden elektron, nejlehčí atom. Má také destruktivní sílu. Když smícháte toto nejlehčí palivo s kyslíkem a přidáte jiskru, dojde k obrovskému uvolnění energie. Společnost viděla toto uvolnění energie ve formě ohně a zkrouceného kovu.
Vládl strach. „Faktor strachu z vodíku“ se stal trvalou součástí kulturního vědomí. Dlouho se nikomu nechtělo ani přiblížit na deset stop k této látce.
Nyní čelíme jinému druhu krize. Zásoby ropy se vyčerpávají. Emise kouří oblohu. Energetickí výzkumníci se vracejí k vodíku s obnoveným zájmem. Slibuje, že bude čistou alternativou. Žádné skleníkové plyny. Pouze vodní pára a teplo jako vedlejší produkty. Má nejvyšší energetický výkon na jednotku hmotnosti ze všech dostupných paliv. Je toho také hodně. Lze jej získat ze zemního plynu nebo extrahovat z vody elektrolýzou.
Ale je tu nuance. Stále si klademe otázku: Jsou auta na vodíkové palivové články skutečně bezpečná? A co je důležitější, jak je vůbec používáte? Technologie existuje, ale překážky jsou značné.
Problém s úložištěm
Hlavním problémem není výroba vodíku, ale jeho skladování. Aby vodíkové auto urazilo nějakou významnou vzdálenost, je potřeba velké množství plynu. Komprese vodíku vyžaduje obrovský tlak. Většina moderních systémů stlačuje plyn na 700 barů. To je přibližně 10 000 psi.
Vypořádání se s takovým tlakem vytváří nová rizika. Nemáte co do činění jen s hořlavým plynem. Máte co do činění se stlačeným výbušným zařízením. Nádrže musí být neuvěřitelně odolné. Standardním řešením je dnes plastová vnitřní skořepina obalená uhlíkovými vlákny. Je to drahé. Je to těžké. A v průmyslovém měřítku se to těžko vyrábí.
Tankování a infrastruktura
Kde natankovat? Vodíkové čerpací stanice prakticky neexistují. Síť je řídká. Čerpací stanici najdete v Kalifornii, možná v Japonsku nebo Německu. Ale ve většině zemí světa vám nezbude nic. Tato mezera v infrastruktuře vytváří problém „slepice a vejce“. Lidé si auta bez čerpacích stanic nekoupí. Firmy nebudou stavět nádraží bez aut.
Stavba stanic je drahá. Čerpadla musí být schopna bezpečného nabíjení pod vysokým tlakem. Vyžadují specializované bezpečnostní systémy, které na běžných čerpacích stanicích nejsou potřeba. Náklady na vybudování jedné vodíkové stanice se mohou pohybovat v milionech dolarů. Porovnejte to s náklady na běžnou čerpací stanici nebo dokonce na dobíjecí stanici pro elektromobily.
Otázka efektivity
Pak je tu debata o účinnosti. Vozidla s vodíkovými palivovými články jsou často propagována jako ekologičtější než elektromobily na baterie (BEV). Ale matematika je nejasná. Nejprve musíte vyrobit vodík. Elektrolýza využívá elektřinu k rozdělení vody. Tento proces je doprovázen energetickými ztrátami. Poté je třeba jej zkomprimovat. Poté transport. Poté se vloží do palivového článku, kde se přemění zpět na elektřinu pro pohon motoru.
Každá fáze přidává ztráty. Elektromobily se nabíjejí přímo. Méně konverzních kroků. Menší energetické ztráty. Vodíkové palivové články nabízejí další výhodu – rychlejší tankování a delší dojezd. Ale generál
Vodík není zdrojem energie. Toto je dopravce.
Myslete na elektřinu. Nemůžete spálit elektrony v pístu. Ale elektřinu vyrábíte spalováním uhlí, plynu nebo ropy. Tato elektřina proudí do vaší zásuvky. Vodík funguje podobným způsobem: ukládá energii vytvořenou během výrobního procesu.
Tento rozdíl je důležitý, protože výroba vodíku vyžaduje energii. Musíme vložit energii, abychom ji získali zpět.
Porovnejte to s olejem. K těžbě ropy je nutné vrtání. Čerpací. Recyklace. Dodání. Je to matoucí, politicky nabitý dodavatelský řetězec. Vodík umožňuje výrobu paliva lokálně. Umožňuje vám obejít geopolitické konflikty související se zásobami ropy.
Problém s metanem
Současný standard je reformní. Zejména reformování metanu.
Spalujeme zemní plyn, abychom oddělili vodík od uhlovodíků. To je dnes nejschůdnější metoda. Je také špinavý.
Pokud jde o emise skleníkových plynů (GHG), jsme zpět na začátku. Z výfuku auto nic nevypouští. Výrobní proces ale spaluje fosilní paliva. Vypouští skleníkové plyny. Přenos energie je čistý. Stvoření není.
Čistší výrobní cesty
Čistá elektřina existuje. Vodní energie. Větrná energie. Solární energie.
Stejným způsobem lze vyrábět vodík. Vědci testují elektrolýzu poháněnou obnovitelnými zdroji. Některé skupiny dokonce používají mikroby požírající řasy. Mikrobi produkují vodík jako odpad.
Tyto metody zcela zabraňují spalování fosilních paliv. Jejich spolehlivost je stále hodnocena. Ale nabízejí cestu ke skutečně čistým palivům.
Jak fungují palivové články
Automobiloví inženýři vytvořili vodíkové palivové články, aby vyřešili problém skladování a používání.
Tyto články využívají elektrochemickou konverzi. Vodík se štěpí. Protony a elektrony jsou odděleny. Toto oddělení vytváří elektřinu.
Vnějším obvodem proudí elektrony. To pohání motor. Protony a elektrony se opět spojují s kyslíkem. Jediným vedlejším produktem je voda.
Jeden prvek nevyrábí pro sedan dostatek energie. Inženýři je spojují do hromádek. Palivové články zvyšují napětí a proud. Po shromáždění dostatečného množství hromádek se auto začne pohybovat.
Problémy s úložištěm
Skladování vodíku v autě je úzkým hrdlem.
Existují dva způsoby. Vysokotlaký plyn. Nebo extrémně studená tekutina. Kryogenní vodík.
Tlakové lahve se používají na čerpacích stanicích. Jsou těžké. Objemný.
Kapalný vodík vyžaduje palubní systém, který jej udržuje zmrazený. Tento systém zvyšuje váhu. Hmotnost snižuje účinnost. Vozidlo musí neustále přepravovat chladicí infrastrukturu. To je pro moderní spotřebitelská vozidla nepraktické.
Faktor strachu
Výzkum pokračuje. Inženýři optimalizují úložiště. Vylepšují zásobníky prvků.
Ale je tu lidský faktor. Strach ze společnosti.
Lidé si představují vodík jako benzín. Explozivní. Nestálý. Představují si, jak menší nehoda promění jejich auto v kouli bílého plamene.
Věda dokáže zvládnout fyziku procesu. Pokud ale řidiči odmítnou koupit auto, protože si myslí, že vybuchne, technologie selže. Dalším krokem není jen inženýrství. To je psychologie.
Proč je vodík vlastně bezpečnější než benzín
Strach z vodíku je do značné míry historickým dědictvím. V praxi je vodík často bezpečnější než paliva na bázi uhlíku, která se v současnosti plní do našich plynových nádrží. Tekutý benzín se rozlévá a šíří. To se lepí. Při zapálení tvoří horký popel a uvolňuje intenzivní tepelné záření, které spálí vše kolem. To vodík nedělá. Čistý vodík hoří bez uhlíku, neprodukuje žádný horký popel a produkuje velmi málo tepelného záření.
Pomáhá mu i fyzika. Pokud vodík uniká, nehromadí se na zemi. Rychle stoupá do atmosféry. Ve srovnání s těžšími palivy, jako je propan nebo benzínové páry, má méně času na akumulaci a vznícení.
Odhalení Hindenburgova mýtu
Zastánci i odpůrci vodíkového paliva se odvolávají na katastrofu vzducholodě Hindenburg. Odpůrci tomu říkají varovný příběh. Zastánci tvrdí, že naopak ospravedlňuje vodík.
Katastrofu nezpůsobil samotný vodík. Způsobil to hliníkový prášek, který potahoval plášť vzducholodě, aby odrážel sluneční světlo – materiál ekvivalentní raketovému palivu. Bavlněná látka byla napuštěna vysoce hořlavým acetátem. Když se oheň začal šířit, vodíkový plamen hořel nahoru, protože plyn je tak lehký. Tím zůstali cestující dole relativně nezraněni. Třicet pět z 36 mrtvých bylo obětí seskoku ze vzducholodě. Všichni, kdo zůstali na palubě, přežili.
Skladovací výzva: Ocel vs. kompozity
Skutečným problémem není bezpečnost při používání. Je ve skladu. Potřebujeme tanky, které se nestanou varovným příběhem v případě nehody. Která nádrž nejlépe zabrání výbuchu vodíku při autonehodě?
Ocel je jednou z možností. Tyto nádrže jsou dostatečně pevné, aby spolehlivě přepravovaly plynný vodík. Při nehodě ocelová nádrž vydrží náraz bez proražení nebo prasknutí. Ale je tu nuance. Vodík je lehký a méně hustý než benzín. Aby se vešlo dostatek paliva pro přiměřený kilometrový výkon, musí být ocelová nádrž mnohem větší než běžná plynová nádrž. Bude také těžký. Tato hmotnost zabíjí energetickou účinnost.
Pokročilé materiály a hydridy kovů
Kompozitní materiály vypadají slibněji než ocel. Polyetylenové nádrže jsou lehké a lze je tvarovat tak, aby vyhovovaly podvozku vozidla. Jsou navrženy tak, aby se roztříštily na prášek – absorbovaly energii nárazu, proměnily se v prach, čímž bezpečně uvolňovaly vodík do atmosféry.
V konečném důsledku lze vodík skladovat v materiálech, které prvek zachycují a uvolňují jej pouze v případě potřeby. Metal hydridy jsou jednou z takových technologií. Některé kovy zachycují molekuly vodíku ve své strukturní mřížce. Vodík zůstává v bezpečí, dokud se kov nezahřeje, v tomto okamžiku uvolní plyn. To je obzvláště atraktivní, protože teplo potřebné k uvolnění vodíku může pocházet z odpadního tepla generovaného samotným palivovým článkem.
“Faktor strachu z vodíku” nezastavuje výzkum. Pokud světu dojde ropa, bude možná nutné tyto obavy odložit. Technologie jdou kupředu, ale infrastruktura stále dohání.
Ještě více informací
Související články HowStuffWorks
- Kvíz palivových článků
- Jak funguje vodíková ekonomika?
- Jak fungují palivové články?
- Jak fungují vzducholodě?
- Jak fungují elektromobily?
- Alternativní palivo
Další užitečné odkazy
- Domovská stránka amerického ministerstva energetické účinnosti a obnovitelné energie (EERE).
- Institut Rocky Mountain
- Rozhlasové vysílání katastrofy Hindenburg v Národním archivu
Zdroje
- Edwards, Peter P. “Náš strach z vodíkových čerpacích stanic.” The Times. 21. dubna 2008
- Krushelnitsky, Karl S. “Hindenburg a vodík.” Australská vysílací společnost. 2004
- Murphy, Christiane. “Rozlišení mezi zdroji energie a nosiči.” Consumer Energy Council of America. 30. července 2003
- “Vozidla na palivové články.” Kalifornská energetická komise.
- “Sklad paliva.” Princetonská univerzita.
- “Jak fungují: Protonové výměnné membránové (PEM) palivové články.” FuelEconomy.gov.
- “Fakta o vodíku.” Consumer Energy Council of America. 2003
- “Výroba a dodávka vodíku.” Národní laboratoř pro obnovitelné zdroje energie. 1. června 2007
“Je vodík nebezpečný?” Institut Rocky Mountain. - „hydridy kovů“. Ministerstvo energetiky USA. 6. listopadu 2006
- Scenes from Hell: Herbert Morrison – The Hindenburg Disaster, 1937. Národní archiv.
