Vodík je jedním z paliv budoucnosti. K jeho využití vedou dvě cesty. Tou první je přímé spalování v motoru, tou druhou jsou palivové články.
Využití vodíku coby paliva je již desítky let běžné například v kosmonautice, což dokazují například hlavní motory SSME někdejšího amerického raketoplánu (STS), které tekutý vodík v kombinaci s tekutým kyslíkem využívaly. Výhod tekutého vodíku v raketové technice při dobývání vesmíru využili také Rusové, třeba v raketě Eněrgija, která měla být ve spojení s kosmoplánem Buran ruskou odpovědí na americký STS.
Na rozdíl od kosmonautiky a raketových motorů je využití vodíku v automobilismu mnohem problematičtější. Historicky je asi nejvíce spojováno se značkami BMW, Mazda, Honda či Toyota. Zatímco BMW se již od 80. let minulého století vydalo cestou přímého spalování vodíku v jinak původně benzinovém spalovacím motoru, Honda či Toyota šly cestou využití vodíku v palivových článcích a tedy pohonu auta elektromotorem. To dokazují vozy Honda FCX Clarity a Toyota Mirai.
Mazda zase chytře využila vlastností rotačního motoru typu Wankel, který se ke spalování vodíku hodí více než pístový motor. A to jednak k přímému pohonu (kupé RX-8) a dále v kombinaci s elektromotorem (Premacy Hydrogen RE Hybird). Nyní se na jednotlivé koncepce pohonu podíváme podrobněji a to zejména z hlediska výhod a nevýhod.
Spalovací motor na vodík – Problém je teplota částí motoru
Snaha vyvinout nebo spíše sestrojit funkční pístový spalovací motor, který by místo benzinu či nafty využíval zápalnou směs tvořenou vodíkem, se datuje už do 20. let minulého století. Pokoušeli se o to jednak stavitelé motorů pro pohon vzducholodí a dále firmy Ricardo a automobilka Maybach. U nás se vodíkový pohon zkoumá na Fakultě strojní ČVUT od roku 1978.
Spalování vodíku v pístovém motoru má však hned několik úskalí. Tím prvním je v porovnání s benzinem malá objemová výhřevnost, která je způsobena nízkou hustotou vodíku. Teoreticky tak potřebujete větší množství vodíku, abyste udrželi účinnost motoru na přijatelné úrovni, alespoň 30 procent.
Druhou nevýhodou jsou produkty vzniklé spalováním. Často zmiňovaná zcela neškodná vodní pára je v praxi dosažitelná jen velmi obtížně. Téměř vždy totiž při spalování směsi s vodíkem vznikají také sloučeniny oxidů dusíku (NOx), což jsou dnes velmi sledované produkty spalování. Toto se týká zejména vznětových motorů, které za tímto účelem používají třeba známou technologii SCR, ale také vyspělou recirkulaci spalin.
Dle výzkumů českých technických vysokých škol, ale i ve světě je pro spalování vodíku mnohem vhodnější přeplňovaný motor. Zmíněná tvorba NOx dost závisí na okamžiku vstřikované dávky. Pokud budeme uvažovat chudé zápalné směsi, pak se jako nejlepší ukazuje vstřikování vodíku ve fázi sacího zdvihu pístu, či přesněji až na jeho konci. Z hlediska účinnosti je ještě lepší vstřikování vodíku v kompresním zdvihu, což ovšem zároveň vede ke zvyšování množství zmíněných oxidů dusíku.
V případě spalování vodíkových směsí v pístovém motoru představuje druhý zásadní problém zášleh plamene do sacího traktu. Příčinou jsou horké části motoru v kombinaci s velmi dobrou zápalností směsi vodíku se vzduchem.
V daném ohledu se proto jako výhodnější ukazuje pro spalování vodíkových směsí rotační motor typu Wankel, kterým se zabývá japonská Mazda. V něm jsou na rozdíl od pístového motoru odděleny komora sání, vykazující nízkou teplotu, a spalovací prostor motoru s vysokou teplotou. Navíc zde odpadají klasické sací i výfukové ventily.
Ještě dále došla Mazda u vozu Premacy Hydrogen RE Hybrid, který kombinuje rotační motor spalující směs vodíku a vzduchu, která ale může být nahrazena klasickým benzínem s elektromotorem pohánějícím přední kola. Jde tedy o vodíkový hybridní pohon, přičemž rotační motor tady může přímo pohánět kola v součinnosti s elektromotorem, ale může mít i úlohu generátoru elektrického proudu a tedy pouze dobíjet trakční baterii.
Palivové články – Pro dálniční provoz nevhodné
Druhou možností, jak využít vodík k pohonu automobilu, jsou palivové články. V tomto případě dochází k přeměňování chemické energie paliva (v tomto případě vodíku na elektrickou) za přítomnosti okysličovadla v podobě vzduchu.
Vůz s palivovými články je tak v podstatě zvláštní typ elektromobilu, neboť přímý pohon auta se děje elektromotorem, který je však napájen elektrickou energií z palivového článku. Obecně vzato, palivové články mají v porovnání se spalovacími motory velmi odlišné vlastnosti. Vynikají vysokou účinnosti při nízkém zatížení, která se však se zvyšující zátěží snižuje. U spalovacího motoru je tomu v podstatě naopak.
Zvýšeným zatížením palivového článku (a tedy snížením jeho účinnosti) rozumíme trvalé nabíjení akumulátoru. K tomu dochází při jízdě v zatížení, například po dálnici, kdy je požadavek na vyšší výkon elektromotoru, který ale zároveň potřebuje více proudu, jenž odebírá z akumulátoru. A palivový článek jej proto musí neustále dobíjet, což snižuje jeho účinnost. Řešením může být kombinace palivového článku se spalovacím motorem, což s úspěchem zkoušejí laboratoře v USA.
S pohonem na vodík je samozřejmě spojena celá řada dalších problémů. Předně je v kombinaci se vzduchem výbušný. Navíc je bezbarvý a také bez zápachu. Původní obavy o bezpečnost posádky vozidla v případě požáru (výbuchu) jsou ale z části liché. Důvodem je již zmíněná nízká hustota vodíku. Ta znamená při hoření specifický tvar plamene, jenž šlehá v úzké spirále vzhůru. Na rozdíl od požáru živeného benzinem se tudíž nešíří tak rychle a hlavně nekontrolovatelně.
Jiným problémem je nedostupnost vodíku. Plnicích stanic je málo, vlastně u nás víme jen o jedné, a sice v Neratovicích ve Spolaně. Dle některých zpráv by se však toto mělo do budoucna změnit, přičemž se počítá s rozšířením plnicích stanic na vodík na zhruba pět.