Sciencemag.cz
Doporučujeme
Osobní, nákladní i veřejnou dopravu v Evropě čekají v blízké budoucnosti velké změny. V souvislosti s dekarbonizačními cíli Evropské unie, podle kterých se mají snížit emise skleníkových plynů o 55 % do roku 2030 v porovnání s rokem 1990, čeká sektor dopravy postupný odklon od fosilních paliv. Tradiční vozidla na benzin, diesel, LPG či CNG tak budou v čím dál větší míře doplňovat a posléze nahrazovat bateriové elektromobily a vozidla s palivovými články na vodík. Vodík pak má potenciál zejména v těžké nákladní dopravě.
O tom, v jakém poměru se prosadí vodíkové technologie, bude ve velké míře rozhodovat i dostupnost kriticky potřebných surovin pro jejich výrobu. Díky českému patentu profesora Vladimíra Matolína z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, se podařil průlom ve vývoji katalyzátorů pro vodíkové palivové články. Brzy bude při výrobě katalyzátorů stačit až desetkrát menší množství drahé platiny než doposud.
Vodík jako další z řešení nízkoemisní mobility?
V současné době se v dopravě odehrává revoluce. Zejména bateriové elektromobily se začínají rozšiřovat už i v České republice. Doplňujícím řešením hlavně v těžké nákladní a dálkové dopravě a u užitkových vozů mohou být vozidla s palivovými články na vodík.
Ve prospěch budoucího většího rozšíření vodíkového pohonu hovoří několik faktorů.
„Evropské země, reprezentované mj. Evropskou komisí, počítají s výrazným zapojením vodíkových technologií do nově budovaného nízkoemisního energetického systému. Inovace směřující ke snížení materiálové náročnosti palivových článků nebo elektrolyzérů jsou proto zcela zásadní pro naplňování stanovených cílů,“ komentuje Aleš Doucek, předseda představenstva z České vodíkové technologické platformy (HYTEP).
Extrémní rozdíl pak panuje mezi energetickou hustotou vodíku a bateriemi v elektromobilech. Současné špičkové bateriové packy dosahují energetické hustoty do 0,3 kWh na kilogram. „Vodík má výrazně vyšší energetickou hustotu na hmotnost, to znamená, že v 1 kilogramu vodíku uskladníme až 33,3 kWh energie. I se započtením váhy nádrží jsme stále na výrazně nižší hmotnosti na uskladněnou jednotku energie oproti bateriím. Na druhou stranu výzvou pro vodík jsou jeho energetické vlastnosti v poměru k objemu. Baterie jsou kompaktnější a je možné je umístit do podlahy bateriového elektromobilu, zejména v osobních autech. Vodík potřebuje relativně objemné nádrže a při 700 barech tak na 1 kilogram vodíku potřebujeme přibližně 25 litrů objemu. Právě proto je nejzajímavější jeho využití tam, kde nejsme příliš limitovaní prostorem, tedy například v nákladních vozidlech,“ doplňuje Jan Sochor, analytik České vodíkové technologické platformy.
Výrobci baterií se pochopitelně neustále snaží vylepšovat jejich vlastnosti. Jde ale o postupný vývoj a s revolučními bateriemi, které by výrazně zlepšily současné vlastnosti lithium-iontových akumulátorů je nutné počítat až když dojde k rozšíření jejich výroby a snížení jejich ceny.
Co se týče vodíkových automobilů obecně, jejich nespornými výhodami jsou delší dojezd, v případě nákladních automobilů se bavíme o dojezdech až 1000 kilometrů, či krátká doba plnění, která trvá do 20 minut. Vozidla s palivovými články na vodík rovněž dobře fungují za nízkých teplot, kdy dochází k výrazně menším ztrátám dojezdu v porovnání s bateriovými elektromobily.
Palivové články: V hlavní roli platina
Trh s palivovými články je v současnosti relativně malý. V průběhu let sice došlo k výraznému snížení ceny palivových článků na instalovanou kW výkonu, přesto stále existuje obrovský prostor pro zlepšení. Právě od úspor z rozsahu si řada výrobců slibuje další snížení cen.
„Cena nákladních vozidel, nebo městských autobusů s palivovým článkem je dnes přibližně 3–4x vyšší než v případě naftových ekvivalentů. Bavíme se ale o cenách, které jsou dnes, před výraznou úsporou z rozsahu, ke které by mělo v průběhu příštích let docházet. Řada studií predikuje, že cena vodíkových dálkových nákladních vozidel bude k roku 2030 dost možná i levnější než u bateriových protějšků. Je to z toho důvodu, že určité typy chemií jsou nákladné a není možné je z důvodu vysoké energetické hustoty nahradit levnějšími typy baterií,“ doplňuje Jan Sochor z HYTEP.
Pro výrobu palivových článků na vodík je kritickým kovem platina. Té se ročně na celém světě vytěží okolo pouhých 180 tun, ovšem devadesát procent z této produkce pochází ze tří států – Jihoafrické republiky, Ruska a Zimbabwe. V současnosti se na jeden palivový článek pro vodíkový automobil spotřebuje zhruba 20 až 30 gramů platiny. Výzkumné a vývojové aktivity se snaží o postupné snižování platiny při zachování životnosti palivových článků, to povede k dalšímu snížení cen jak palivových článků, tak koncových vozidel.
Díky českému patentu budou výrobci palivových článků brzy potřebovat až desetinásobně menší množství tohoto vzácného kovu!
Revoluční katalyzátor aneb zlaté platinové české ručičky
Jedním z členů České vodíkové technologické platformy HYTEP je i ryze česká společnost LEANCAT. Ta vznikla v roce 2016 jako výsledek spolupráce mezi Karlovou univerzitou a technologickou skupinou JABLOTRON, s cílem komercializovat unikátní patentovaný objev profesora Vladimíra Matolína z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze.
„Platina je zatím naprosto nepostradatelným kovem pro palivové články, tedy pro výrobu elektřiny z vodíku,“ tvrdí profesor Matolín. Jeho vědecký tým proto před několika lety navrhl, vyvinul, úspěšně postavil a patentoval inovativní katalyzátor pro palivové články, který potřebuje na anodě mnohem méně platiny a rovněž menší množství platiny na katodě. Později na to navázal další patent s několika dalšími spoluautory. O jak velké snížení obsahu platiny půjde?
„Snížení obsahu platiny je ideálně o 90%, řekněme desetinásobné. V reálném systému bude snížení v závislosti na provozních podmínkách a plánované životnosti tak pětinásobné. Ale to bude otázka dalšího, již aplikovaného, vývoje. Budu-li optimista, tak snížíme obsah platiny 5–10krát,“ přibližuje profesor Matolín a upozorňuje, že inovace jeho dnes již bývalého týmu se úspěšně blíží komerčnímu využití. To má zajistit silný partner Univerzity Karlovy z Německa.
„Kritickým problémem u každé inovace je komercializace. Jedna věc je něco vyrobit v laboratoři, druhá je být schopen vyrábět a to tak, aby vysoké výrobní náklady nepřevýšily úsporu danou snížením obsahu platiny. Oříškem také bývá schopnost vyrábět inovativní produkt v požadovaném velkém množství. Univerzita Karlova, která je majitelem patentu, uzavřela nedávno smlouvu s renomovanou německou firmou o výrobě prototypu průmyslového zařízení, které ověří možnosti průběžné výroby membrán povlakovaných platinou podle našeho patentu metodou ‚per roll‘, tedy v rolích,“ dodává Matolín s tím, že německý partner by měl následně výrobní zařízení komercializovat a prodávat zájemcům o výrobu protonově vodivých membrán s platinovým katalyzátorem.
Další z řady českých patentů tak má velkou šanci změnit svět k lepšímu. Tentokrát v oblasti nejen vodíkové mobility.
Profesor Vladimír Matolín: Platina je pro vodíkové palivové články nepostradatelným kovem
Jedním z členů České vodíkové technologické platformy HYTEP je i ryze česká společnost LEANCAT, která vznikla v roce 2016 jako výsledek spolupráce mezi Univerzitou Karlovou a technologickou skupinou JABLOTRON. LEANCAT staví na letité zkušenosti a unikátním patentovaném objevu profesora Vladimíra Matolína z Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, jehož tým vyvinul nový typ katalyzátoru a metodu jeho aplikace, které umožní významnou redukci platiny.
„Platina je zatím naprosto nepostradatelným kovem pro palivové články, tedy pro výrobu elektřiny z vodíku,“ tvrdí profesor Vladimír Matolín, který v rozhovoru například přibližuje i to, jak náročné je uvádět inovativní řešení do komerčního využití či jaké novinky LEANCAT chystá.
Před několika lety jste s vaším vědeckým týmem navrhli, úspěšně postavili a patentovali inovativní katalyzátor pro palivové články, který potřebuje na anodě mnohem méně platiny a rovněž menší množství platiny na katodě. O jak velké snížení obsahu platiny jde?
Snížení obsahu platiny je ideálně o 90%, řekněme desetinásobné. V reálném systému bude snížení v závislosti na provozních podmínkách a plánované životnosti tak pětinásobné. Ale to bude otázka dalšího, již aplikovaného, vývoje. Budu-li optimista, tak snížíme obsah platiny 5–10x.
Ročně se vytěží kolem 180 tun platiny. Devadesát procent z této produkce však v pouhých třech státech – v Jihoafrické republice, v Rusku a Zimbabwe. Dá se říci, že platina je a bude pro vodíkové technologie kritickým kovem. A každá inovace, jako ta vaše, může při masovém pomoci lépe a ekonomičtěji využívat dostupné zdroje. Jak je těžké podobná řešení komercionalizovat?
Komercializace je většinou kritickým problémem u každé inovace. Jedna věc je něco vyrobit v laboratoři, druhá je být schopen vyrábět a to tak, aby vysoké výrobní náklady nepřevýšily úsporu danou snížením obsahu platiny. Oříškem také bývá schopnost vyrábět inovativní produkt v požadovaném velkém množství.
Univerzita Karlova, která je majitelem patentu, uzavřela před nedávnem smlouvu s renomovanou německou firmou o výrobě prototypu průmyslového zařízení, které ověří možnosti průběžné výroby membrán povlakovaných platinou podle našeho patentu metodou „per roll“, tedy v rolích. Zmíněná firma by následně měla výrobní zařízení komercializovat a prodávat zájemcům o výrobu protonově vodivých membrán s Pt katalyzátorem.
V katalyzátoru výfukových plynů běžného osobního automobilu je několik gramů platiny. Pro ilustraci – kolik gramů platiny je odhadem v palivovém článku vodíkového osobního automobilu?
Uvádí se kolem 20 gramů.
Vaše firma LEANCAT úspěšně vyrábí a prodává i testovací stanice pro palivové články, a rovněž i elektrolyzéry. Co je vlastně vaším dlouhodobým cílem, kam směřujete? Od prodeje jednotlivých komponent po prodej ucelených systémů?
Je to přesně tak. Dlouhodobým cílem je vedle již zavedené výroby testovacích stanic prodávat svazky vodních elektrolyzérů typu PEMWE, v tomto roce jsme již prodali kolem 30 svazků oproti dvěma kusům v roce 2022, kdy jsme je začali nabízet. Navíc stále rozšiřujeme portfolio o nové modely, naposledy o svazky 5 kW, a ještě letos začneme testovat PEMWE o velikosti 10–50 kW, které chceme uvést na trh začátkem roku 2024. Dále vyvíjíme kompletní modulární elektrolyzérové generátory vodíku o kapacitě do 500 kW. Dnes již nabízíme systémy o desítkách kW.
O jaké vaše produkty je u vašich zákazníků největší zájem?
Zatím především o testovací stanice, nicméně u PEMWE, který je novým produktem, vidíme stále rostoucí zájem. Podobně roste zájem i laboratorní jednocelové elektrolyzéry a palivové články.
V jakých oblastech vidíte v nejbližších letech největší potenciál vodíku?
Při náhradě zemního plynu v energetice, v dopravě a průmyslové výrobě. Souhrnně hlavně v dekarbonizaci průmyslu a energetiky.
Na jakých zajímavých a nových projektech v LEANCAT nyní děláte, na co se můžeme v budoucnu od vás těšit?
Vedle vývoje nových, 10x větších PEMWE, vyvíjíme vlastní sušičky vodíku a systém pro nanášení katalyzátorů na membrány pomocí patentované inovativní tiskařské metody.
A ty čísla patentů?