Unipetrol | Fuelling Innovations | Články

Být či nebýt? To je oč tu proudí!

Co bude palivem budoucnosti?

V uplynulém roce jsem tuto otázku dostal hned několikrát.

Sám sebe se ptám, zda jsem ten, kdo by na ni měl odpovídat.

Na druhou stranu, kdo zná správnou odpověď na tuto otázku za milión dolarů?

The fuel of the future

Takže, ať už to má jakoukoliv hodnotu, zde je můj názor. Podívejme se do křišťálové koule vědy, jestli tam najdeme odpověď.

Začněme na začátku. Palivo slouží jako akumulátor energie. Einsteinova slavná rovnice, E=mc², nám říká, že energie a hmota jsou si rovnocenné. Také víme, že existují pouze tři cesty, jak energii z hmoty uvolnit:

  1. Kombinováním hmoty s antihmotou: Je-li naše porozumění fyziky a matematiky správné, Vesmír obsahuje stejné množství antihmoty a hmoty (akorát nevíme, kde ji najít). Pro každý elektron by tedy měl (někde) existovat pozitron, pro každý proton antiproton, atd. Když se elektron potká s pozitronem -  BUM! – částice se navzájem zahubí a všechna hmota a antihmota je efektivně proměněna do dvou fotonů elektromagnetické energie.
  2. Roztrhnutím nebo sloučením jader: Veškěrá hmota je tvořena z atomů.  Všechny atomy obsahují většinu hmotnosti ve svém jádru ve formě protonů a neutronů. Udržení všech těchto částic pohromadě ve sdíleném omezeném prostoru vyžaduje největší sílu ve Vesmíru: jadernou sílu! Když si s touto sílou pohrajeme a tyto jaderné vazby buď rozdělíme, nebo vynutíme tvorbu nových, uvolní se obrovská kvanta energie v podobě alfa, beta nebo gama záření.
  3. Přemístěním elektronů a přesunutím jejich oběžné dráhy: Elektromagnetická síla udržuje elektrony uvnitř atomu v oběhu kolem jádra, aby kolem něj jen tak nelétaly. Když dosáhneme toho, aby atomy změnily umístění svých elektronů, např. přinucením k chemické reakci, vypustíme energii ve formě fotonů- malých částic, které se potácí do vesmíru na rozlišných frekvencích: vysoko frekvenční záření, jako gama paprsky a rentgenové paprsky, pomocí středně frekvenčního potácení, jako UV, viditelné a infračervené světlo, a dlouho vlnových frekvencí jako mikrovlny a rádio-vlny.

Tak, teď co jsme stanovili různé způsoby uvolňování energii z hmoty, analyzujme, jak jako lidé můžeme využít jejich potenciál.

Volba 1: Zahubení hmoty a antihmoty: V pořadu Star Trek a podobných seriózních Sci-Fi filmech a literatuře se tato metoda často užívá pro warp- motory. Tahle technologie zatím zůstává pouhou Sci-Fi fantazií a subjektem CERN experimentů. Avšak v moderní medicíně se tento fenomén již užívá formou Pozitronové emisní tomografie k vyobrazení těla ve vysokém rozlišení.

Možnosti využití: zahubení hmoty/antihmoty je extrémně účinné v uvolňování energie a proto by mohlo být ideální palivem budoucnosti. Vyžadovalo by ale obrovské technologické pokroky (zatím nevíme, jak generovat významná množství antihmoty, ani jak ji lokalizovat. Pravděpodobnost implementace během příštích deseti let: 0.0001%

Volba 2: Jaderná energie: Druhá metoda, jaderná energie, je způsob, kterým mnoho zemí uspokojuje určité množství svých elektrických potřeb. Obecně jsou obrovská Uranová jádra rozděleny za účelem uvolnit jejich energii. V oblasti výzkumu se dnes testuje opačná verze jaderné energie, sloučení velmi lehkých jader na vytvoření více masivních atomů, pro komerční využití. O jejím využití v dopravě zatím vím pouze o autě Delorean Michaela Foxe ve filmu Návrat do budoucnosti.

Možnosti využití: Malé reaktory založené na roztavených solích sice již existují, stále ale nejsou vhodné pro využití v automobilech a jiných dopravních prostředcích. Zůstává několik technických problémů, např. stínění reaktorů s účelem předejít úniku vysoce-energetických prvků.  Pravděpodobnost implementace během příštích deseti let: 0.002%. Tady ale musíme zpozornit! Produkce jaderné energie ve velkém měřítku, ať už štěpením (s větší pravděpodobností) nebo fúzí (možnost do budoucna), produkuje a nadále bude produkovat obrovská množství elektřiny, jenž by mohla sloužit jako budoucí palivo do automobilů. To znamená, že relevantnost jaderné energie jakožto paliva bude úměrně souviset s typem motoru.

Volba 3: Elektromagnetická síla: Tak, pojďme k věci. Je to právě ten třetí způsob uvolňování energie, elektromagnetická síla, který téměř exkluzivně užíváme k pohonu automobilů. Lidstvo vyvinulo dva hlavní typy motorů pro využití této formy energie: motor s vnitřním spalováním a elektrický motor. Podívejme se na každý zvlášť.

Spalovací motor okysličuje uhlovodíkové molekuly a vytváří tak oxid uhličitý a vodu. Tato chemická reakce je velmi exotermická, což znamená, že uvolňuje spoustu elektromagnetické energie formou tepla (infračervené fotony) způsobujíc rapidní rozšíření objemu CO2 a H2O vytvořených plynů, jenž motor pohání. Uhlovodíková paliva, ať už nafta nebo benzín, jsou výsledkem fotosyntetické konverze slunečního světla na chemickou energii. Tyto molekuly obsahují nesrovnatelnou hustotu energie a jsou snadno přepravitelné, což je tvoří ideálním prostředkem na skladování a přenos energie. Existující infrastruktura na výrobu, distribuci a skladování uhlovodíkových kapalin je rozsáhlá a spolehlivá.

Energetická hustota uhlovodíkových kapalin přináší zásadní výhody pro mořskou, leteckou i nákladní silniční dopravu, které budou těžko nahraditelné i s ohledem na významné pokroky budoucích bateriových technologií (bude potřeba aspoň deseti násobné snížení hmotnosti současných baterií). Klíčový požadavek pro tyto druhy dopravy je možnost skladování co největšího množství energie na palubě v co nejmenším objemu a s co nejmenší hmotností. Takže, dokud nejsou vyvinuté motory na vyhubení hmoty a antihmoty nebo na zpracování jaderné energie, budoucnost nákladní dopravy spočívá v uhlovodíkových palivech.

Osobní vozy ale nemají tak vysoké bariéry co se týče poměru energetické hustoty/ celkové váhy vozu. Zde je proto přesun od spalovacích motorů a uhlovodíkových paliv na elektrické motory a elektřinu mnohem pravděpodobnější. Hlavní hnací silou této změny je nutnost snížit emise skleníkových plynů a podíl osobních aut na jejich množství. Na úrovni automobilů elektrifikace tento podíl sníží na nulu. Výroba jako taková ale může, i když nemusí, vytvářet emise skleníkových plynů. Je proto důležité udělat strategická rozhodnutí o zdrojích elektřiny (uhelné, jaderné, obnovitelné) a vytvořit systémy efektivního skladování - nezapomeňte, že elektrony jsou subatomární částice a chovají se podle zvláštních řádů kvantové fyziky. Jejich skladování je proto mnohem náročnější než skladování molekul. Existující technologie se zdá být v neshodě nejlepší cestě, jak elektrifikaci vozidel implementovat. Existují dva hlavní způsoby: využití baterií (zde jsou hlavní překážkou váha a cena surovin) nebo vodíkové palivové články (zde je náročná produkce i skladování vodíku). Je zajímavé, že na Dálném východě Japonsko sází na technologii vodíkových palivových článků, se závazkem zavést 400 000 takových vozů včas na Olympijské hry 2020 v Tokyu. Čína zatím těžce investuje do výzkumu a vývoje bateriových technologií, včetně pátrání po strategických zdrojích nezbytných surovin. Tento technologický závod bychom měli pečlivě sledovat a opatrně zvážit lekce, které z něj plynou.

Česká republika by mohla být sídlem až osmi nových čerpacích stanic na vodík do roku 2023, se vzrůstem na dvanáct do roku 2025. České Ministerstvo Dopravy se zavázalo k podpoře vodíkových čerpacích stanic ve výši 1.2 miliard CZK, což je významná investice s ohledem na klesající ceny výstavby vodíkových stanic i distribuce. Globální instituce jako Hydrogen Coucil prohlašují významné pokroky v produkci i distribuci vodíku a zvýrazňují jeho rostoucí důležitost v energetickém mixu. A zatímco většina vodíku je v současnosti produkována z fosilních uhlovodíkových zdrojů, společnosti jako Unipetrol usilovně pracují na optimalizaci výroby vodíku z alternativních zdrojů, např. elektrolýzou vody.

Pravděpodobnost využití: Elektromagnetická síla, ať už ve formě spalování uhlovodíků nebo elektřiny s námi z mnoha důvodů, od produkce po skladování a distribuci, ještě dlouho zůstane. Zatímco nákladní transport zcela určitě bude nadále ovládán využitím uhlovodíkových kapalných paliv, u osobních vozidel bychom mohli vidět změnu. Otázka je, jak vypadá automobilový motor budoucnosti? Bude to motor spalovací nebo elektrický? Mnoho závisí na implementaci technologických experimentů, které se v současnosti dělají i širší diskuzi ve společnosti. Pravděpodobnost implementace v příštích deseti letech:  Uhlovodíková kapalná paliva: 100% - jsou současnými držiteli úřadu paliv a bude velmi těžké je nahradit. Elektron/elektrifikace: 30% šance hromadné implementace v nastávající dekádě. Nakonec ale velmi pravděpodobně budeme využití uhlovodíkových paliv nahradit, ať už palivy na bázi vodíku nebo elektrickou sítí.

Chcete se vsadit o budoucnosti paliva?

Michael Londesborough