Pozornost se u vodíkové trakce obvykle upírá hlavně k samotnému vlaku. Pro dopravce je však stejně podstatná i plnicí stanice, její technické řešení a každodenní obsluha. Proto jsme se obrátili na odborníky z Výzkumného Ústavu Železničního, a.s. (VUZ), kteří se vedle zkušebnictví a certifikace věnují také technickým konzultacím a posuzování nových železničních technologií, aby přiblížili, co vodíkový provoz znamená nejen pro vozidlo, ale i pro navazující infrastrukturu.
Vodíkový vlak je z technického hlediska běžný elektrický vlak s menší baterií; rozdíl je v tom, odkud bere elektřinu. Místo aby ji odebíral z trakčního vedení sběračem, veze si vodík v tlakových zásobnících a na palubě jej v palivovém článku přeměňuje na elektřinu, přičemž ještě vzniká teplo a vodní pára. Vše za palivovým článkem je v zásadě běžná elektrotechnika, kterou známe dlouho. Neznámou však zůstává právě vodíková část, která se netýká jen samotného vlaku, ale také plnicí infrastruktury a provozního zázemí.
Co plnicí stanice obstarává
Vodík se na místo dopravuje v tlakových nádobách o tlaku až 400 bar (40 MPa), zatímco palubní zásobníky vlaku mají obvykle jmenovitý tlak 350 bar (35 MPa). Nejjednodušší postup plnění je obě nádoby propojit a nechat pracovat fyziku: plyn samovolně proudí z místa vyššího tlaku do místa nižšího. Funguje to ovšem jen zpočátku. Jak se tlak v transportní nádobě a v palubním zásobníku vyrovnává, průtok klesá a plnění se protahuje; urychlit je lze pouze připojením další, plnější nádoby o vyšším tlaku.
Tento způsob plnění však není výhodný, neboť po vyrovnání tlaků stále v transportní nádobě zůstává značné množství vodíku, v krajním případě až polovina dovezeného objemu.
Právě proto využíváme plnicí stanici. Kombinuje prosté vyrovnávání tlaků s aktivním stlačováním vodíku při plnění do vlaku, takže plnění zůstává rychlé a transportní nádobu vyprázdní téměř beze zbytku. Tato nenápadná funkce rozhoduje o tom, na čem dopravci záleží: jak dlouho vlak při plnění stojí a jakou část každé dodávky vodíku nakonec využije.
Proč se plnění vodíku nepodobá tankování nafty
Srovnání s tankováním nafty příliš neobstojí. Při čerpání nafty postačí běžná opatrnost a hlavním rizikem je únik nafty s možnou kontaminací půdy. Vodík je sice netoxický, tvoří však hořlavou směs v širokém rozmezí koncentrací se vzduchem, zhruba od 4 do 75 objemových procent. Právě toto velmi široké rozmezí určuje konstrukci stanice i provozní postupy plnění.
Využití vodíku pro nás není neznámé. Vodík se jako stlačený technický plyn používá téměř sto let, od řezání kovů po chemický průmysl, takže jeho vlastnosti, využití i rizika jsou dobře popsané. Nové je nasazení v železničním provozu a rozsah jeho využití, případně skladování na místě plnění, nikoli plyn samotný. Předpisy a normy pro plnění vodíku se přitom stále vyvíjejí, spolu s tím, jak roste jeho využití v dopravě.
Co vodíková trakce skutečně ušetří
Hlavní teze zní, že vodíkový vlak v místě spotřeby vypouští pouze vodu. Čísla, která za ní stojí, si zaslouží rozepsat, protože jsou méně přímočará, než se na první pohled zdá.
Zkusme si vše ukázat na jednoduchém příkladu vlaku s palubním zásobníkem o objemu 24 m³ a tlakem 350 bar. Při teplotě 15 °C pojme přibližně 576 kg vodíku. Při výhřevnosti 33,3 kWh na kilogram nese plný zásobník kolem 19,2 MWh energie. Rozhodující je však přeměna: palivový článek z této energie přemění na elektřinu jen zhruba polovinu, takže k pohonu vozidla se reálně využije okolo 9,6 MWh. Z pohledu vozidla jde o stejných 9,6 MWh, které by srovnatelný elektrický vlak odebral z trakčního vedení sběračem. Zásadním rozdílem vodíkové trakce má být skutečnost, že nevypustí žádný oxid uhličitý.
Abychom dokázali určit skutečnou úsporu CO2 vodíkového pohonu oproti dieselovému pohonu vozidla, který má nahradit, potřebujeme znát srovnatelné informace od obou typů vozidel, při shodném vezeném nákladu na shodné trati. Protože zajištění takových informací není snadné, nahradíme je níže uvedeným příkladem.
Pokud uvažujeme vodíkový vlak s konstantním odběrem 1000 kW a porovnáme jej s dieselovou obdobou, pak můžeme jednoduše spočítat, že při účinnosti dieselové trakce 20% a výhřevnosti nafty 12 kWh/kg je analogická spotřeba nafty.
(9600 kWh / 20 % / 12 kWh) = 4000 kg.
Spálením 1 kg nafty vznikne 2,64 kg CO2, takže vodíková trakce ušetří 2,64 x 4000 = 10,56 tun CO2!
Na původu vodíku záleží stejně jako na vlaku
Tvrzení o tom, že při využití vodíku je kromě elektřiny výsledným produktem již jen voda, platí pro vlak, nikoli však pro vodík. Zda je celý systém nízkoemisní, závisí na způsobu výroby vodíku, a drtivá většina dnes vyráběného vodíku zdaleka čistá není. Naprostá většina vodíku pochází z fosilních zdrojů, např. z parního reformingu zemního plynu, parciální oxidace ropy anebo zplyňování uhlí; na elektrolýzu vody zbývá jen malý podíl (uvedené podíly jsou orientační a liší se podle zdroje a roku). Veškerý takový vodík z neobnovitelných zdrojů je označován za šedý.
Česká výroba vodíku do tohoto obrazu zcela zapadá. Je navázána na stávající procesy chemického průmyslu, především na výrobu amoniaku a na petrochemii, ročně přesahuje 100 000 tun a je v celém rozsahu šedá. Teprve zelený vodík, vyrobený elektrolýzou z přebytečné elektřiny z obnovitelných zdrojů, činí vodíkový vlak skutečně nízkoemisním. Nejdostupnější bude tam, kde výroba elektřiny z větru a slunce bude přebytková, typicky v přímořských zemích s denní fotovoltaikou a noční větrnou energií. Střední Evropa je na tom hůře: na trvalý přísun levné přebytečné elektřiny zde spoléhat nelze.
Poctivá bilance
Argumenty pro vodík jsou reálné. Je netoxický, mimořádně lehký a lze jej vyrobit obnovitelně z přebytečné elektřiny. Přináší elektrický pohon na tratě, které trakční vedení nemají a patrně ani z ekonomických důvodů mít nebudou. Taková analýza a ekonomické vyhodnocení byla předmětem projektu, na kterém Výzkumný Ústav Železniční, a.s. (VUZ) již pracoval, když se v projektu regionálních vodíkových vlaků podílel na výběru českých tratí vhodných pro jejich provoz.
Podobné posuzování není jen technickou otázkou vozidla, ale i součástí širších konzultačních činností VUZ, včetně oblasti ESG, tedy hodnocení environmentálních dopadů a udržitelnosti provozu. U technologií označovaných jako nízkoemisní je právě celková bilance rozhodující: zahrnuje původ vodíku, způsob jeho dopravy a skladování, plnicí infrastrukturu, bezpečnostní pravidla i organizaci provozu.
Vodíková trakce tak není univerzálním řešením, ale spíše doplňkem tam, kde elektrifikace nedává smysl. Její přínos bude vždy záviset nejen na vozidle samotném, ale především na dostupnosti nízkoemisního vodíku a efektivitě celého energetického řetězce.
