Hybridní vodíkový pohon pro tanky budoucnosti
V současné době, patří vodíkový pohon mezi alternativní technologie, kterými by mohl být v budoucnu nahrazen spalovací motor na benzínový či naftový pohon. Tradiční fosilní zdroje jsou nahrazovány alternativami především kvůli produkovaným emisím a vyčerpatelnosti fosilních zdrojů. Oproti tomu je vodík prakticky nevyčerpatelným zdrojem energie a jeho spalování produkuje pouze vodní páry. V současnosti existuje řada projektů, které se snaží o to, aby se stal vodíkový pohon životaschopnou variantou tradičních paliv. Na tomto výzkumu se podílí také Česká republika. Vodík lze vyrobit mnoha způsoby z různých zdrojů. Prozatím dominuje výroba z fosilních paliv, doplňuje ji elektrolýza vody a v budoucnu se počítá s výrobou vodíku pomocí jaderné energie nebo biomasy. Další způsob, jak v budoucnu vyrábět vodík, je založen na průmyslové využitelnosti přírodních procesů, od některých bakterií, nebo výroba vodíku ze štěpení s využitím sluneční energie (mezinárodní projekt Hydrosol). Vodíkový pohon bývá řazen k tzv. hybridním pohonům, u kterých jde o kombinaci několika zdrojů energie pro pohon vozidla. Elektromotor ve vodíkových dopravních prostředcích získává energii z palivových článků (reakce vodíku a kyslíku) a akumulátoru. V případě osazení do větších vozidel, je možno část energie ukládat do ultrakapacitorů. Pokud jde o možnost skladování vodíku, tak zde je několik možností. V současnosti bývá skladován především v plynném stavu pod tlakem kolem 350 barů v bezešvých ocelových nádobách nebo pod vyššími tlaky do 700 barů v uhlíkových nádobách. Technicky i energeticky náročnější je skladování vodíku v kapalném skupenství. Vodík může být skladován i v pevných látkách, což patří mezi alternativní technologie, se kterými se počítá v budoucnu. V současnosti se s vodíkovým pohonem především experimentuje, ale první vozidlo poháněné vozdíkem vzniklo již před 210 lety.
Historie
V roce 1807 zkonstruoval švýcarský inženýr François Isaac de Rivaz (1752-1828) jeden z prvních automobilů, zároveň se jednalo o první vůz se spalovacím motorem. Jako palivo pro pohon sloužil vodík, motor dokonce používal elektrické zapalování a vodík se v něm mísil se vzduchem. Jako nádrž sloužil balonek naplněný plynným vodíkem. Jednalo se o motor s volným pístem, kdy na místo klikového mechanismu, se o převod hnací síly staral hřebenový převod a následně soustava kladek, řetězů a volnoběžek. Celý spalovací proces motoru byl ovládán manuálně. Vpouštění vzduchu i vodíku do válce, stejně jako zapalování tedy ovládal ručně sám řidič vozidla. Ruční zapalování probíhalo pomocí stisknutí tlačítka, načež došlo k výboji z Voltova článku. V roce 1813 de Rivaz zkonstruoval vylepšené vozidlo. Nyní šlo o velké, šest metrů dlouhé a téměř tunu vážící vozidlo. Jeho podoba se ale nedochovala. Další vývoj poněkud ustrnul a až v roce 1860 zkonstruoval belgický konstruktér Jean Joseph Étienne Lenoir (1822-1900) automobil nazvaný Hippomobile. O pohon se staral jednoválcový dvoutaktní motor, u něhož ale před zážehem nedocházelo ke stlačení směsi. O zapalování směsi se starala rovněž cívka. Jako palivo mohl sloužit svítiplyn, ale Lenoir u vozidla použil vodík, který si auto vyrábělo elektrolýzou. Průměrná rychlost vozu byla zhruba 3 km/h a odpovídala tempu volné chůze. Nevýhodou tohoto motoru byla velká spotřeba, hlučnost a přehřívání. Celkem se ale vyrobilo a prodalo zhruba 400 těchto motorů. Dalším pokus proběhl v roce 1933, kdy norská hydroelektrárenská společnost upravila jeden ze svých malých nákladních vozů pro vodíkový pohon. Vodík se získával reformací čpavku opět přímo ve vozidle. Spalovací motor byl již klasický čtyřdobý. Během obléhání Leningradu přestavěl Boris Schelishch 200 nákladních vozů GAZ AA pro pohon na vodík.
Moderní hybridní pohon
První vozidlo poháněné palivovými články, tedy způsobem, kdy není vodík spalován v motoru, ale v palivových článcích slouží k výrobě elektřiny, vzniklo v roce 1959. Šlo o traktor Allis-Chalmers, jehož palivové články dodávaly výkon 15 kW. Prvním automobilem s vodíkovými články je pak GM Electrovan z roku 1966. Palivové články nejsou pohonem v pravém slova smyslu. Palivový článek je měnič, v němž se uvolněná chemická energie mění v energii elektrickou. Získaná elektřina se používá k napájení elektromotoru. Prvním autem, které bylo schopné jezdit jak na vodík, tak benzin byl podle všeho experimentální Cadillac Seville z roku 1977. Stejný koncept předvedlo v roce 1979 také BMW, které poprvé použilo pro vodíkový i benzinový pohon motor s přímým vstřikováním. Šlo o šestiválec s objemem 3,5 litru, auto ale neslo označení 520h. Významný boom zaznamenávají vodíková experimentální auta především v devadesátých letech. Tahouny jsou GM, BMW, Daimler, Toyota i Mazda, s vodíkem to ale zkouší i další výrobci. V roce 2001 se vedle vodíkového BMW objevila i Lada Niva a vývoj pokračuje i nadále. Vodíkový pohon se rozšířil téměř do všech druhů dopravních prostředků, ať už ve formě prototypů nebo sériových produktů. Existují vozidla, letadla i plavidla s vodíkovým pohonem. Nejrozšířenější jsou vodíkové automobily a vodíkové autobusy. Nemalé prostředky jsou vynakládány na vývoj a výrobu hromadných dopravních prostředků. Autobusy na vodík se staly součástí provozu v evropských městech (Berlín, Barcelona, Londýn, Oslo a další), mezi ně patří i české Neratovice, kde byly vytvořeny podmínky pro provoz vodíkového autobusu s názvem TriHyBus.
Z našeho pohledu je ale klíčové Chevy Colorado ZH2 s elektrickým pohonem a vodíkovými palivovými články. Vozidlo bylo představeno v roce 2016, a na jeho vývoji spolupracuje společnost General Motors s US Army, konkrétně s TARDEC (Tank Automotive Research Development and Engineering Center). ZH2 je de facto militarizovaný civilní pick-up Chevrolet Colorado ZR2 (představen 2014). Díky elektrickému pohonu má ZH2 skvělé vlastnosti pro jízdu v terénu, protože elektrický motor má maximální krouticí moment od nulových otáček. Zajímavostí pohonu Colorado ZH2 je, že jeho palivové články jsou plně mobilní. Mohou tak energií napájet techniku i mimo vozidlo v případě, že není k dispozici jiný zdroj energie. Podle představitelů armády jde v praxi o velmi důležitou výhodu vodíkového pohonu. Mezi ty další patří hlavně nízká hlučnost, minimální tepelná stopa a solidní výkony. Nabízí se proto například nasazení při tajných misích. Speciálně vyvinutý podvozek má odolat všem zkouškám, které si na něj vojáci vymyslí. Cílem je naplno otestovat spolehlivost a užitečnost vodíkového pohonu ve vojenských misích. Vojenské zkoušky jsou plánovány na rok 2017.
Hybridní pohon pro tanky
Co se týče vodíkového pohonu pro těžší vozidla, tak v USA se po roce 2021 počítá s vývojem hybridních pohonných jednotek, které umožní dále zvýšit energetickou hustotu a dovolí radikálně zjednodušit mechanismus transmise. Přímý pohon pásu zajistí elektrické motory, které poskytují maximální krouticí moment od nulových otáček. Odpadá tak nutnost přenášet výkon motoru přes převodovku – elektromotor může být přímo "napojen na kola" nebo být přímo v kolech, což si patentoval již Porsche. Energii elektromotorům má dodávat kompaktní dieselový motor, ale je klidně možné, že by jej v budoucnu nahradily vodíkové palivové články, které by sloužily k výrobě elektřiny. Pokud jde o hybridní pohon tanků, tak je vhodné připomenout rodáka z Vratislavic nad Nisou, Ferdinanda Porscheho (1875-1951). Ferdinand Porsche navrhnul a zkonstruoval zkušební těžký tank VK3001 (P), jehož pohonná soustava se skládala ze dvou deseti válcových motorů Porsche 100 každý o výkonu 210 koní, dvou generátorů a dvou elektromotorů Siemens. U tohoto uspořádání nepoháněl spalovací motor přímo hnanou nápravu ale pouze elektrický generátor. Ten potom dodával energii elektromotoru jež teprve poháněl nápravu. Výhodou tohoto složitého řešení byla o poznání větší plynulost jízdy. Řízení těžkých pásových vozidel, obzvláště v náročném terénu, nebylo vůbec snadnou záležitostí a tento systém pohonu jej měl usnadnit. V praxi však byla tato výhoda převážena nešvary kombinovaného pohonu, zejména zvýšenou poruchovostí a velkými ztrátami energie. V dnešní době, kdy jsou materiály mnohem kvalitnější a elektronické systémy mnoho problémů mohou vyřešit, jsou Porscheho konstrukční řešení znovu moderní a postupně se oprašují. Jako příklad můžeme uvést bezpřevodový elektromotor umístěný v náboji kola (1897). Podobné řešení by tak nabízelo mnoho výhod, obejití problémů s převodovkou a zásobením systému elektřinou. Přímý pohon hnacích kol pásu tanků zajistí elektrické motory, které poskytují maximální krouticí moment od nulových otáček. Odpadne tak nutnost přenášet výkon motoru přes převodovku a složitou transmisi. Obdobný hybridní pohon je zavedený již u moderních osobních automobilů, ale od Porscheho časů nebyla využita. Moderní Německo je velmocí co se týče vývoje vodíkového pohonu vozidel v Evropě a spalovací motor na vodík mají automobily od společnosti BMW. Německo také hodlá do roku 2030 opustit pohon na spalování fosilních paliv, je tedy možné, že vyvíjený nový tank, projekt MCGS, by mohl využívat hybridní pohon. Přesněji elektrickým pohon a vodíkové palivové články. Zde se ale jedná až o blízkou budoucnost.
Technologie pro blízkou budoucnost ?
Jak již ale bylo řečeno v úvodu, problémem je, že čistý vodík se na zemi nenachází a je nutno jej vyrobit, což spotřebovává energii. Pokud se v budoucnu nebudeme chtít vázat na výrobu vodíku z fosilních paliv, která v současnosti probíhá poměrně snadno ze zemního plynu nebo ropy a uhlí, tak musíme hledat alternativní možnosti. Jednou je elektrolýza vody. Elektrolýza je proces, při kterém stejnosměrný proud při průchodu vodným roztokem štěpí chemickou vazbu mezi vodíkem a kyslíkem. V současnosti 4 % produkce vodíku. V budoucnu se počítá s výrobou vodíku pomocí jaderné energie nebo biomasy. Další způsob, jak v budoucnu vyrábět vodík, je založen na průmyslové využitelnosti přírodních procesů. Při rozkladu organických látek se za přispění některých bakterií uvolňuje vodík, a to je předmětem zájmu specialistů z oboru genetického inženýrství. Stranou nezůstává ani výroba vodíku ze štěpení ve vodě s využitím sluneční energie (mezinárodní projekt Hydrosol). Je nutno připočítat i náklady na samotné stlačení plynného vodíku a dopravu vodíkových nádrží. Pokud konstruktéři zvolí palivové články, tak jejich výroba je v současnosti nákladná a vyžaduje vzácné kovy, například platinu. Nádrže na plynný vodík zabírají dost prostoru, ale v budoucnu snad dokážeme vodík chemicky vázat na krystaly kovů, čímž se problém skladování vyřeší. Tato technologie se dělí na dvě podskupiny – na materiály, které fungují na fyzikálních principech (adsorbují vodík do svého povrchu) a materiály, které fungují na bázi chemických vazeb vodíku do hmoty materiálu. Do první skupiny spadají grafeny (forma uhlíku podobná grafitu), uhlíkové nanostruktury, skleněné mikrokapsle, kovoorganické soustavy (metal-organic framework, MOF) a zeolity. Do druhé skupiny patří hydridy kovů a alkalických zemin a komplexní hydridy. Zde dochází při styku s vodíkem k reakci, při které se uvolňuje teplo a vodík se váže do chemických vazeb daného materiálu. Opětovného uvolnění vodíku z nosné látky dosáhneme jejím zahřátím. V této oblasti je ještě spousta neprozkoumaného prostoru a velké množství nadějných sloučenin. Některé ze zatím objevených látek mají schopnost absorbovat velké množství vodíku, jiné jsou schopné pracovat při nízkých teplotách, další mají téměř neomezený počet dobíjecích cyklů a vynikají rychlou regenerací. V současnosti se hledá sloučenina, která bude v rozumné míře splňovat všechny tyto čtyři parametry a zároveň budou mít výhodný hmotnostní a objemový poměr. Již první prototypy zaberou (na ujeté km) jen polovinu místa ve srovnání s elektrickými bateriemi. Teprve čas ukáže, ve které z těchto oblastí dojde k zásadnímu průlomu. Jisté ale je, že vodíkový pohon může být klíčovou technologií pro dobu budoucí.
Zdroj:
http://www.nazeleno.cz/vodikovy-pohon.dic
http://www.defensenews.com/articles/hyd ... y-vehicles
http://www.nazeleno.cz/technologie-1/hy ... -2025.aspx
http://auto.idnes.cz/prvni-vodikove-aut ... tomoto_vok
http://www.armadninoviny.cz/10-nejvetsi ... -2016.html
http://autosalon.iprima.cz/vodikovy-che ... udoucnosti
https://cs.wikipedia.org/wiki/Ferdinand_Porsche
https://en.wikipedia.org/wiki/Fran%C3%A ... c_de_Rivaz
https://cs.wikipedia.org/wiki/%C3%89tienne_Lenoir
http://palba.cz/viewtopic.php?f=173&t=1963
François Isaac de Rivaz a jeho vozidlo
Jean Joseph Étienne Lenoir
Ferdinand Porsche, průkopník benzíno-elektrického pohonu
Každé vozidlo naplněné vodíkem se stává při havárii potencionelním "Hindenburgem" 
... Z uhlím poháněného vozu se při havárii uhlí nanejvýš vysype. 
