Ideální auto do města

Jako životaschopný dopravní prostředek vidíme jen vozidla se spalovacími motory, nebo elektromobily s trakčními bateriemi, což jsou jediné dvě technologie, které těží z více než stoletého komerčního rozvoje. Přičemž Evropská komise hodlá výrobu automobilů utlumit a na evropských silnicích chce vidět jenom auta, u kterých se nedají naměřit žádné lokální emise C02. Sem samozřejmě patří elektromobily, včetně těch s palivovými články. Ale také opomíjené pneumobily, tedy vozidla na stlačený vzduch, u nichž vývoj ještě nevedl k fázi sériové výroby, tedy komercializaci.

Jenomže za současné situace, kdy namísto přizpůsobení se klimatu s ním politici hodlají bojovat, právě přehlížené pneumobily představují výzvu a příležitost se blýsknout i pro naše konstruktéry. Při vývoji těchto aut nemusí začínat od nuly, neboť bylo již patentováno několik vzduchových motorů pro automobily a na svět přišla řada funkčních prototypů osobních vozů i malých dodávek, poháněných stlačeným vzduchem. Ale nabízí se tu otázka, zda by se funkce takových motorů dala optimalizovat či vylepšit, kdy třeba funkce moru by zůstala stejná, ale cena za jeho výrobu by byla co nejnižší. Ovšem některé komponenty pneumobilů byly již dostatečně prověřeny v praxi. Třeba lehké nádrže z uhlíkových vláken, montované do pneumobilů, bezpečně drží stlačený vzduch pod tlakem i více než 300 barů, tedy 30 MPa, což je činí srovnatelnými s kvalitními ocelovými nádržemi.

Bohužel však vzduch má relativně nízkou hustotu energie (energy density). Je sice známo, že hustota energie vzduchu se může více než zdvojnásobit, pokud je vzduch ohříván před expanzí. To vzhledem k současnému „bezemisnímu“ trendu při globálním oteplování však hořákem spalujícím bioethanol, který u některých svých modelů hodlala využívat společnost Motor Development International (MDI), když tak chtěla prodloužit dojezd pneumobilu, nepůjde už realizovat, poněvadž i spalování lihu vede k zakazovaným emisím C02.

Je třeba se tak zamyslet nad novějším řešením, mířícím do rodiny hybridů, kdy vůz bude mít elektrifikované pohonné ústrojí. Tedy nad koncepcí, kdy stlačený vzduch v autě, prostřednictvím vzduchového motoru, bude vyrábět elektrickou energii pro elektromotor.  Nejspíše půjde o využití rotačního motoru (pro úsporu místa umístěného horizontálně), kam patří Wankelův motor, v němž je vratný pohyb pístu nahrazen jeho rotací, tedy se jedná o motor, ve kterém dochází k rotaci pístu. K tomu je třeba podotknout, že například v Austrálii k pohonu automobilů i motocyklu užívaný Pietriho vzduchový motor společnosti EngineAir je také rotační motor, v němž mění trojboký píst rotací objem uzavřených komor bez potřeby klikového mechanismu. Ovšem rotační motor mohou různě vylepšovat i jiní inženýři.

Jako když pozornost expertů v roce 2000 upoutal patent Petra Szorneyiho, v němž přišel s novou koncepcí rotačního motoru, neboť v motoru původní trojúhelníkový píst nahradil čtyřmi vzájemně propojenými segmenty. Nápadu se ujala australská společnost Rotary Engine Developement Agency (REDA), která začala na motoru pracovat, aby pak roku 2008 přišla s prvním funkčním prototypem. Výsledky však nebyly nijak přesvědčivé. Problémem tu bylo opět vysoké zatížení těsnění na vrcholech pístu, které jsou nezbytné pro oddělení jednotlivých fází spalovacího procesu. Proto došlo v roce 2017, pět let po smrti Petra Szorneyiho, k zásadní konstrukční změně, kdy se vedoucí vývoje Peter King rozhodl vypustit jeden ze segmentů. Píst tak začal opět připomínat ten trojúhelníkový ve Wankelově motoru, ale jen z pohledu počtu stran. Co je však důležité, v případě jednotlivých komor má teď motor dvojnásobný počet těsnění. Zatímco původní Wankel měl tři, v tomto motoru má každý segment dvě těsnění. Podle Kinga to vyřešilo problémy s netěsností, mazáním i ztrátou výkonu.

Oproti tomu výše již zmiňovaný motor australské společnosti EngineAir stojí na starším vynálezu, který si patentoval Angelo Di Pietro. Ten v letech 1969 a 1970 pracoval na Wankelově rotačním motoru ve výzkumných laboratořích Mercedes Benz ve Stuttgartu. V roce 1971 se přestěhoval do Austrálie, ale i zde pokračoval ve vylepšování motoru, až nakonec v roce 1999 přišel se zásadním průlomem v jeho designu.  Dnes je vzduchovým motorem společnosti EngineAir Pty Ltd, založené v roce 2000 s cílem provádět výzkum a vývoj konstrukce vzduchového motoru, kterou vynalezl a poprvé vyzkoušel Angelo Di Pietro v roce 1997, vybaveno několik prototypů pneumobilu, ale i motocyklu, rovněž poháněného stlačeným vzduchem. Ten byl představen týmem RMIT university z Melbourne v roce 2012 na výstavě Sydney Motorcycle and Scooter Show, zde video. Na jednu láhev stlačeného vzduchu má O2 Pursuit v terénu celkem slušný dojezd 100 kilometrů, přičemž na stlačený vzduch díky motoru od EngineAir může jezdit rychlostí až 140 kilometrů v hodině.

Pokud jde pak o využití Wankelova motoru v dnešních hybridech, plánuje jej Mazda od roku 2030 využívat v chystaném plug-in hybridním modelu MX-30 R-EV se stále zapnutým rotačním generátorem, kde by Wankelův motor neměl pohánět přímo kola, ale ve funkci palubního generátoru vyrábět elektřinu. A jak říkají experti, je to motor kompaktní, lehký, bez vibrací a konstrukčně jednoduchý (nemá rozvody, ventily, vyvažovací hřídele). A může jako generátor pracovat i v optimálním pásmu konstantních otáček, kdy umí být překvapivě úsporný. Přičemž jako výhodu Mazda zde vnímá možnost využívat zkapalněný ropný plyn (LPG), tedy propan-butan, místo benzínu. Není pak bez zajímavosti, že v roce 2010 automobilka Audi představila experimentální prototyp A1 E-tron, poháněný zhruba stejným hnacím ústrojím, na kterém dnes pracují inženýři Mazdy. Kombinace elektrického pohonu s generátorem v podobě Wankelova motoru, umístěným pod podlahou zavazadlového prostoru, měla automobilku Audi posílit v konkurenčním boji s BMW. Mateřský Volkswagen měl však odlišnou představu o budoucnosti elektromobilů a projekt hybridu s Wankelovým motorem byl zakonzervován kvůli údajné nedostatečné životaschopnosti pro sériový model.

V případě hybridního pneumobilu nám něco napovědět můžou i auta na vodík, kdy sloučením vodíkového paliva s kyslíkem v palivovém článku rovněž dochází k produkci elektřiny. Z vodíku získanou elektrickou energii totiž vozidlo následně uchovává v akumulátoru, který ani zdaleka nemusí být tak velký, jako u bateriových elektromobilů. Zato však slouží k vyrovnání aktuální spotřeby motoru a během jízdy je průběžně dobíjen při optimální regulaci výkonu baterie v zájmu co nejlepších reakcí za všech rychlostí jízdy. V případě k nám mířící Toyoty Mirai, kde každý vodíkový článek sám o sobě generuje slabé napětí, je ve vozidle větší množství článků spojeno do série a zkompletováno do jedné uzavřené, poměrně velké jednotky. Ani tím se však nedá vyhnout všelijakým patáliím s vodíkem, tankovaným v autě do vysokotlakých nádrží na 700 barů, tedy plných 70 MPa.

Tedy zdrojem kinetické energie, kterou lze převádět na elektřinu, u hybridního pneumobilu bude nastartovaný vzduchový motor. Činnost vzduchového motoru bude kombinována s činností elektromotoru, podobně jako tomu bývá u spalovacích motorů, kombinovaných s elektromotorem, kde je však rozdíl mezi hybridem, plug in hybridem a mild hybridem. Namísto velké a těžké trakční baterie tedy můžou být hybridní pneumobily vybaveny akumulátorem vyšší kapacity, jako například u současných plug-in hybridů, kdy umí elektromotor obstarat pohon auta po několik desítek kilometrů. Dobíjení baterie u dnešních plug-in hybridů probíhá pomocí spalovacího motoru, rekuperací, nebo z elektrické zásuvky. Plug-in hybrid se tak stává výhodným pro ty, kdo potřebují občas jet někam dál, ale většinou jen na nákup nebo prostě ujet do 40 kilometrů za den. Avšak akumulátor plug-in hybridního vozu se musí plně nabíjet a elektrické zásuvce se nevyhne. Naproti tomu u hybridního pneumobilu se bude dobíjet vzduchovým motorem a rekuperací (procesem přeměny kinetické energie automobilu zpět na využitelnou elektrickou energii při nutném zpomalování vozidla), tedy elektrickou zásuvku neuvidí.

V současné době jsou hybridy nejčastěji spojeny s elektřinou, což přináší snížení spotřeby paliva a emisí C02. Ovšem francouzská skupina PSA, výrobce vozů Peugeot a Citroën, na Geneva Motor Show 5. března 2013 představila prototyp Citroen C3 Hybrid Air, při jehož vývoji měl koncern PSA přihlásit více jak 80 světových patentů. Autorem tohoto projektu byl Karim Mokaddem, který však v případě technických podrobností u tohoto prototypu nebyl moc sdílný. Jisté je, že pod kapotou modelu C3 je vestavěn zážehový motor se spotřebou 2,9 l benzínu na sto kilometrů,  doplněný o planetovou převodovku a hydraulický motor. Spalovací motor pracuje hlavně na delších cestách mimo město a hydraulický motor především ve městě, přičemž sám je schopen vyvinout rychlost 70 km/h.  Tento unikátní motor pohání vzduch z nádrže, umístěné v tunelu uprostřed vozu. Brzdění nebo zpomalování při jízdě stlačuje vzduch zpět do systému, stejně jako u běžného hybridu dobíjí baterii.

Oproti běžným hybridům i propracovanějším plug-in hybridům má být konstrukce PSA Hybrid Air nejen hospodárnější v provozu, ale také lehčí a výrazně levnější. U daného systému podle výrobce také nehrozí, že by docházelo ke snížení účinnosti v chladných nebo velmi horkých podmínkách. Otázkou tak zůstává, proč se vlastně toto ideální auto do města nedočkalo na rok 2016 plánované sériové výroby. Inu, nejspíše to bylo tím, že Evropa v té době již byla plná všelijakých energeticko-klimatických závazků a Evropská komise se vehementně opřela do snižování emisí skleníkových plynů, především pak C02, který produkoval i spalovací motor v tomto francouzském prototypu. Ale ještě není všem dnům konec. A třeba koncern PSA v tichosti pracuje na novém motoru, který již nebude produkovat emise C02 a spalovací motor v jejich konceptu Hybrid Air jednou nahradí.

Ale vraťme se k uvažovanému konceptu hybridního pneumobilu. Ten má výhodu v tom, že o samotný pohyb vozu se stará elektromotor, jenž dokáže efektivně využít přes 90 % z dodané mu energie. Cestovní rychlost a celkový výkon soustavy již neurčuje práce vzduchového motoru, ale práce elektromotoru. U klasického pneumobilu čím rychleji vůz jede, tím markantněji (jde o exponenciální růst) ubývá v nádrži vzduchu. U nového systému by ale vzduchový motor s doplňkovým zařízením proud o potřebném napětí (podobně jako palivový článek) vyráběl průběžně, ať vůz jede rychle, nebo pomalu, kdy akumulátor je dobíjen při optimální regulaci jeho výkonu. Tak by se dala vynechat trakční baterie, vůbec nejtěžší a také nejdražší komponent elektromobilů (elektromobil bez této baterie by měl mít zhruba poloviční cenu), kterou by nahradil vzduchový motor. Přitom však k jízdě by vozidlo využívalo elektromotor s vysokou účinností, zde zabudovaný.

A pokud jde o vlastní provoz, řidič pak natankuje u výdejního stojanu vzduchové stanice za 2-3 minuty plnou nádrž a vzduchu bude mít na dojezd nejméně 150 km, jako současné prototypy pneumobilů. Nad malým dojezdem městského pneumobilu leckdo ohrne nos, i když řada elektromobilů z našich silnic na tom není o moc lépe: Volkswagen e-Golf dojezd 231 km, BMW i3 94 Ah dojezd 235 km, nebo Škoda Citigo iV dojezd 252 kilometrů v režimu WLTP, přičemž u testovaných elektromobilů se v případě jejich oficiálně udávaného dojezdu vždy ukázal rozdíl oproti realitě. Ovšem jak tomu nasvědčují poslední průzkumy, ve skutečnosti těch 150 kilometrů většina našich řidičů po městě či na vesnicích ujede za týden. V souvislosti s jízdním dosahem je třeba tu ještě připomenout, že elektromobily měly být prioritně určeny pro krátké vzdálenosti, především do měst. Takový elektromobil nemusí být velký, luxusní a nemusí mít baterii s vysokým elektrickým výkonem, jako je tomu v dnešní nabídce elektromobilů, v řadě států vládami dotovaných.

Pokud jde pak o vlastní cestování, řidiči elektromobilů jsou si vědomi toho, že pokud se s vybitou trakční baterií ocitnou na místě, kde není v dohledu žádná veřejná nabíječka, budou mít problém. Rovněž u hybridního pneumobilu, jako ideálního auta do města, kde nejvíce využije rekuperace, se může stát, že řidič se jednou ocitne v situaci, kdy už nemá dostatek stlačeného vzduchu v nádrži a nemůže pokračovat v jízdě ulicemi. V takovém případě mu ale stačí vytáhnout z kufru auta malou potápěčskou láhev se vzduchem, běžně tlakovanou na 300 barů. A pokud ji v autě nemá, může použít mobil a zavolat někomu, kdo mu láhev s natlakovaným vzduchem doveze.

Co je však nejdůležitější, plná nádrž stlačeného vzduchu (pokud vycházíme z dosavadních prototypů) i při dnešních cenách elektřiny z obnovitelných zdrojů, potřebné pro chod vysokotlakého kompresoru při tlakování zásobníků plnící stanice, by řidiče neměla stát více jak 100 Kč. A jestliže nemá ve voze reverzibilní vzduchový motor (ten využívá v pneumobilech společnost MDI), může si pořídit malou domácí plnící stanici s vysokotlakým zásobníkem, která zase až tak složitá a při sériové výrobě pak ani nesmírně drahá nebude. Tedy by nakonec mohl být rychle zaveden i typ sítě veřejných plnících stanic, které by pak, jako je tomu u na stejném principu založených plnicích stanic stlačeného zemního plynu (CNG), pomocí vysokotlakých zásobníků zajišťovaly rychlé plnění vzduchových nádrží narůstajícího počtu pneumobilů.

Nástup hybridních pneumobilů jako osobních automobilů, případně i malých dodávek, totiž může být poměrně rychlý, neboť se bude jednat o koncept levného auta pro široké masy obyvatel. Navíc bude tento hybrid určen do městského provozu, kam v brzké době budou smět jenom auta s nulovými lokálními emisemi C02. V takovém případě se pak rychle prosadí u nejrůznějších firem, ve městech využívajících auta na rozvoz zásilek či drobného zboží a cesty k zákazníkům. Právě firmy jako vůbec první si mohou dovolit, bez mudrování o její ceně, na svém pozemku instalovat vlastní plnící stanici se stlačeným vzduchem, která se bude vyznačovat snadnou instalací a minimálními nároky na stavební připravenost, podobně jako je tomu u plnící stanice CNG. A kdykoliv tam dorazí vůz s prázdnou nádrží, za pouhé 2-3 minuty si řidič nádrž služebního vozu naplní a může se vydat na další cesty. Rozhodně se tak, oproti elektromobilům, rychlým plněním ušetří spousta času, přičemž v dnešní uspěchané době platí, že čas jsou peníze.

Ale plničky pneumobilů pak jistě budou zřizovat i obchodní řetězce a nákupní centra, kde veřejné plnící vzduchové stanice především dávají smysl, když právě tam nákupů chtiví majitelé aut na stlačený vzduch budou mířit nejčastěji. Přičemž plničky mohou stát i na parkovišti v podzemí, když vzduch, na rozdíl od vodíku, LPG i CNG, je nehořlavý. A pokud budou plničky na parkovištích velkých řetězců stát pod širým nebem, pak při současném trendu využívání obnovitelných zdrojů se můžou řetězce rozhodnout pro osazení plničky malou ostrovní fotovoltaickou elektrárnou. Tak nejenže učiní zadost Evropské komisi zápasící s globálním oteplováním, ale navíc tím omezí i nákup energie od obchodníka s elektřinou.

Možná by stálo za to si tu zkusit porovnat, jak by dnes na tom byl majitel pneumobilu na vzduchové plnící stanici oproti majiteli elektromobilu s pořizovací cenou pod milion korun u nabíječky. Průměrná hodnota spotřeby elektromobilu se pohybuje kolem 15 kWh na 100 km. Přitom rychlé kilowatthodině za méně než 10 korun už odzvonilo, ceny nabíjení zvýšil o desítky procent i E.ON. U nejeexponovanější položky, což je standardní DC nabíjení, došlo pro registrované zákazníky k navýšení na 11,90 Kč/kWh, ultrarychlé nabíjení UFC pak zdražilo na 14,90 Kč/kWh (neregistrovaný zákazník u IONITY za jednu kWh už zaplatí 21 Kč).Tedy i když bude majitel elektromobilu nabíjet baterii svého vozu na stojanu pro ultrarychlé nabíjení, bude baterii při tradičním dobíjení z 10 na 80 % kapacity nabíjet mnohem déle, než bude plnit nádrž svého vozu majitel pneumobilu, který to zvládne za 3 minuty. A přitom bude majitel elektromobilu u nabíječky platit za 100 km jízdy zhruba 200 korun, oproti zhruba 100 korunám, které zaplatí majitel pneumobilu za plnou nádrž, která mu vystačí na dojezd více než 100 kilometrů. Co je však důležitější: zatímco u levnějších elektromobilů baterie vyžadují výměnu na konci jejich relativně krátké životnosti, nádrže na stlačený vzduch z uhlíkových vláken jsou dimenzovány na 20 000 cyklů. Což i při každodenním plnění je více než 50 let. 

Zde je pak třeba ještě vzpomenout skutečnost, že jedny z největších ztrát energie u elektromobilů paradoxně probíhají v momentě, kdy se trakční baterie nabíjí. Samotný proces nabíjení totiž znamená ztrátu přibližně 15 % energie. Ovšem v nabíjení trakční baterie elektromobilu se skrývá ještě jeden háček. Při nabíjení v baterii totiž probíhá chemická reakce a uvolňuje se teplo. Technologická chyba v baterii nebo špatně řízené nabíjení pak může vést k nebezpečnému přehřátí. Právě proto se v poslední době množí požáry elektrokol či seniorských tříkolek a dochází k nim právě při nabíjení. Zrovna tak může dojít k požáru u elektromobilu. A jakmile požár vypukne, je v podstatě nemožné ho uhasit, protože lithiové baterie v sobě mají vázaný kyslík, který hoření podporuje. Elektromobil je pak nutné na dva dny ponořit do vody a počkat, až nebezpečí hoření pomine. Naproti tomu u pneumobilů plnění nádrží vzduchem žádný požár vyvolávat nemůže.

Přesto bude sotva hrozit, že by se Evropská komise, vehementně prosazující elektromobily, rozhodla nám pneumobily nutit coby náhradu za auta se spalovacími motory. Zato však každý marketingový stratég ihned pochopí, že pneumobilem po nákupech či návštěvách ve městě i na vesnicích může drandit každý, kdo by autem rád jezdil týden za stovku. A jak se u nás říká: no nekupte to...!

POST SCRIPTUM            

Dnešní elektromobily, stejně tak jako vyvíjené pneumobily, mají jednu velkou nevýhodu: jejich motor negeneruje teplo, jako je tomu u spalovacího motoru, takže se auto musí vyhřívat jinak. Velmi důležitý je v elektrickém autě i teplotní management baterií, na který jsou kladeny speciální požadavky pro zajištění maximální účinnosti a životnosti. Celý termomanagement mají pak na starosti produkty, které jsou dnes vyvíjeny i u nás ve výzkumném a vývojovém centru Valeo v Praze. Ohřívání pomocí elektrického odporu zajišťují topná tělesa, která fungují na bázi tzv. pozitivního teplotního součinitele odporu, jinak též Positive Temperature Coefficient (PTC).

Topná tělesa mohou být napájena z vysokonapěťové sítě elektromobilu, tedy ze stejné elektrické sítě, na niž je napojen i elektromotor auta. Existuje i nízkonapěťová varianta využívaná v dnešních hybridech a varianta s palubní sítí 48 V, do které je napojen celý elektromobil včetně samotného pohonu. PTC se od dílů topení v autech se spalovacím motorem pak zásadně liší v tom, že v sobě mají zabudovanou vlastní řídicí jednotku. Jejich vývoj tedy nevyžaduje jen práci mechanických konstruktérů a hardwarových inženýrů, ale i spolupráci softwarových vývojářů.

Jde tedy o to, zda i v případě vzduchového motoru, vycházejícího ze systému s rotujícím pístem, by mělo předehřívání vzduchu vliv na jeho výkon či účinnost (jako je tomu u velkých pístových motorů od MDI), když se tak hustota energie vzduchu, tzv. energy density, dá navýšit. Pokud se ukáže, že ano, pak by v přívodu vzduchu do tohoto motoru mohlo být vestavěno topné těleso, které by předehřívalo vzduch před jeho expanzí. Naopak čistý vzduch, který výfukem vychází z pneumobilů, je ledově chladný. A tedy nebude od věci jej v hybridních pneumobilech za letních veder, naše města stále častěji sužujících, využít v rychle nabíhajícím systému klimatizace, chladící interiér vozu. Ovšem za letních měsíců se chlazení netýká pouze kabiny vozu, ale také elektromotoru a akumulátoru. U hybridních pneumobilů lze také uvažovat instalaci pro automobily koncipovaného tepelného čerpadla, neboť jeho zabudování u elektromobilů vybavených klimatizací dnes není příliš komplikované, přičemž třeba u elektromobilů francouzských značek je tepelné čerpadlo schopné pracovat do –20 °C.

Jinak řečeno, technické nedostatky u pneumobilů stále vyžadují rozsáhlé výzkumné úsilí na podporu dalšího technologického vývoje. To ovšem neznamená, že se koncept levného auta na stlačený vzduch pro jízdy městem nepodaří dotáhnout do zdárného konce.      

„Ani elektrický pohon navždy nezajistí pohyb dopravním zařízením. Dříve, nebo později, se objeví jiné zdroje energie a síly, které budou s břemeny pohybovat ve stanoveném prostoru a čase na dopravních trasách, které jsou používány v současnosti. A majitelé elektromobilů se budou nástupu tohoto nového pohonu bránit. Rozhodně to nebude trvat tak dlouho, jako v případě velmi neefektivních spalovacích motorů (ICE), v nichž 2/3 paliva z nádrže shoří bez užitku a ze zbylého množství se přibližně 1/3 zmaří v brzdách.“

Skripta Konstrukce a provoz elektromobilů, Ing. Ivo Celjak, CSc., Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích, 2018.