Samochody wodorowe stanowią odpowiedź na kurczące się zasoby ropy naftowej. Nie ulega wątpliwości, że te, prędzej czy później zostaną wyczerpane. Wciąż jeszcze pozostaje nam konwencjonalny napęd elektryczny, w którym za zasilanie jednostki napędowej odpowiadają akumulatory, jednak mimo znaczącego postępu, który na przestrzeni lat dokonał się w tej dziedzinie, dalekie podróże “elektrykiem” wciąż jeszcze są dość kłopotliwe. Zasilanie wodorowe eliminuje niedogodności związane z czasem ładowania ogniw, dlaczego zatem ta technologia nie doczekała się jeszcze zastosowania na masową skalę?
Samochody wodorowe: jak działają?
Samochody wodorowe mogą być napędzane na dwa sposoby. Wodór może ulegać spalaniu w komorach konwencjonalnego silnika, zupełnie jak benzyna i każde inne paliwo, albo wytwarzać energię elektryczną w ogniwach paliwowych. Wynika to z jego właściwości – energia, która powstaje w procesie wiązania wodoru z tlenem w cząsteczce wody, jest mniejsza niż całkowita energia wiązania cząsteczek H2 i O2. Wynika z tego, że w następstwie reakcji wiązania wodoru z tlenem w cząsteczce wody, powstaje nadmiar energii, który może być odprowadzony w formie ciepła, możliwego do przetworzenia na energię mechaniczną, albo energii elektrochemicznej.
Zastosowanie wodoru w silniku tłokowym jest zatem możliwe, ale sprawia to pewien problem. Wodór charakteryzuje się niską energią zapłonu i szerokim zakresem granic spalania, co może być przyczyną przedwczesnego zapłonu. Kolejnym problemem jest magazynowanie płynnego wodoru. Ten rodzaj paliwa pochłania znaczne ilości energii, przez co po kilkunastu dniach, zmienia swój stan skupienia w lotny i uchodzi ze zbiornika.
Nieco inaczej przechowywany jest wodór wykorzystywany do zasilania ogniw paliwowych. W cylindrycznych zbiornikach magazynowany jest sprężony wodór. Aby było to możliwe, zachodzi konieczność zastosowania niezwykle wytrzymałych “butli”. Te przypominają swoim kształtem zbiorniki LPG, jednak wszelkie podobieństwa kończą się na cylindrycznej formie. Ich wewnętrzna część jest wykonana z metalu (ze stali lub z aluminium), a zewnętrzna – z wytrzymałych kompozytów. Dzięki temu, charakteryzują się bardzo dużą odpornością na uszkodzenia.
Może się wydawać, że zasilanie ogniwami paliwowymi to wręcz kosmiczna technologia. Cóż, jest w tym trochę racji, bo wodór jest wykorzystywany nie tylko do spalania w silnikach rakietowych. Ogniwa paliwowe odpowiadają za zasilanie promów kosmicznych w energię elektryczną. Sama zasada ich działania jest jednak dość prosta. Odprowadzony ze zbiornika wodór trafia do ogniwa, gdzie dostarczane jest też powietrze. Prąd stały z ogniwa trafia do przetwornicy trakcyjnej, gdzie ulega zamianie na prąd zmienny. W takiej formie, trafia do silnika indukcyjnego, a wytworzony moment obrotowy zostaje przeniesiony na koła.
Samo ogniwo składa się z katody i anody. Rozdziela je membrana elektrolityczna albo elektrolit. Taka konstrukcja sprawia, że możliwy jest przepływ kationów, ale nie elektronów. Wodór, który jest doprowadzany do anody, ulega rozbiciu na elektrony i protony. Te drugie przedostają się do katody, gdzie trafia także powietrze. Elektrony są natomiast doprowadzane do katody obwodem zewnętrznym. Reakcja doprowadza do powstania prądu elektrycznego, wody i ciepła.
Istnieje wiele odmian ogniw paliwowych, ale w samochodach stosowane są ogniwa niskotemperaturowe, których elektrolit uzyskuje swoje właściwości w stosunkowo niewielkiej temperaturze – niższej niż 250 stopni Celsjusza. Ich zaletą jest mała bezwładność czasowa – ogniwa mogą być uruchomione błyskawicznie. Dodatkowo, nie wymagają stosowania materiałów termoodpornych i zapewniają większe bezpieczeństwo niż ogniwa wysokotemperaturowe. Ta technologia ma jednak pewne wady, a podstawową jest konieczność stosowania czystego wodoru.
Jaki był pierwszy samochód wodorowy?
Samochody wodorowe już od jakiegoś czasu znajdują się w fazie eksperymentalnej. W 2005 roku, na rynku pojawiło się BMW Hydrogen 7, napędzane potężnym silnikiem V12, o pojemności 6 litrów. Produkcja samochodu została jednak ograniczona do 100 egzemplarzy, więc nie można nazwać tego auta całkowicie seryjnym.
Pierwszym samochodem z ogniwami wodorowymi, który trafił do masowej produkcji, jest Toyota Mirai. Jako koncept (pod nazwą FCV), auto było rozwijane od 1992 roku, co dobitnie pokazuje, jak długą drogę musiała przejść technologia wodorowa, by w końcu trafić do seryjnej produkcji. Ta rozpoczęła się w 2014 roku.
Wodorowa Toyota jest napędzana ogniwami paliwowymi o maksymalnej mocy wyjściowej na poziomie 155 KM. Przy momencie obrotowym na poziomie 355 Nm, przekłada się to na przyspieszenie do setki w czasie ok. 9 sekund i prędkość maksymalną, wynoszącą 179 km/h. Początkowo, zasięg auta wynosił 480 km. W czerwcu 2015 roku, wartość ta wzrosła do 502 km. Tankowanie Mirai “pod korek” trwa ok. 3 minuty.
Szczególnie interesującym aspektem tego samochodu są zastosowane ogniwa paliwowe. Osiągają one gęstość mocy na poziomie 3,1 kW/l, co, jak dotąd, stanowi najwyższą wartość. Warto podkreślić, że zestaw ogniw legitymuje się objętością 37 dm3 i waży zaledwie 56 kg. Dzięki temu, mógł zostać umieszczony pod podłogą, więc w żaden sposób nie wpływa na przestrzeń w przedziale pasażerskim.
Wyraźnie widać, że nadwozie samochodu (mierzące 4890 mm długości) zostało podporządkowane aerodynamice. Mirai, który przypomina nieco hybrydowy model Prius, nawet dziś wygląda futurystycznie. Mniejszy szok wywołuje druga generacja modelu, która zadebiutowała w 2019 roku, na targach Tokyo Motor Show (w wersji koncepcyjnej). Mirai II ma trafić do sprzedaży pod koniec 2020 roku. Jak zapowiada producent, zasięg auta wzrośnie o ok. 30 proc., względem bieżącego modelu.
Samochody wodorowe a smog
Samochody wodorowe, zasilane ogniwami paliwowymi, to pojazdy zeroemisyjne. Jedynym produktem ubocznym, który towarzyszy przetwarzaniu wodoru w prąd, jest para wodna – czyściej nie da się pojechać. Oczywiście, można podnieść, że w procesie produkcji wodoru wykorzystywana jest energia elektryczna, ale ta przecież może pochodzić z odnawialnych źródeł. Jak na razie, samochody na ogniwa wodorowe to najlepsza recepta na wszechobecny smog.
Inaczej wygląda to, gdy pod maską samochodu wodorowego pracuje silnik tłokowy. Oczywiście, to nadal wybitnie ekologiczne samochody, należy jednak podkreślić, że proces spalania wodoru w powietrzu doprowadza do powstania śladowych ilości tlenku azotu, czyli jednego z najbardziej niebezpiecznych składników smogu.
Samochody wodorowe: cena i koszt utrzymania
Samochód wodorowy to na razie dobro luksusowe, nie tylko ze względu na wciąż jeszcze kulejącą infrastrukturę tankowania. Cena Toyoty Mirai przekracza 76 tys. euro. To dużo, zwłaszcza jak na samochód pozycjonowany w segmencie D.
O ile cena zakupu auta na wodór wciąż jeszcze jest wysoka, to pod względem kosztów eksploatacji, jest znacznie taniej niż w przypadku aut spalinowych. Kierowca może zapomnieć o wymianie oleju, czynnika chłodzącego, paska wieloklinowego, paska rozrządu i innych elementów, które są stosowane w przypadku konwencjonalnego napędu spalinowego. Ponieważ samochód wodorowy hamuje rekuperacyjnie, zużycie okładzin klocków hamulcowych i tarcz jest znacząco niższe. Koszty eksploatacji auta na wodór można zatem porównać do kosztów utrzymania samochodu elektrycznego, zasilanego akumulatorami.
Samochody wodorowe: plusy i minusy
Samochody wodorowe to na razie rynkowa nisza, ale nie ulega wątpliwości, że auta elektryczne o zasilaniu akumulatorowym, to tylko etap przejściowy. Na razie, technologia wodorowa wciąż jest kosztowna w produkcji, co przekłada się na wysoką cenę zakupu. Kolejny minus, przynajmniej w polskich warunkach, to ograniczona liczba stacji, na których można zatankować wodór. Z czasem, zarówno cena nowych aut, jak i infrastruktura tankowania, przestanie być problemem.
Jakie plusy przedstawia paliwo wodorowe w samochodzie? Na pierwszym miejscu należy wskazać na względy ekologiczne. Samochody z ogniwami wodorowymi, są w stu procentach ekologiczne, bo produktem ubocznym reakcji, jakie zachodzą w ogniwach, jest jedynie para wodna. Nieco inaczej wygląda to w przypadku modeli, które wykorzystują silnik tłokowy. W takim przypadku, powstają niewielkie ilości tlenków azotu, ale podkreślamy – są to wartości śladowe. Nie można nie wspomnieć też o względach ekonomicznych, choć ten aspekt, póki co balansuje na pograniczu wad i zalet. Samochody wodorowe są drogie w zakupie, a koszt przejechania 100 km nie odbiega od tego, który należy ponieść na takim samym dystansie, jeżdżąc samochodem z silnikiem benzynowym. Niższe są natomiast koszty eksploatacji, bo w samochodach elektrycznych nie ma tylu ruchomych części, co w przypadku modeli spalinowych (mówimy rzecz jasna o modelach z ogniwami paliwowymi, nie z silnikiem tłokowym).
CZYTAJ TAKŻE: Ekologiczne samochody: czy auta mogą być ekologiczne?