Czy auta napędzane wodorem rzeczywiście są przyszłością motoryzacji? Poznajmy różnice pomiędzy napędem wodorowym i klasycznym oraz sprawdźmy, w jakim stopniu są one ekologiczne.
Skomplikowana budowa silników napędzanych paliwem tradycyjnym sprawia, że auta te są awaryjne i drogie w eksploatacji. Spalanie paliwa odbywa się przy dużych stratach energii, wymagają intensywnego smarowania i chłodzenia. Szacuje się, że silniki spalinowe wykorzystują tylko 33 procent energii, wydzielając do atmosfery ogromne ilości spalin.
W porównaniu do modeli napędzanych paliwem tradycyjny, budowa silnika auta wodorowego jest prosta i niezawodna. Czas tankowania auta z napędem wodorowym jest równie krótki, a zasięg niemal identyczny z samochodem napędzanym benzyną czy ropą. Moment obrotowy dostępny jest natomiast w pełnym zakresie obrotów.
Silniki aut wodorowych, podobnie jak silniki aut elektrycznych, napędzane są energią elektryczną. Kluczową różnicą pomiędzy tymi technologiami jest źródło wykorzystywanej energii. W przypadku napędu elektrycznego silnik zasilają ogniwa. Auto z silnikiem wodorowym napędza energia wytwarzana podczas jazdy. Wyjaśnijmy zatem, jak działa silnik auta napędzanego paliwem wodorowym oraz czy ta technologia rzeczywiście jest przyszłością motoryzacji.
Produkcja energii w samochodzie z napędem wodorowym następuje podczas reakcji chemicznej wiązania tlenu i wodoru zachodzącej w ogniwach paliwowych. Pojedyncze ogniwo zbudowane jest z dwóch elektrod oddzielonych membraną polimerową: elektrody ujemnej (anody) i elektrody dodatniej (katody). Wodór dostarczany ze zbiornika do elektrody ujemnej ulega utlenieniu. W konsekwencji powstają dodatnie protony oraz ujemne elektrony. Z drugiej strony pochodzący z powietrza tlen dochodzi do elektrody dodatniej i reaguje z elektronami, zamieniając się w ujemne jony tlenkowe.
Polimerowa membrana przepuszcza tylko dodatnie protony, które łącząc się anionami tlenu, tworzą wodę. W tym czasie elektrony podróżują zewnętrznym obwodem elektrycznym, wytwarzając prąd elektryczny, pozwalający na zasilanie silnika. Zachodzi prosta reakcja chemiczna tlenu z wodą, wytwarzająca prąd. Produktem ubocznym tej reakcji jest woda, uwalniana w postaci pary wodnej.
Projektanci Toyoty Mirai wykorzystali część energii elektrycznej tworzonej w ogniwach paliwowych do ładowania znajdujących się w tylnej części pojazdu akumulatorów. W ten sposób zmagazynowana energia pozwala zwiększyć zasięg samochodu oraz wykorzystać ją w momentach zwiększonego zapotrzebowania na moc np. podczas wyprzedzania.
Wodór jest gazem łatwopalnym, a przechowywany pod wysokim ciśnieniem może stanowić niebezpieczeństwo dla podróżujących. Wyciek paliwa lub wypadek samochodowy mógłby doprowadzić do wybuchu gazu. Przeprowadzone eksperymenty dowiodły, że obawy te okazały się bezpodstawne.
Przestrzelenie kulą butli wypełnionej wodorem pokazało, że będący znacznie lżejszy od powietrza wodór, uwolnił się ze zbiornika szybko i bez gwałtownych zmian ciśnienia oraz eksplozji. Próba podpalenia wykazała, że wodór wypala się w sposób kontrolowany, nie zajmując całego samochodu tak jak w przypadku paliwa silnika spalinowego. Zagrożenie wybuchem okazało się praktycznie niemożliwe.
Tak jak każde rozwiązanie technologiczne, napęd wodorowy ma również swoje wady. Uzyskanie czystego wodoru w sposób przyjazny środowisku wymaga sporej ilości energii potrzebnej do jego wytworzenia. Najbardziej wydajny proces wytwarzania wodoru z powszechnie dostępnych związków chemicznych (reforming parowy) ma ujemny bilans energetyczny. Ilość energii potrzebna do wytworzenia wodoru jest większa niż ilość energii otrzymanej z uzyskanego wodoru, a do atmosfery emitowane są znaczne ilości tlenku węgla.
Lepszą efektywność i oraz mniejszą emisyjność uzyskania wodoru można uzyskać za pomocą elektrolizy umożliwiającej rozbicie wody na tlen i wodór za pomocą energii elektrycznej. W tym przypadku ujemny bilans energetyczny wynosi 20 procent, zatem w globalnym rozrachunku energetycznym osiągamy wydajność na poziomie 80 procent. Musimy zatem włożyć o 20 procent więcej energii, niż uzyskamy z połączenia wodoru z tlenem w ogniwach paliwowych.
Ekstremalnie niska gęstość wodoru wymaga sprężenia gazu i zwiększenia jego gęstości w celu dalszego przechowywania. W procesie tym traconych jest kolejne 13 procent energii, względem tego, co potem odzyskamy. Inną metodą zwiększenia gęstości wodoru dla jego dalszego przechowywania, jest skroplenie gazu do stanu wody. Według obliczeń proces schłodzenia wodoru do temperatury -253 stopni Celsjusza i przechowywania go w tak niskiej temperaturze, wiąże się z utratą 40 procent energii.
Transport wodoru ze stacji produkujących gaz to problem logistyczny generujący kolejne 10 procent kosztów energii. Całkowity ujemny koszt energetyczny zachodzący podczas produkcji, przechowywania gazu i transportu to 43 procent. Dla porównania; w przypadku aut zasilanych tradycyjnym napędem elektrycznym straty energii wynoszą jedynie 6 procent.
Jak widać, tej technologii daleko do rewolucyjności mającej zmienić oblicze motoryzacji. Może za parę lat producenci starający się o powszechne zastosowanie technologii wykorzystania paliwa wodorowego poprawią jej efektywność.
Zdjęcie główne artykułu: Designed by Freepik
