Ogniwa paliwowe – rozwiązanie przyszłości?

Ekorewolucja w przemyśle motoryzacyjnym trwa od kilkunastu lat. Producenci, zmuszeni przez restrykcyjne unijne przepisy dotyczące dopuszczalnego poziomu emisji spalin i zmieniające się oczekiwania świadomej klienteli, intensywnie pracują nad rozwojem i mozolnym wprowadzaniem na światowe rynki alternatywnych źródeł zasilania samochodów osobowych i ciężarowych. Problemem wciąż pozostaje ograniczona funkcjonalność hybryd oraz skromna sieć punktów szybkiego ładowania dedykowana elektrykom. Paradoksalnie rozwiązaniem okazują się ogniwa paliwowe znane od XIX w.

2018-04-04 09:24:40

Samochody o napędzie hybrydowym największą sprawnością wykazują się wyłącznie w miejskich warunkach. Częste starty, zatrzymania, długotrwała i powolna jazda w korkach – tutaj współpraca silnika spalinowego i elektrycznego daje największe korzyści i rezultaty. Energia elektryczna gromadzona w akumulatorach podczas hamowania, pracy jednostki spalinowej lub ładowania z domowego gniazdka wykorzystywana jest właśnie do pokonywania kilku lub kilkudziesięciu kilometrów w ruchu miejskim w trybie bezemisyjnym. Po opuszczeniu zatłoczonych miast magia zespołów hybrydowych przestaje już tak spektakularnie działać na korzyść użytkownika.

Toyota Prius i wszelkie inne podobne konstrukcje w takich warunkach zużywają zdecydowanie więcej paliwa niż modele o konwencjonalnym napędzie. We wspomnianych pozamiejskich warunkach przy wyższych prędkościach pracuje tylko silnik spalinowy, który cały czas musi zapewniać wystarczającą siłę napędową i zasilić urządzenia pokładowe. Aktualnie jedynie Infiniti Q50S Hybrid jest w stanie także poza miastem generować zauważalne oszczędności dla użytkownika – umożliwiając podróżowanie tylko na „bateriach” z większymi prędkościami. Poza nadal zaporową ceną zakupu i ograniczoną przydatnością pojazdy hybrydowe borykają się z problemem dużej objętości zajmujących cenną przestrzeń akumulatorów.

W teorii doskonałym rozwiązaniem wszystkich problemów współczesnego transportu są pojazdy o napędzie elektrycznym – jest on prosty w budowie, kompaktowy i oferuje pełną moc już od najniższych obrotów. Szeroki zakres użyteczności to jednak nie koniec jego atutów.

Napęd elektryczny jest bezszelestny i nieszkodliwy dla środowiska naturalnego – oczywiście jeśli energia elektryczna została wyprodukowana np. w elektrowni wiatrowej.

Niska masa własna silników, nikłe koszty bieżącego serwisowania (brak kosztownych elementów: skrzyni biegów, sprzęgła, dwumasowego koła zamachowego czy wtryskiwaczy) powinny już na wstępie przekonać zarówno prywatnych użytkowników, jak i zarządców flot i firm transportowych. Przy cenach energii elektrycznej stołecznej Warszawy koszt przejechania 100 km Nissanem Leaf, Teslą S lub jednym z dostawczych modeli Renault oscyluje wokół 8 zł.

Kluczową przeszkodą w użyutkowaniu aut elektrycznych nadal pozostaje relatywnie jednak ich niska wydajność, pojemność akumulatorów, czas ich ładowania i dostępność publicznych stacji ładowania.

Zasięg obecnie oferowanych aut elektrycznych w ruchu miejskim rzadko przekracza 200 km, poza nim wzrasta do 350-400 km, co przy skromnej sieci ładowania nakłada spore ograniczenia. Tryb szybkiego ładowania (około 80% pojemności akumulatorów) zajmuje przynajmniej godzinę – standardowe ładowanie trwa 8-10 godzin. Zestaw akumulatorów w istotny sposób podnosi masę użytkową samochodu, zależnie od modelu ich waga sięga 200 kg i więcej. Natomiast koszt ewentualnej wymiany bez trudu przekracza 20 tysięcy zł.

Odpowiedzią na ograniczoną wartość użytkową pojazdów hybrydowych i elektrycznych czerpiących energię z akumulatorów wciąż pozostaje XIX-wieczny wynalazek.

Mowa tu o ogniwach paliwowych opracowanych w 1838 r. przez szwajcarskiego chemika Christiana Schonbeina. Reakcja chemiczna tlenu i wodoru z udziałem platyny jako katalizatora pozwala wytwarzać energię elektryczną, ciepło oraz wodę jako produkt uboczny całego procesu. Pierwszą próbę wykorzystania ogniw paliwowych w 1959 r. podjęła firma Allis-Chalmers, tworząc traktor o mocy użytkowej 20 KM. Wysokie koszty opracowania prototypu i niewielka moc przekreśliły szanse konstrukcji na rynkową karierę. W 1966 r. koncern General Motors pokazał światu koncept Electrovan. Ta z pozoru pakowna furgonetka otrzymała zaawansowany układ napędowy, gwarantujący przyzwoite osiągi, zasięg i kulturę pracy. Ogniwo paliwowe wytwarzało prąd zasilający silnik elektryczny, dzięki czemu Electrovan był nie tylko dynamiczny, ale też cichy. Kłopotem okazały się gabaryty instalacji, pochłaniającej praktycznie całą przestrzeń ładunkową.

Kolejne próby wykorzystania wodoru jako źródła energii podjęto kilka dekad później.

Podstawową przeszkodą w masowym wykorzystaniu wodorowego paliwa był sposób bezpiecznego magazynowania go w samochodzie. Wyzwanie stanowi chemiczna charakterystyka wodoru – jego cząsteczki przenikają bowiem przez metalowe ścianki zbiornika paliwa. Rozwiązanie znalazła między innymi Toyota. Japończycy opracowali bezpieczny zbiornik wodorowego paliwa, przechowujący je pod ciśnieniem przeszło 700 atmosfer – jego wnętrze wykonane jest z aluminium, a powłoka zewnętrzna z kompozytu.

Początkowo wykorzystanie wodoru jako paliwa na swój sposób planowało BMW i Mazda. Niemieccy i japońscy inżynierowie niezależnie stworzyli modele wykorzystujące wodór do zasilania konwencjonalnych silników tłokowych, minimalizując koszty opracowywania i adaptowania do swoich potrzeb ogniw paliwowych. W 2006 r. koncern BMW wprowadził do oferty model serii 7 Hydrogen. Luksusowa limuzyna napędzana była 12-cylindrowym silnikiem generującym 260 KM. Zgromadzony w zbiorniku wodór daje możliwość pokonania imponujących 700 km. Zaprezentowana w 2009 r. Mazda RX-8 Hydrogen została przystosowania do spalania wodoru także w formie gazowej. 105-litrowy zbiornik umożliwiał pokonanie 100 km, natomiast 5-litrowy benzyny wystarczał na dodatkowe 50 km. Seryjny, zasilany benzyną silnik Wankla Mazdy wytwarza 231 KM, spalając wodór, generuje skromne 109 KM, co w zupełności wystarcza do spokojnego przemieszczania się.

Silniki tłokowe spalające wodór w praktyce okazują się znacznie mniej efektywne niż ogniwa paliwowe wytwarzające energię elektryczną dla zasilania silników elektrycznych.

Przez ostatnie lata na wielu światowych rynkach dostępne były eksperymentalne, lecz w pełni funkcjonalne modele zasilane w ten sposób. Mercedes klasy A, Hyundai Tuscon i osławiona Toyota Mirai – każdy z nich korzysta z zespołu generującego energię. W jego skład wchodzi katoda, anoda i oddzielający je elektrolit. Do anody dostarczane jest paliwo – wodór, do katody tlen. Efektem zachodzącej w ogniwie reakcji chemicznej jest prąd, ciepło i czysta woda. Wytworzony prąd poprzez przetwornicę trafia wprost do silników elektrycznych. Od tego momentu zasada działania pojazdów elektrycznych i zasilanych ogniwami paliwowymi nie różni się. Pełna moc dostępna jest w całym zakresie obrotów, do codziennej eksploatacji użytkownik nie potrzebuje zespołu przeniesienia siły napędowej w postaci skrzyni biegów czy dyferencjału. Zastosowanie silnika elektrycznego przekłada się także na bardzo powolne zużycie elementów układu hamulcowego – przy delikatnym hamowaniu wystarczy opór generowany przez jednostkę elektryczną.

Podstawową przewagą ogniw paliwowych nad konstrukcjami elektrycznymi zasilanymi akumulatorami jest nieporównywalnie krótszy czas uzupełniania paliwa.

Obostrzone szeregiem procedur tankowanie wodoru zajmuje zaledwie kilka minut. Sposób pozyskiwania, konieczność przechowywania i transportu wodoru w specjalistycznych, kosztownych zbiornikach stwarza kilka problemów. Aktualnie wodór można pozyskiwać z ropy naftowej, metanu i wody na drodze skomplikowanych reakcji chemicznych. By traktować wodór jako czyste paliwo, musi pochodzić z ostatniego źródła, czyli wody. Zlokalizowana w Hamburgu testowa stacja paliw Shell wykorzystuje energię wiatrową do produkowania i przechowywania na miejscu wodoru, co daje nadzieję na redukcję kosztów eksploatacji. Na chwilę obecną w Niemczech kilogram wodoru kosztuje 9,5 euro – przejechanie dystansu 100 km Toyotą Mirai wyniesie użytkownika około 37 zł.

Przyszłość ogniw paliwowych w europejskim systemie transportu jest raczej pewna. Potrzeba jedynie czasu, by potencjalni użytkownicy prywatni i instytucjonalni przekonali się do atutów tego rodzaju zasilania. Ekologiczny charakter, nieograniczona wydajnością baterii funkcjonalność, łączona ze wszystkimi zaletami napędu elektrycznego pozwalają spokojnie patrzeć w przyszłość i obserwować dalszy rozwój dalszy rozwój nowoczesnych technologii.

CZYTAJ TAKŻE: Innowacje - Trendy - Ekologia

 

ZNAJDŹ NAS: