Czy wodór pozwoli utrzymać silnik spalinowy przy życiu?
Świat motoryzacji coraz mocniej skręca w stronę elektromobilności, ale na szczęście dni silnika spalinowego nie są policzone. Z pomocą przychodzi bowiem wodór, który w niedalekiej przyszłości może zastąpić paliwa kopalniane. Toyota, Yamaha, czy chińskie GAC już pracują nad spalinowym silnikiem na wodór. Jakie są jego zalety i wady? Oto odpowiedź!
Bez dwóch zdań wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem w przyrodzie. Choćby z tego względu coraz częściej mówi się o nim w kontekście dekarbonizacji, traktując go jako swoiste panaceum na bolączki współczesnego transportu samochodowego. Wodór jest bowiem w stanie ograniczyć globalne ocieplenie i jednocześnie zachować przy życiu silnik spalinowy (TUTAJ przeczytasz, jak jeździć i eksploatować auto z silnikiem Diesla).
Co ważne, może być wytwarzany w sposób zrównoważony z odnawialnych źródeł – z wiatru lub ze słońca – a gdy jest wykorzystywany w systemie ogniw paliwowych, nie powoduje emisji szkodliwych gazów. Jedyne, co po nim zostaje, to woda.
Samochód z ogniwami paliwowymi
No właśnie. Do tej pory samochód na wodór kojarzył się z ogniwami paliwowymi, będącymi generatorem prądu, wytwarzanego w reakcji wodoru i tlenu, co odbywa się w obecności katalizatora. Energia elektryczna powstaje tutaj na zasadzie odwróconej elektrolizy wody i służy do napędzania silnika na prąd.
W przeciwieństwie do auta elektrycznego, samochód na wodór nie wymaga więc długotrwałego ładowania prądu ze słupka. Tutaj wystarczy dosłownie kilka minut, niezbędnych do nabicia zbiorników na wodór. Przeszkodą w rozpowszechnieniu takiego rozwiązania jest jednak wysoka cena, wynikająca głównie z kosztu wyprodukowania ogniw paliwowych.
Swoje trzy grosze do tego dorzucają jeszcze brak odpowiedniej infrastruktury i koszt samego wodoru, wynoszący obecnie około 60 zł za 1 kg. A to wystarcza na pokonanie dystansu około 100 km – samochód osobowy średnio zużywa 0,93 kg wodoru na 100 km.
Ale to nie wszystko. Pod względem wydajności pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi wypadają znacznie gorzej niż auta elektryczne. Energia marnuje się tutaj podczas kolejnych etapów. Czyli w trakcie elektrolizy, sprężania, transportu, a także powoli uwalnia się ze zbiorników, jeśli auto pozostaje długo nieużywane.
Nieefektywne jest też przepuszczanie wodoru przez ogniwo paliwowe w celu wytworzenia energii elektrycznej. O ile samochód elektryczny, czerpiący energię z dużego akumulatora ma sprawność rzędu 75-85%, o tyle ogniwa paliwowe zapewniają sprawność na poziomie 30-35%. Przynajmniej są bezemisyjne i bezobsługowe.
Silniki wodorowe
Ale wodór można wykorzystać w inny sposób – do zasilania silnika spalinowego. Tyle tylko, że ma to swoje wady. Na tle samochodów z ogniwami paliwowymi występują nie tylko straty związane z wydajnością łańcucha dostaw – do tego dochodzi jeszcze etap samego spalania wodoru. W rezultacie sprawność końcowa takiego pojazdu spada do… 5%!
Po drugie, spalanie wodoru powoduje emisję szkodliwych tlenków azotu. Ponieważ silnik spalinowy musi być smarowany olejem, przy okazji powstają cząstki stałe (TUTAJ dowiesz się, jaki wybrać olej do silnika). Oczywiście za pomocą katalizatorów można oczyścić większość szkodliwych substancji, jednak nie wszystkie. Spalanie wodoru jest więc zarówno mniej wydajne, jak i mniej czyste niż w przypadku pojazdów elektrycznych wyposażonych w ogniwa paliwowe.
Trzecią wadą jest obsługa techniczna. Elektryczne układy napędowe praktycznie są bezobsługowe, natomiast spalinowe wymagają regularnego serwisowania. Cyniczny obserwator zwróciłby uwagę, że producenci robią solidny interes na częściach zamiennych i serwisowaniu, co może w pewien sposób wyjaśniać, dlaczego firmy motoryzacyjne w ogóle rozważają możliwość spalania wodoru.
Wysoki koszt wodoru
Czas na kolejny mankament takich silników, czyli koszt samego wodoru. Owszem, ich zwolennicy będą argumentować nową technologię faktem, że wraz z jej popularyzacją cena tego paliwa będzie spadać (w perspektywie 5-10 lat) oraz że akumulatory i ogniwa paliwowe są znacznie droższe. To prawda, ale znów w perspektywie 5-10 lat zapewne będą one tanieć.
Dzięki temu nie tylko cena zakupu pojazdów elektrycznych zacznie zbliżać się do ceny aut spalinowych. Niższe koszty serwisowania, a także coraz szersza dostępność odnawialnych źródeł energii mają sprawić, że ogólne koszty eksploatacji będą niższe niż w przypadku aut napędzanych paliwami kopalnymi.
Pozostaje jeszcze kwestia pochodzenia wodoru. Otóż większość tego paliwa znajdującego się obecnie w obrocie powstało jako produkt uboczny przemysłu paliw kopalnianych (tzw. wodór brunatny). Istnieje możliwość produkcji wodoru ekologicznego, czyli wytwarzanego w procesie elektrolizy wody i przy udziale energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, ale jest on znacznie droższy niż w przypadku wodoru brunatnego.
Technologia dostępna od zaraz
Wodorowe silniki spalinowe stanowią pozornie dobrą alternatywę. Wykorzystują istniejącą technologię, dlatego dostępne są tu i teraz, a ponadto nie wytwarzają dwutlenku węgla. Problemem jest emisja tlenków azotu, jednak da się ją w znacznym stopniu ograniczyć. Poza tym z łatwością mieszczą się w ofercie serwisowej i konserwacyjnej większości producentów. To sprawia, że ich stosowanie jest atrakcyjne, zwłaszcza że mogą one przyczynić się do ograniczenia emisji dwutlenku węgla przy jednoczesnym utrzymaniu miejsc pracy i łańcuchów dostaw.
Istnieje jednak ryzyko, że takie podejście jest krótkowzroczne. Czy rządy lub miasta zaostrzą przepisy dotyczące emisji tlenków azotu, czyniąc tę technologię bezużyteczną? Czy inwestycje i czas poświęcone na rozwój technologii spalania wodoru nie zostaną skierowane na technologie elektryfikacji, które są najwyraźniej rozwiązaniem długoterminowym? I czy nie jest to po prostu przeniesienie problemu zanieczyszczeń z obszaru lokalnego na inny?
Największym wyzwaniem pozostaje jednak tankowanie wodoru i związana z tym infrastruktura. Dlatego wygląda na to, że spalinowe silniki wodorowe będą miały sens tam, gdzie akumulatory nie zdadzą egzaminu ze względu na swoją wysoką masę. A więc w lotnictwie, żegludze morskiej, czy w długodystansowym transporcie ciężarowym.
Silniki na wodór: praca wre
Nad spalinowym silnikiem wodorowym pracują obecnie Toyota, chiński GAC, Yamaha, czy Renault, które na razie nie odkryło swoich kart w tym temacie. Toyota ściga się już m.in. wodorową Corollą Sport w japońskiej serii wyścigów długodystansowych. Auto wykorzystuje zmodyfikowaną (układ zasilania i wtrysku), 3-cylindrową jednostkę pochodzącą z GR Yarisa. Według Japończyków spalanie mieszanki w silniku wodorowym zachodzi w bardziej intensywny sposób niż w benzynowym, co poprawia jej reaktywność.
Chiński GAC, który swój spalinowy silnik wodorowy po raz pierwszy uruchomił 9 września 2021 roku, chwali się, że jego sprawność cieplna przekracza 44%. Przedstawiciele koncernu zapowiedzieli, że w niedalekiej przyszłości chcą wprowadzić taką jednostkę napędową do seryjnej produkcji.
Na jej potrzeby stworzyli m.in. nowy układ zasilania, ulepszone tłoki, korbowody oraz pierścienie tłokowe, a także system zarządzania silnikiem. Co ważne, Chińczycy zapowiedzieli także budowę infrastruktury niezbędnej do tankowania wodoru.
Yamaha z kolei stworzyła już silnik V8 dla Toyoty, a raczej zmodernizowała jednostkę wykorzystywaną w Lexusie RC F. 5-litrowe V8 otrzymało zmodyfikowane głowice cylindrów, kolektor dolotowy, wtryskiwacze i kilka innych elementów. Efekt tych zabiegów to 450 KM przy 6800 obr./min.
Jaka czeka przyszłość spalinowych silników wodorowych i czy w końcu auto z takim napędem trafi do produkcji? Cóż, pożyjemy, zobaczymy…
