Wodór paliwem przyszłości w motoryzacji

Do przeczytania w 6 minutyPrzyszłość

Samochody z wodorowymi ogniwami paliwowymi łączą zalety pojazdów elektrycznych i spalinowych. Ich produkcja jest mniejszym obciążeniem dla środowiska niż w przypadku aut wyłącznie bateryjnych, a ceny tych pojazdów spadają.

Udostępnij tę wiadomość

Samochody z wodorowymi ogniwami paliwowymi w ciągu kilkunastu lat staną się istotną częścią motoryzacyjnego świata w kilku regionach tj. w Europie, Stanach Zjednoczonych oraz krajach azjatyckich, w tym przede wszystkim w Korei Południowej, Japonii oraz Chinach. Już obecnie spotkamy bez większego trudu pojazdy z takim napędem m.in. na ulicach Paryża, w Szwajcarii czy w Korei Południowej. Według prognoz LMC Automotive w 2030 roku na światowych drogach będzie się poruszać ok. 10-15 mln samochodów osobowych oraz około pół miliona pojazdów użytkowych z ogniwami paliwowymi pozyskującymi energię z wodoru. W 2050 roku taki napęd może już posiadać co czwarty samochód na świecie. Co ważne, technologia ta upowszechni się nie tylko w motoryzacji, ale również w transporcie kolejowym i morskim.

Jednym ze stymulantów rozwoju tej technologii są plany i działania Komisji Europejskiej, która stawia sobie za cel ograniczenia emisji gazów cieplarnianych o 55% gdy pochodzą one z samochodów osobowych do 2030 roku i 50% w przypadku pojazdów dostawczych. Od 2035 roku można będzie rejestrować w Europie nowe samochody wyłącznie o zerowej emisji, a nasz kontynent ma stać się neutralny dla klimatu do 2050 roku. Nieco wcześniej, bo od 2026 r. transport drogowy zostanie objęty systemem handlu uprawnieniami do emisji, co będzie wiązało się z nakładaniem opłat w przypadku zanieczyszczania środowiska przez pojazdy. To przełoży się na wzrost zainteresowania m.in. ogniwami paliwowymi w napędzie pojazdów ciężarowych w Europie.

Elektryk z własną elektrownią

Samochody z ogniwami paliwowymi zasilanymi wodorem, potocznie nazywane pojazdami wodorowymi, są tak naprawdę samochodami elektrycznymi. Ogniwa paliwowe mają za zadanie przetwarzać energię chemiczną z wodoru w energię elektromechaniczną. W samochodach osobowych z ogniwami paliwowymi w specjalnych zbiornikach pod ciśnieniem zazwyczaj 700 bar (70 MPa) przechowywany jest wodór. W zależności od modelu magazynowane jest od 4 do 6 kg tego gazu. Po włączeniu silnika gaz wodorowy przepływa przed specjalną anodę, co powoduje jego podział na elektrony i dodatnie jony wodoru (protony). Specjalna membrana polimerowa przepuszcza tylko te ostatnie, a elektrony służą do ładowania akumulatorów trakcyjnych, z których energię pobiega silnik elektryczny. Elektrony i protony łączą się z tlenem w katodzie, powodując powstanie cząsteczek wody. To właśnie ona jest jedynym produktem ubocznym procesu wytwarzania energii.

Mnogość zalet

Podstawową zaletą zasilania pojazdów wodorem jest ekologiczność tego paliwa. Energię uzyskujemy z reakcji chemicznej wodoru i tlenu, dzięki czemu pojazd nie emituje podczas jazdy ani dwutlenku węgla, ani innych szkodliwych substancji. Jedynym produktem ubocznym jest wspomniana woda. Energia elektryczna jest wytwarzana na bieżąco z wodoru zmagazynowanego w niewielkich pojemnikach. Na przykład zbiornik Toyoty Mirai 2 mieści 5,6 kg gazu wodorowego, dzięki któremu zasięg pojazdu może sięgać 650 km. Podobny zasięg w pojeździe elektrycznym wymaga akumulatorów trakcyjnych o pojemności ok. 100 kWh lub więcej. Odczucia z prowadzenia samochodu z ogniwami paliwowymi prawie nie różnią się od tych jakie znamy z pojazdów elektrycznych.

Podobnie jak w przypadku EV pełny moment obrotowy jest dostępny natychmiast po naciśnięciu pedału gazu, a głównym źródłem hałasu okazuje się szum toczących się opon.
Lepsze są za to parametry użytkowe i jezdne, ze względu na znacząco niższą masę zastosowanych akumulatorów. Pojazd z ogniwami paliwowymi ma masę własną niewiele większą niż odpowiedniki spalinowe. Pięciometrowy sedan Mirai 2 waży 1820 kg, podczas gdy spalinowe Volvo S90 o niemal identycznej długości – 1680 kg. Elektryczna Tesla Model S z akumulatorami trakcyjnymi o pojemności 100 kWh ma już masę 2069 kg.
Czas tankowania i uzupełnienie zbiorników wodoru trwa trzy do pięciu minut, czyli niewiele dłużej niż w przypadku tankowania aut spalinowych. Samochód elektryczny o zbliżonym zasięgu wymaga ładowania ok. pół godziny na nielicznych superszybkich ładowarkach. Przy użyciu trójfazowej ładowarki o mocy 22 kW potrwa to już ok. siedmiu godzin.

Wodór jako źródło energii ma też szereg innych zalet:

Jego produkcja jest bardziej ekologiczna, skalowalna i możliwa niemal w każdym miejscu.
Wytwarzania wodoru może podjąć się zarówno wielka elektrownia jak też możemy go uzyskać z przydomowej instalacji. Zatem znikają bariery logistyczne i polityczne, wpływające na cenę gazu i jej wahania. Na razie głównym źródłem tego pierwiastka są gaz ziemny i ropa naftowa, ale równie dobrze mogą to być odpady rolne i komunalne oraz woda.
Istotną zaletą zastosowania ogniw paliwowych z punktu widzenia ekologii jest ograniczenie zużycia pierwiastków ziem rzadkich, tj. kobaltu, litu, niklu, który są powszechnie wykorzystywane w akumulatorach pojazdów wyłącznie elektrycznych.

Są także minusy:

Paliwo jakim jest wodór sprawia problemy z transportem i magazynowaniem, a do tego ulega łatwemu zapłonowi i ma bardzo wysoką temperaturą płomienia. Aby ujarzmić wodór konieczne jest zastosowanie niezwykle wytrzymałych zbiorników i oprzyrządowania, które jest w stanie wytrzymać ogromne ciśnienie. To się udało. Testy zderzeniowe wykazują, że pojazdy z ogniwami paliwowymi są bezpieczniejsze niż pojazdy spalinowe.
Na razie potencjalni użytkownicy muszą się pogodzić ze skromną liczbą stacji tankowania wodoru w Europie. Na koniec 2021 roku w Niemczech funkcjonowało 91 ogólnodostępnych stacji, a w Polsce ani jednej. Od połowy ub.r. funkcjonuje w Warszawie mobilna stacja prywatna tankowania tego gazu. Ale i to zaczyna się szybko zmieniać. Projekt budowy łącznie stu stacji tankowania wodoru Hydrogen Eagle w Polsce, Czechach i Słowacji ogłosił Orlen. Od stycznia br. rozpoczął się nabór wniosków na dofinansowanie budowy 20 stacji tankowania wodoru w ramach programu „Wsparcie infrastruktury do ładowania pojazdów elektrycznych i infrastruktury do tankowania wodoru” ogłoszonego przez Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. Planów budowy punktów tankowania wodoru jest więcej.
Wodór, póki co, jest też względnie drogim paliwem. W Niemczech na publicznych stacjach H2 Mobility kilogram wodoru kosztuje 9,50 Euro. Tyle wodoru wystarczy do przejechania ok. 100-120 km modelem Mirai 2. Z czasem koszt wodoru może ulec obniżeniu, dzięki wzrostowi popularyzacji tego paliwa i nowym technologiom umożliwiającym łatwiejsze jego pozyskanie ze źródeł odnawialnych.
Poważnym minusem w popularyzacji tego rodzaju napędu są ceny pojazdów, ale i tu obserwujemy wysokie spadki. Na przykład w ciągu dziesięciu lat ceny nowych autobusów z ogniwami wodorowymi spadły trzykrotnie.

Doświadczenia są

Technologie wodorowych ogniw paliwowych, służących do wytwarzania energii elektrycznej (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle), są rozwijane od lat 90 m.in. przez marki Hyundai, General Motors, Toyotę i BMW. Koreańczycy uruchomili małoseryjną produkcję samochodu Hyundai ix35 Fuel Cell z tym napędem w 2013 roku, a chwilę później pojawił się taki model w ofercie Toyoty pod nazwą Mirai. Palmę pierwszeństwa w produkcji aut z ogniwami paliwowymi chcą przejąć Chińczycy. Na przykład firma Grove Hydrogen Automotive, założona w 2016 roku, uruchomiła produkcję całej gamy samochodów pozyskujących energię z wodoru. Wodór już zyskuje popularność w pojazdach transportu publicznego. Autobusy wykorzystujące ten gaz zaprezentowały m.in. Solaris i Autosan, a pierwszy taki autobus już wozi pasażerów w Koninie. Szacuje się, że w ciągu najbliższych pięciu lat europejscy przewoźnicy zamówią ponad 1000 autobusów na wodór. Na razie jeździ ich po Starym Kontynencie niecałe 200 szt.

Ogniwa paliwowe będą powszechnie wykorzystywane również w pojazdach transportujących towary. Od 2020 roku na szwajcarskich ulicach coraz powszechniejszym widokiem są napędzane wodorem pojazdy ciężarowe Hyundai XCIENT Fuel Cell. Do 2025 roku ma być ich 1600 szt. Wkrótce w fabryce w niemieckim Ulm zaczną powstawać zasilane wodorem pojazdy ciężarowe Nikola Tre zbudowane w ramach współpracy z firmą IVECO. Prace nad budową konkurencyjnych pojazdów z ogniwami paliwowymi przyspiesza Daimler i Volvo, które w tym celu utworzyły wspólną, niezależną spółkę.

Oferta coraz szersza

Na razie w polskiej ofercie jest jeden samochód osobowy z ogniwami paliwowymi, czyli Toyota Mirai drugiej generacji. Ceny tego modelu zaczynają się od 299 tys. zł brutto. Do tej pory zamówiono nad Wisłą ok. 40 szt. tego pojazdu. Za zachodnią granicą możemy zamówić SUV-a Hyundai Nexo w cenie od 77 290 Euro. W segmencie aut użytkowych samochody z ogniwami paliwowymi wprowadzi wkrótce do oferty Renault w modelu Master oraz koncern Stellantis m.in. w modelu Opel Vivaro-e Hydrogen. A to dopiero początek.