9 400
Jak działa samochód na wodór?
Źródło: Materiały producenta, https://www.toyota-europe.com/world-of-toyota/feel/environment/better-air/fuel-cell-vehicle
Samochód na wodór, czyli FCV (Fuel Cell Vehicle) to w rzeczywistości auto na prąd, bo jest napędzane silnikiem elektrycznym. Jaka jest zatem zasada jego działania? Czym samochody na wodór różnią się od klasycznych elektryków?
W samochodach wodorowych ogniwa paliwowe (wodorowe) wytwarzają energię elektryczną dzięki przemianie chemicznej wodoru i tlenu. Oto cykl pracy układu napędowego:
- wodór ze zbiorników trafia do ogniw paliwowych,
- wodór reaguje z tlenem – reakcja polega na połączeniu jonów wodoru na anodzie z tlenem w katodzie,
- powstaje energia elektryczna – przepływ elektronów pomiędzy elektrodami (anodą i katodą) pozwala na produkcję prądu,
- powstaje woda – dwa atomy wodoru (H) łączy się z jednym atomem tlenu (O) i powstaje woda (H2O),
- energia wytworzona przez ogniwo paliwowe zasila silnik elektryczny samochodu i ładuje akumulatory.
Podczas spokojnej jazdy ogniwa paliwowe wytwarzają więcej energii niż, zużywa silnik elektryczny auta. Nadwyżki trafiają do akumulatorów trakcyjnych. Gdy mocniej wciskasz pedał gazu, zapotrzebowanie na prąd może przekroczyć bieżącą produkcję ogniwa paliwowego. W takiej sytuacji niedobory mocy uzupełnia energia zmagazynowana w akumulatorach.
Tradycyjny silnik spalinowy również może wykorzystywać wodór. Wiele koncernów motoryzacyjnych prowadzi badania związane z bezpośrednim wykorzystaniem paliwa wodorowego. Jednak znacznie bardziej zaawansowana jest technologia, która wykorzystuje ogniwa paliwowe.
Najpopularniejszym sposobem wykorzystania gazu do napędzania samochodów są instalacje LPG. Więcej informacji na ten temat znajdziesz w artykule Auto na gaz. Czy to dobry pomysł?
Jakie są najważniejsze zalety wodoru jako paliwa samochodowego?
Wodór dostępny jest absolutnie wszędzie – to najpowszechniejszy pierwiastek we wszechświecie. Wodór w stanie ciekłym i gazowym znalazł zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu m.in. w procesach produkcji substancji chemicznych, żywności i urządzeń elektrycznych. Jest wykorzystywany również w motoryzacji – jako alternatywa dla paliw ropopochodnych.
Łatwa dostępność wodoru
Zaletą paliwa wodorowego jest to, że można wytwarzać je w każdym miejscu na świecie. Dzięki temu nie ma ryzyka uzależnienia się od zewnętrznych dostawców. Wodór jest paliwem, na którym można budować bezpieczeństwo energetyczne każdego państwa.
Czysta woda zamiast toksycznych spalin
W trakcie jazdy samochodem wodorowym nie dochodzi do powstawania gazów cieplarnianych i toksycznych zanieczyszczeń, z którymi mamy do czynienia w przypadku aut spalinowych. Pojazdy z ogniwami paliwowymi są zeroemisyjne. W wyniku spalania wodoru powstaje obojętna dla środowiska woda destylowana.
Ogniwa wodorowe są bezpieczne
Wodór jest gazem bardzo lekkim i łatwopalnym. Czy to oznacza, że ogniwa paliwowe stwarzają ryzyko wybuchu? Testy praktyczne dowiodły, że technologia napędu wodorowego jest w pełni bezpieczna.
Do samozapłonu wodoru może dojść dopiero w temperaturze 575°C. Dla porównania temperatura samozapłonu benzyny to od 247 do 280°C, a oleju napędowego zaledwie 210°C. Żadne zagrożenie nie powstaje też w czasie tankowania wodoru.
Wodór jest dużo lżejszy od powietrza. Dlatego w przypadku rozszczelnienia zbiornika błyskawicznie ulatnia się do atmosfery i nie powoduje gwałtownej eksplozji w samochodzie. Zbiorniki wodoru w samochodach są wykonane z bardzo trwałych materiałów kompozytowych, które są odporniejsze od stali na uszkodzenia mechaniczne. Ich żywotność jest większa od baków na tradycyjne paliwa ropopochodne.
Szybkie tankowanie samochodu
Tankowanie samochodów wodorowych zajmuje około 5 minut. Czas jest porównywalny do tankowania pojazdów spalinowych. Sam pistolet jest sporo cięższy od tych dostępnych w dystrybutorach benzyny i oleju napędowego. Wodór tankowany jest też na kilogramy – nie na litry.
Szybkość tankowania to jedna z przewag napędów wodorowych nad elektrycznymi. Korzyści i problemy związane z wykorzystaniem prądu w napędach pojazdów kołowych omawiamy w artykule Elektromobilność – co to takiego?
Czy samochód wodorowy ma słabe strony?
Problem związany z samochodami wodorowymi pojawia się przy transportowaniu i magazynowaniu wodoru. Trzeba go mocno skompresować pod wysokim ciśnieniem. Do tego celu potrzebne są ciężkie i drogie, specjalistyczne zbiorniki. Znacznie więcej kosztuje też budowa stacji tankowania wodoru. Problemem jest również kompresowanie wodoru. Pojedyncza cysterna z wodorem dostarcza paliwo dla około 80 samochodów wodorowych. Dla porównania – cysterna wypełniona benzyną zapewni tankowanie do pełna ponad 700 samochodom.
Niewielki wybór modeli aut wodorowych
Ogniwa paliwowe w samochodach osobowych są ciągle rzadkością. Producenci aut chętnie inwestują w samochody elektryczne, natomiast napęd wodorowy traktują z dużym dystansem. Skutki takiego podejścia są oczywiste: niewielki wybór samochodów osobowych, które wykorzystują technologie wodorowe. W 2023 r. auta z napędem wodorowym miały w stałej ofercie w Polsce tylko dwa azjatyckie koncerny: Toyota i Hyundai. Dzięki nim pasjonaci ekologii mają do wyboru dwa auta wodorowe – Hyundai Nexo i Toyota Mirai.
Zdecydowanie popularniejszy jest japoński samochód wodorowy. Seryjna produkcja Toyoty Mirai ruszyła w 2014 roku. W 2020 r. na rynek weszła II generacja pojazdu. Największą zmianą w nowym modelu okazał się zmodernizowany napęd i znacznie pojemniejsze zbiorniki paliwa.
Hyundai Nexo debiutował w 2018 roku. Początkowo był dostępny tylko w wybranych krajach Europy. Obecnie koreański samochód na wodór możesz kupić także w polskich salonach. Ma podobne osiągi, zbiorniki wodoru i zasięg jak Toyota Mirai II.
Inne globalne koncerny motoryzacyjne pracowały nad technologiami, które pozwalają na wykorzystanie wodoru. Jednak nie doprowadziło to do pojawienia się większej liczby aut wodorowych. Przykładem trudności w produkcji i wprowadzaniu na rynek aut wodorowych jest Mercedes GLC F-CELL, który nigdy nie wszedł do stałej oferty niemieckiego koncernu. Prowadzony przez dekadę projekt zakończył się ostatecznie w 2020 r. Na rynku nie przebił się też samochód wodorowy koncernu Honda, sprzedawany pod nazwą Clarity.
Cena samochodów na wodór
Samochody na wodór są drogie i szybko nie stanieją. Zakup auta wodorowego to w 2023 roku wydatek ponad 300 i więcej tysięcy złotych. Cena nowej Toyoty Mirai II sięga 330 000 zł. To niewiele mniej niż dwie hybrydowe Toyoty Camry. Kilkadziesiąt tysięcy mniej kosztuje elektryczna Toyota bZ4X.
Hyundai nie podaje bezpośrednio na swojej stronie ceny Nexo. Orientacyjny koszt zakupu nowego auta to około 300 000 zł. Auto wyróżnia się szybkim czasem tankowania wodoru (niespełna 5 min) i rekordowym zasięgiem 666 km, lecz jest znacznie droższe od większości koreańskich elektryków i hybryd. Za jednego Nexo możesz kupić np. dwa hybrydowe Tuscony i prawie trzy Kony.
Mało atrakcyjna cena paliwa
Na jednym kilogramie wodoru przejedziesz około 100-150 km. Jednak produkcja czystego gazu jest energochłonna, co przekłada się na dość wysokie ceny detaliczne. Kilogram wodoru w Polsce w 2023 r. kosztował 69 zł. [1] Za pełny bak wodoru (5,6 kg) do Toyoty Mirai II trzeba było zapłacić niespełna 400 zł.
Koszt przejechania 100 km na wodorze jest porównywalny z przemieszczaniem się w autach spalinowych – zarówno tymi, które spalają benzynę, jak i olej napędowy. Powstaje uzasadnione pytanie: po co kupować drogi samochód wodorowy, skoro koszt paliw jest podobny? Tym bardziej że do podstawowej „kilometrówki” należy dodać wydatki związane z długimi dojazdami do nielicznych stacji, które oferują tankowanie wodoru. Jest to tym bardziej uciążliwe, że osoby, które eksploatują samochody na wodór, nie mają możliwości gromadzenia zapasów paliwa.
Kłopoty ze zwiększaniem zasięgu
Samochód wodorowy ma obecnie zasięg od 400 do ponad 600 km. Zwiększenie zasięgu wymaga instalacji nowych zbiorników na wodór przeznaczony do zasilania ogniw paliwowych. Można to zrobić tylko kosztem zmniejszania przestrzeni w kabinie lub pojemności bagażnika. Dobrą ilustracją problemu jest Toyota Mirai II. Aby zwiększyć zasięg do ponad 600 km, japoński producent dodał trzeci zbiornik wodoru. W efekcie bagażnik samochodu ma zaledwie 270 litrów.
Nieliczne stacje tankowania wodoru w Polsce
Polski i światowy rynek pojazdów z napędem wodorowym dopiero raczkuje. Na całym globie dostępnych jest zaledwie kilkaset stacji, które tankują samochody na wodór. Na terytorium Europy pod koniec 2022 roku działało 254 stacji wodorowych. Najwięcej było ich w Niemczech – 105. [2] W Polsce przez długi czas nie było żadnej szansy, aby łatwo zatankować prywatny samochód wodorowy. Pod koniec 2023 r. zainaugurowała działalność pierwsza ogólnodostępna stacja tankowania wodoru w Warszawie. We wrześniu 2023 roku ruszyła druga stacja w Poznaniu.
Ponadto istnieje około 20 punktów tankowania wodorem H35 (350 bar) przeznaczonym do autobusów i H70 (700 bar) do aut osobowych. [3] Korzystają z nich głównie pojazdy wodorowe (autobusy) wykorzystywane przez komunalne przedsiębiorstwa komunikacyjne. Tankowanie prywatnego auta wodorowego w Polsce jest ciągle bardzo problematyczne.
Największe wyzwania, przed którymi stoi technologia ogniw paliwowych
Technologia wodorowa budzi wielkie nadzieje. Jednak napotyka też szereg przeszkód rozwojowych. Największe wyzwania dla popularyzacji technologii wodorowej to:
- obniżenie cen samochodów z ogniwami wodorowymi,
- zmniejszenie kosztów eksploatacji,
- rozwój sieci stacji tankowania wodoru.
Efektem obecnych ograniczeń jest niewielka liczba prywatnych pojazdów ciężarowych i osobowych, które wykorzystują energię z ogniw paliwowych. W poł. 2023 roku w Polsce było zarejestrowanych zaledwie 206 aut osobowych z napędem wodorowym. [4]
Czy napęd wodorowy jest ekologiczny?
Samochody na wodór zamiast toksycznych spalin produkują neutralną dla klimatu wodę. Czy to oznacza, że instalacja wodorowa jest najlepsza dla środowiska naturalnego? Teoretycznie tak, lecz diabeł tkwi w szczegółach, czyli w źródłach energii potrzebnej do produkcji i dystrybucji wodoru.
Energochłonna i emisyjna produkcja wodoru
Najczęściej stosowaną technologią produkcji wodoru jest tzw. reforming parowy gazu ziemnego. Nie tylko wymaga ona dużej ilości energii, lecz powoduje emisję dwutlenku węgla do atmosfery. Ponadto opiera się na przetwarzaniu gazu ziemnego, czyli paliwa kopalnego.
Alternatywną metodą pozyskiwania wodoru jest elektroliza wody, czyli rozkład wody na tlen i wodór. To proces w pełni ekologiczny i „czysty”. Co stoi na przeszkodzie? Elektroliza wody, podobnie jak reforming parowy, jest energochłonna.
Niska efektywność energetyczna
Niska efektywność energetyczna wynika stąd, że do produkcji czystego wodoru, jego transportu oraz przechowywania potrzeba dużych ilości prądu. Na przykład magazynowanie skroplonego wodoru pochłania znaczne ilości energii niezbędnej do utrzymywania cieczy w bardzo niskiej temperaturze (-253 °C).
Zielony wodór tylko z zielonej energii elektrycznej
Jeżeli energia elektryczna niezbędna do wytworzenia i dystrybucji wodoru pochodzi z OZE (Odnawialne Źródła Energii), można go uznać za paliwo w pełni ekologiczne, przyjazne środowisku naturalnemu. Sytuacja zmienia się diametralnie, gdy do produkcji wodoru wykorzystywany jest „brudny” prąd, któri pochodzi ze spalania paliw kopalnych. W takiej sytuacji bardziej ekologicznym środkiem transportu jest samochód elektryczny. Wykorzystuje on prąd bezpośrednio, bez strat w czasie produkcji wodoru i spalania go w ogniwach paliwowych.
To tylko jeden z wielu argumentów, które przemawiają za wyborem samochodu elektrycznego. Więcej na ten temat przeczytasz w artykule: Wady i zalety samochodów elektrycznych.
Czy wodór to przyszłość motoryzacji?
Czy samochody wodorowe zyskają na popularności? Odpowiedź poznamy za kilka, może kilkanaście lat. Obecnie wydaje się, że warunkiem sukcesu ogniw paliwowych jest rozbudowa sieci stacji, na których będzie możliwe tankowanie samochodu wodorem.
Konieczne jest też opracowanie nowoczesnych technologii, które rozwiążą problemy związane z magazynowaniem wodoru. Dopiero pokonanie omówionych w artykule ograniczeń pozwoli na szybki rozwój napędów, które wykorzystują ogniwa paliwowe.
Źródła:
[1] https://devil-cars.pl/blog/samochod-na-wodor-jak-dziala-ile-kosztuje [dostęp: 10.01.2024]
[2] https://www.parkiet.com/surowce-i-paliwa/art39156491-w-polsce-dziala-dopiero-jedna-ogolnodostepna-stacja-wodorowa [dostęp: 10.01.2024]
[3] http://gashd.eu/wodor-h2/stacje-wodorowe-w-polsce/ [dostęp: 10.01.2024]
[4] https://www.parkiet.com/surowce-i-paliwa/art39156491-w-polsce-dziala-dopiero-jedna-ogolnodostepna-stacja-wodorowa [dostęp: 10.01.2024]
