Jak działa samochód na wodór?
Popularne publikacje
Są dwa rodzaje samochodów na wodór. Pierwszy to auta, które produkują energię elektryczną z wodoru. Drugi - auta, które spalają wodór, tak jak inne pojazdy benzynę i olej napędowy.
Czy samochody na wodór to przyszłość motoryzacji?
Bez trudu można znaleźć wizjonerów, którzy twierdzą, że auta na wodór są przyszłością motoryzacji a także transportu kolejowego. Być może nawet morskiego. Samochody bateryjne mają być jedynie epizodem w przejściu między autami spalinowymi a elektrycznymi. Czy tak będzie? Jak na razie samochody na wodór są koszmarnie drogie, liczba punktów tankowania jest niewielka, a sama technologia do bezpiecznych nie należy. Bo wodór jest skrajnie wybuchowy. Z tego powodu magazynowanie i transportowanie wodoru jest również niebezpieczne. Procesy wytwarzania tzw. zielonego wodoru są bardzo drogie i co oczywiste, nieopłacalne.
Nie oznacza to, że w przyszłości nie uda się znaleźć zupełnie nowych rozwiązań, które sprawią, że pojazdy osobowe, dostawcze i ciężarowe będą napędzane czystym paliwem wodorowym, którego każdy ma pod dostatkiem. Wielką zaletą aut wodorowych FCEV jest to, że są one pozbawione ciężkich i drogich baterii trakcyjnych, produkowanych z udziałem drogich metali rzadkich.
Czym jest wodór?
Wodór jest najlżejszym pierwiastkiem, występującym masowo na Ziem - w wodzie i w związkach organicznych. Jak pozyskuje się wodór do zastosowań przemysłowych i transportowych, np. jako paliwo do pojazdów?
• Z paliw kopalnych, metodą reformingu parowego gazu ziemnego;
• Z wody na drodze elektrolizy.
Przykładem zastosowania w motoryzacji wodoru z elektrolizy jest metoda wodorowania silników, w trakcie której do czyszczenia silnika stosowany jest wodór generowany przez specjalną maszynę.
Jak powstaje zielony wodór? To wodór produkowany z wody, również na drodze elektrolizy. Do procesu elektrolizy niezbędny jest prąd, który jest stosowany do rozłożenia substancji chemicznej na składniki (w procesie elektrolizy na wodór i tlen). Zielony wodór powstaje wtedy, gdy do procesu elektrolizy stosowany jest zielony prąd, czyli generowany np. przez wiatraki i panele fotowoltaiczne. Jest też inna metoda produkcji zielonego wodoru, czyli zgazowanie biomasy.
Kierowcy powinni też wiedzieć, że wodór jest wykorzystywany w procesach rafinacji ropy naftowej, a także przy produkcji stali, z której między innymi powstają auta.
Samochód elektryczny BEV to auto, które ma baterię trakcyjną, z której czerpie prąd do zasilania silnika i wszystkich podzespołów. Samochód wodorowy FCEV to auto, które ma na pokładzie małą elektrownię. Produkuje ona prąd z wodoru na drodze elektrolizy. Auto FCEV ma również baterię, ale jest ona niewielka w stosunku do baterii auta elektrycznego. Jest zatem lżejsza i sporo tańsza. Niestety, sama technologia ogniw paliwowych i przechowywania wodoru jest na tyle droga, że samochód na wodór jest bardzo drogi. Dostępne w Europie samochody osobowe na wodór, takie jak Toyota Mirai i Hyundai Nexo, kosztują ponad 300 000 złotych.
Jak działa auto na wodór FCEV?
• Wodór jest przechowywany w zbiornikach pod wysokim ciśnieniem ok. 700 barów. Zbiorniki są lekkie. W Toyocie Mirai II są trzy zbiorniki, a zgromadzony w nich wodór waży zaledwie 5,6 kg.
• Wodór trafia do ogniw paliwowych(fuel cell stack). Tam reaguje elektrochemicznie z tlenem z powietrza (O₂). W membranowym elektrodowym zespole (stack) utleniania się na anodzie, co uwalnia elektrony i tworzy prąd elektryczny. Na katodzie zaś tlen łączy się z jonami wodoru (H⁺), w ten sposób tworząc wodę (H₂O).
• W powyższym procesie chemicznym powstaje prąd stały DC, który jest kierowany do instalacji elektrycznej samochodu i do inwertera, przekształcającego prąd na zmienny AC, przeznaczony do zasilania silnika elektrycznego napędzającego koła.
• Zamiast spalin powstaje para, która jest usuwana.
• Ogniwa wodorowe wcale nie należą do małych. Stos ogniw paliwowych waży ćwierć tony i ma wielkość standardowego silnika spalinowego, benzynowego lub diesla. Dlatego stos ogniw jest montowany pod maską, jak silnik spalinowy. Ogniwa wymagają odpowiedniego chłodzenia. Maksymalna temperatura, w której pracują, wynosi 80 st. C.
• Auto jest wyposażone w baterię o pojemności kilku kWh – w Mirai II jest to akumulator o pojemności 1,6 kWh, w Nexo 1,56 kWh. Pojemność jest 10 – krotnie mniejsza niż w typowej hybrydzie PHEV.
Jaki jest zasięg auta na wodór i jakie jest jego zużycie?
Toyota Mirai II zużywa ok. 0,84 kg wodoru na 100 km. To oznacza, że zapas pierwiastka wystarcza do przejechania ok. 600 km. Tankowanie wodoru trwa ok. 5 minut.
Ile kosztuje jazda samochodem na wodór?
Obecnie kilo wodoru na stacji kosztuje ok. 70 zł. Koszt przejechania 100 km autem na wodór zawiera się w przedziale od 55 do 90 złotych. Im szybsza jazda autem, tym większe zużycie energii (jak w samochodzie elektrycznym) co oznacza też szybsze zużycie wodoru.
Samochód wymaga specjalistycznego i drogiego serwisu. Najczęstszym problemem związanym ze specyfiką napędu są wycieki paliwa i spadki mocy. Poza tym auto cierpi oczywiście na wszystkie typowe problemy aut, związane z kołami, zawieszeniem, układem kierowniczym itd.
Jak działa samochód na wodór HICEV?
HICEV to drugi rodzaj samochodu na wodór, który działa zupełnie w inny sposób.
W tym przypadku wodór jest spalany w silniku, tak samo, jak benzyna, olej napędowy czy LPG.
Źródłem napędu jest silnik benzynowy, który został poddany kilku modyfikacjom. W trakcie spalania wodoru nie powstają spaliny, tylko para wodna. Ale auta i tak musi mieć układ wydechowy, bo ubocznym skutkiem spalania wodoru w silniku spalinowym mogą być tlenki azotu, czyli najbardziej toksyczne składniki spalin. Wodór jest dawkowany (przez wtrysk bezpośredni) do cylindrów silnika. Reakcja spalania: 2H₂ + O₂ → 2H₂O, skutkiem ubocznym jest energia cieplna. Reszta działa już jak w przypadku aut spalinowych, choć jest pewien problem. Otóż silnik spalający wodór jest o połowę słabszy od takiego samego silnika, spalającego benzynę. Dlatego niezbędne jest stosowanie doładowania. Niezbędne jest zastosowanie wzmocnionych tłoków, wzmocnionych zaworów, nowej głowicy silnika, nowych uszczelek a także zmodyfikowanego zapłonu. Wodór pali się szybciej, niż benzyna. Dlatego istnieje duże zagrożenie spalaniem stukowym.
Koszty modyfikacji silnika i montażu zbiorników na wodór sprawiają, że pojazd może być o kilkadziesiąt procent droższy od benzynowego odpowiednika.
Najsłynniejszy przedstawiciel auta spalającego wodór to BMW Hydrogen 7, produkowany w latach 2005 – 2007. Pojazd był napędzany silnikiem V12 o mocy 260 KM, a jego piętą achillesową był mały zasięg, zaledwie 200 km.
Michał Lisiak