Auta wodorowe – jak działają?

Auta wodorowe wykorzystują do napędu powietrze, a z rury wydechowej cieknie im woda. I to jest bez wątpienia eko-scytujące. Czy taka będzie nasza przyszłość, czyli Mirai?

Mirai to z jednej strony przyszłość w słowniku polsko-japońskim, a z drugiej strony model Toyoty, który chcielibyśmy częściej oglądać na naszych drogach. Dlaczego? Bo to ekscytujące, że samochód bierze haust powietrza, łączy go z pierwiastkiem, który jest wszędzie wokół nas, w sprytny sposób przerabia taką mieszankę na energię, a zamiast spalin wytwarza zdatną do picia wodę. Żeby jednak takie cuda były możliwe na drogach, musieliśmy przejść, albo raczej przejechać w oparach absurdu i spalin bardzo długą drogę, by wreszcie dojechać do czasów, gdzie auta wodorowe napędzane są przez bullshit.

Auta wodorowe Toyota Mirai

Auta wodorowe – Toyota Mirai / Źródło: Toyota

Zaczęło się zatem od silnika elektrycznego, dzięki któremu nie tylko rozruszaliśmy motoryzację (na początku motoryzacji większość aut była na prąd), ale też jeździliśmy po Księżycu (pojazdy księżycowe mają napęd elektryczny, bo targanie benzyny na dystans ponad 380 tys. km po prostu nie ma sensu). Potem cały świat rozpędziły silniki spalinowe i, niestety, przy okazji popsuły nam trochę klimat, co nas zabija na śmierć, dosłownie. A teraz to elektrony upominają się o uznanie, co jest przede wszystkim zasługą Elona Muska i jego Tesli X oraz Modelu 3 (ciekawostka – silnik elektryczny tego modelu ma kilkaset koni mocy, choć jest wielkości arbuza i ma jedną ruchomą część, więc odchodzą koszty wymiany olejów, świec, pasków rozrządu i temu podobnych). Ale przyszłość najprawdopodobniej należy do wodoru, do czego przekonuje nas Toyota.

Toyota Mirai wcale nie jest pierwszym autem wodorowym. Próby stworzenia pojazdu napędzanego wodorem sięgają XIX wieku, ale tak naprawdę technologia nabrała rozpędu 20 lat temu. Początkowo próbowano ujarzmić wodór i zmusić go, by był spalany zamiast benzyny w tradycyjnym silniku, ale to bardzo nieefektywne rozwiązanie – BMW Hydrogen 7 z 2005 miała silnik V12, który potrzebował 50 l wodoru na 100 km. Z większą sympatią zwrócono się wówczas w stronę ogniw paliwowych, które wykorzystują tlen i wodór do produkcji energii elektrycznej, dzięki czemu mamy auto de facto o napędzie elektrycznym, które ma na pokładzie swoją własną elektrownie. Fascynujące! Jak to działa?

Najpierw tankujemy wodór. Potem jest on dostarczany do elektrody ujemnej, która uwalnia elektron. Elektron przechodzi do elektrody dodatniej, gdzie wytwarza się elektryczność. Trzeba jednak pamiętać, że po uwolnieniu elektronu atomy wodoru staje się jonami, które przechodzą do elektrody dodatniej, gdzie wiążą się z tlenem z powietrza, i powstaje woda, która potem cieknie z rury wydechowej. Woda ma jednak tendencję do gromadzenia się na elektrodach, obniżając sprawność ogniwa. Ogniwa najnowszej generacji wykorzystują wodę do nawilżenia membrany, co zwiększa przewodność protonów. Skomplikowane? E tam, tylko spójrzcie na to.

Auta wodorowe mają swoje wady

Toyota Mirai może i nie jest pionierem nowej technologii, ale i tak jest kluczowa. Dlaczego? Po pierwsze, jest stosunkowo tania (66 tys. euro), co zaskakuje, bo na przykład skrywa w sobie duże ilości drogich metali (o czym za chwilę). Po drugie, Toyota uparła się, że wodór to nasza przyszłość i choć na razie traktujemy takie auta jak ciekawostkę z filmów science-fiction, to może jednak Japończycy mają rację? Przecież gdy w 1996 roku pokazali światu pierwszą generację hybrydowego Priusa, zewsząd było słychać kpiny i utyskiwania, że to bez sensu, a teraz proszę, kogoś jeszcze dziwią hybrydowe osobówki, supersamochody, autobusy i ciężarówki? Po trzecie, Przyszłość będzie można kupić, ot tak, po prostu, na przykład zamiast Volkswagena z silnikiem TDI – poprzednie auta wodorowe były dostępne w leasingu tylko dla tych, którzy spełnili szereg wymagań. Wszystko pięknie? Niekoniecznie.

Auta wodorowe Toyota Mirai

Auta wodorowe – Toyota Mirai / Źródło: Toyota

Produkcja Mirai jak na razie jest śladowa (700 sztuk w 2015 roku, 2000 sztuk rok później i 3000 sztuk w 2017 roku), ale już widać, że popyt przewyższa podaż. Kilka dni po premierze w Japonii wyprzedano zapas Mirai na cały rok, a w USA ponad 2 tys. ludzi złożyło zamówienia, choć Toyota zaplanowała dostarczyć Amerykanom dwa razy mniej egzemplarzy. Jest jeszcze Europa, a właściwie Dania, Wielka Brytania i Niemcy, bo tylko tam Mirai jest oferowany. Wszystko przez brak infrastruktury.

W Europie jest raptem 89 stacji wodorowych (w planach jest kolejnych 54, większość w Niemczech), a na całym świecie 184 (w planach 129 kolejnych). W Polsce nie ma żadnej, ale jest plan, by w 2030 roku było ich dziewięć, więc może wodorowe Solarisy nabiorą rozpędu po zatankowaniu wodoru. Toyota zdaje sobie sprawę z dylematu, że bez jajka nie będzie kury, ale też samej kury nie będzie bez jajka i dlatego mocno stawia na Mirai, która jest kurą. A może jajkiem? Toyota wprowadza auta wodorowe do „masowej” sprzedaży, co ma zachęcić do budowy stacji wodorowych i przestawić transport na wodór. Świetnie, ale wyzwaniem jest cena samej stacji z wodorem – 2 miliony euro za sztukę, czyli 10 razy więcej niż za tradycyjną stację… A to nie koniec przeszkód do pokonania.

Auta wodorowe budowa

Auta wodorowe – budowa / Źródło: Toyota

Choć wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, to z jednej strony nie występuje w stanie wolnym, a z drugiej strony bardzo trudno go przekonać do współpracy. Dlaczego? Toyota zużywa 0,76 kg wodoru na 100 km (kilogram wodoru kosztuje 6 – 10 euro), a jej dwa zbiorniki mieszczą 5 kg paliwa sprężonego do 70 MPa (to ciśnienie jak na dnie oceanu!). Wodór, którym tankujemy Toyotę, jest pozyskiwany z różnych związków – obecnie najrozsądniejsze, z punku widzenia kosztów, jest przetwarzanie metanu. Średni koszt tego procesu to 10 euro/kg wodoru, ale efektem ubocznym jest 10 kilogramów CO2, co nie jest pożądane, bo przecież zależy nam na redukcji emisji dwutlenku węgla, prawda? Inny sposób to elektroliza wody (rozkład wody na wodór i tlen po przyłożeniu napięcia) z wykorzystaniem prądu z odnawialnych źródeł energii – to przyszłościowe i czyste rozwiązanie, ale wciąż kosmicznie drogie. Skoro już mamy wodór, to jak go przetransportować?

Wodór jest wszędzie wokół nas, ale zajmuje bardzo dużo miejsca. Trzeba więc go skompresować, by móc go transportować. A to nie jest łatwe. I tak: jeśli mamy dwie identyczne cysterny o ładowności 40 ton, to ta z wodorem przewiezie go 80 razy mniej niż ta z bezołowiową. Co więcej, choć wydajność energetyczna wodoru jest wyższa niż benzyny, to i tak potrzeba 22 ciężarówek, by przewieźć tyle samo wodoru, ile mieści się w jednej cysternie z bezołowiową. Auć! Można jeszcze transportować ciekły wodór (rozwiązanie ośmiokrotnie mniej energochłonne), co, niestety, ogranicza jego energetyczność o 40%. Nadzieją są rurociągi, gdzie straty sięgają 5% na każde 500 km i na razie jest ich kilka na terenie Francji, Belgii i Niemiec (należą do francuskiej firmy Air Liquide i wykorzystywane są w przemyśle), ale to wciąż za mało, by Kowalski, Schmidt i Dupont mogli tanio tankować wodór na każdej stacji. Zostaje jeszcze kwestia bezpieczeństwa.

Pamiętamy, że niemieckie sterowce, które z godnością unosiły się w przestworzach, były bardzo wybuchowe właśnie ze względu na łatwopalny wodór. Jak sobie z tym radzi Toyota? Dwa zbiorniki na pokładzie Mirai wykonane z włókna węglowego i włókien szklanych z dodatkiem tworzyw sztucznych. Zaprojektowano je tak, by wytrzymały ciśnienie 200 MPa i nie wybuchły nawet wtedy, gdy są ostrzeliwane z broni palnej, co Toyota sprawdziła doświadczalnie. Ryzyko eksplozji i tak jest minimalne, gdyż wodór to najlżejszy pierwiastek i bardzo szybko się ulatnia, minimalizując ryzyko wybuchu. Jeśli jednak będzie bum!, to snop ognia jest wysoki i wąski, więc łatwo go ugasić. A zatem spokojnie, nie ma się czego bać.

Nie tylko charakter wodoru zmusza konstruktorów do ciągłego temperowania ołówków i drapania się po głowie. Kluczowym elementem ogniw jest membrana wykonana z polimeru o nazwie nafion. Źle znosi on niskie temperatury (już poniżej zera nie czuje się dobrze) i wysokie (powyżej 75°C), więc trzeba na niego dmuchać i chuchać, by działał jak należy. Jest również bardzo czuły na czystość tankowanego wodoru i zasysanego powietrza, stąd bardzo skuteczne filtry powietrza na pokładzie Mirai. Co za ironia – samochód niezwykle pożądany w miastach dotkniętych smogiem kiepsko sobie w nich radzi, bo brakuje mu świeżego powietrza, hm… Membrana potrzebuje też około 30 g platyny na swoje 9 metrów kwadratowych powierzchni, co kosztuje 8 tys. euro! Do tego 2 tys. euro za zbiorniki plus reszta oprzyrządowania zaawansowanego napędu – sam napęd wodorowej Toyoty kosztuje 40 tys. euro (przypomnijmy – całe auto za 66 tys. euro), ale japońscy księgowi chcą zmniejszyć koszty produkcji czterokrotnie do 2030 roku (i może wtedy wreszcie zaczną zarabiać).

Auta wodorowe mają też swoje zalety

Mimo tych wszystkich zagrożeń, problemów i kosztów, samochody wodorowe mają też wiele zalet, o których warto pamiętać. Auta takie jak Mirai zamiast spalin emitują z rury wydechowej czystą wodę, nie zatruwają też środowiska tlenkami węgla, azotów i innymi cząstkami stałymi. Mają też wyraźną przewagę nad autami elektrycznymi – choć podobnie jak one poruszają się bezszelestnie i korzystają z energii elektrycznej, to jednak można je tankować jak samochody z silnikiem benzynowym, na stacji, w kilka minut, bez potrzeby kilkugodzinnego czekania przy gniazdku. Mają też większy zasięg niż typowo elektryczne auta. Mirai, choć wygląda niczym model przeniesiony do naszych czasów z 2025 roku, jest zaskakująco konwencjonalny z technicznego punktu widzenia. Bazuje na płycie podłogowej siedmioosobowego Priusa Plus i wykorzystuje silnik elektryczny Lexusa RX450h. Przyszłościowa Toyota zaprasza na pokład 4 osoby i 361 litrów bagażu, dysponuje mocą 155 KM, oferuje przyzwoite osiągi (9,6 s do setki, maks. 178 km/h) i bardziej niż wystarczający zasięg (500 – 700 km).

Co by nie mówić, Mirai to absolutny tour de force Toyoty. Napakowany najnowocześniejszymi technologiami, nad którymi pracują najtęższe umysły w motoryzacji. Konstruując Przyszłość, japońska firma opatentowała 5680 rozwiązań i udostępniła je darmo innym producentom, by mogli rozwijać ten rodzaj napędu. Na wodór stawiają też mocno inni producenci, ale jeśli to wodór ma nas wprowadzić w przyszłość, to przede wszystkim ze wsparciem Toyoty, największego producenta samochodów świata.

Auta wodorowe innych firm

Toyota Mirai jest teraz w centrum zainteresowania, ponieważ to pierwszy samochód zaprojektowany od podstaw jako wodorowy, na dodatek pierwszy produkowany seryjnie (choć na małą skalę) i dostępny w sprzedaży dla zwykłych klientów (a nie w leasingu). Ale trzeba też pamiętać o konkurentach.

Od 2008 roku klienci mogli natomiast leasingować Hondę FCX Clarity (72 sztuki) oraz Mercedesa B F-Cell (60 egzemplarzy) – oba modele wyposażone są w ogniwa paliwowe. Od 2013 roku można za to kupić Hyundaia ix35 FCEV. Kosztuje 65,5 tys. euro, oferuje 136 KM i między tankowaniami pokona prawie 600 km. Hyundai pracuje nad ogniwami od 2001 roku i za każdym razem (to już trzecia generacja Hyundaia z napędem przyszłości) umieszcza je w dobrze znanym nadwoziu, dlatego to Mirai w większym stopniu zawładnęła wyobraźnią, bo jest wodorowa z urodzenia, a nie tylko przekonwertowana na nowy rodzaj paliwa.

W tym roku Honda zaoferuje możliwość leasingu modelu Clarity (200 sztuk w samej Japonii, w planach USA i Europa), którego kosmiczny wygląd skrywa pojemniejsze niż w Toyocie wnętrze (pięć osób zamiast czterech), mocniejszy silnik (177 zamiast 155 KM) i większe możliwości (ponad 700 km zasięgu). Asem w rękawie Clarity jest również to, że całe wodorowe oprzyrządowanie mieści się pod maską i rozmiarem przypomina niewielki silnik V6, a nie elektrownię. Brawo Honda!

Auta wodorowe - Honda FCV Clarity

Auta wodorowe – Honda Clarity / Źródło: Honda

Źródła: YouTube, Hyundai UK, Toyota, Automobile Magazine, TVN24

(Visited 459 times, 1 visits today)