Czysta energia na czterech kołach – jak działają samochody na wodór?

W dobie aktywnego dążenia do ekologicznych rozwiązań w przemyśle i transporcie oraz rosnącej roli odnawialnych źródeł energii w tych dziedzinach, nie dziwi fakt, że marki samochodowe szukają nowych rozwiązań pomagających w zrealizowaniu tych celów. Przykładowo, na przestrzeni ostatnich kilku lat znacząco wzrosła liczba pojazdów napędzanych elektrycznie zarówno na polskich, jak i zagranicznych drogach. Firmy jednak testują również inne środki napędu samochodów. Dlaczego akurat wodór i jak działają samochody przez niego napędzane?

Dlaczego wodór?

Wodór jest najpowszechniejszym i najczęściej występującym pierwiastkiem we Wszechświecie. Na Ziemi jego źródłem jest m.in. woda. Posiada on prawie trzykrotnie większą gęstość energetyczną w przeliczeniu na jednostkę masy niż inne paliwa np. benzyna. Ponadto, w roli paliwa, wodór nie wydziela dwutlenku węgla ani żadnych innych, szkodliwych dla środowiska substancji.

Jednak, mimo tych pozytywnych aspektów, warto zwrócić uwagę na znaczący problem związany z tym pierwiastkiem. Ma on najniższą gęstość spośród wszystkich pierwiastków chemicznych – jest około 14 razy lżejszy od powietrza. Prowadzi to do problemów związanych z jego magazynowaniem. W warunkach standardowych (temperatura pokojowa, ciśnienie 1 000 hPa), 1 kg wodoru stanowi aż 11 200 l objętości. Czy istnieją jednak sposoby na zminimalizowanie tego problemu?

Magazynowanie wodoru

Wodór może być magazynowany na wiele sposobów, począwszy od fizycznego przechowywania w zbiornikach, po przetrzymywanie go w określonych substancjach. Przykładami takich substancji są np. amoniak lub wodorki metali, które po przejściu odpowiednich reakcji zostaną rozłożone odpowiednio na wodór i inne związki chemiczne lub pierwiastki.

W przypadku metod fizycznego magazynowania, wyróżniamy przechowywanie wodoru w formie ciekłej lub sprężonej (pod ciśnieniem). Wodór skrapla się przy bardzo niskich temperaturach, przez co wymagane jest utrzymanie odpowiedniej temperatury otoczenia – zazwyczaj jest to ok. -253°C. Jednak, w przypadku samochodów używa się raczej zbiorników ze sprężonym wodorem. Wartości ciśnienia w takich zbiornikach są bardzo duże i sięgają 350-700 barów. Często można się spotkać z oznaczeniami H35 lub H70, które oznaczają wodór sprężony pod odpowiednim ciśnieniem (H35 – 35 MPa – 350 barów; H70 – 70 MPa – 700 barów). Taki sposób magazynowania wodoru w samochodzie minimalizuje zarazem wcześniej wspomniany problem z jego gęstością. Wodór sprężony przechowywany pod ciśnieniem 700 barów, na każdy 1kg, zajmuje ok. 27 l objętości, co daje nam znacznie mniejszą wartość niż objętość 1 kg tego pierwiastka w formie niesprężonej.

Tankowanie pojazdu zasilanego wodorem wygląda bardzo podobnie jak tankowanie innymi paliwami. Sam pistolet tankujący przypomina wyglądem ten od dystrybutora LPG, ale posiada hermetyczne, bezpieczne złącze.

Rodzaje technologii wodorowych

Istnieją dwa główne nurty rozwoju jeśli chodzi o samochody napędzane wodorem. Pierwszym z nich jest wodorowy silnik spalinowy. W gruncie rzeczy jest to silnik posiadający takie same elementy (tłoki, korbowody itd.) jak zwykły silnik spalinowy (ICE). Jedyna realna różnica jest taka, że zużywa on wodór zamiast oleju napędowego. Podstawą funkcjonowania tej jednostki napędowej jest spalanie wodoru w komorze spalania, które generuje energię mechaniczną mogącą napędzić tłoki. Ze względu na sposób działania nie jest to rozwiązanie całkowicie zeroemisyjne – mogą powstawać niewielkie ilości tlenków azotu lub dwutlenku węgla. Przykładowym samochodem napędzanym takim silnikiem jest Toyota GR Yaris Rally2 H2.

Działanie FCEV

Drugim, znacznie bardziej popularnym rodzajem technologii wodorowych są pojazdy FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle). Jak dokładnie one działają?

Można powiedzieć, że FCEV działa bardzo podobnie jak zwykłe samochody elektryczne. Podobnie jak one, używa on silnika elektrycznego do wygenerowania odpowiedniej energii mechanicznej napędzającej samochód oraz do prawidłowego działania wszystkich funkcji pojazdu. Podstawowa różnica polega na tym, skąd pochodzi energia elektryczna w takim silniku. Samochód elektryczny zyskuje energię elektryczną z zewnątrz (np. z domowej instalacji, poprzez mobilną ładowarkę), natomiast FCEV wytwarza tę energię w ogniwach paliwowych.

W pierwszej kolejności wodór trafia ze zbiornika do elektrody ujemnej (anody) znajdującej się w ogniwie. Zostaje on tam rozłożony na proton i elektron. Elektron zostaje skierowany do zewnętrznego obwodu elektrycznego, tworząc prąd, a następnie dociera do elektrody dodatniej (katody). Do katody dostarczany jest również tlen z powietrza. Elektrody oddziela półprzepuszczalna membrana (PEM), przez którą mogą się przedostać protony zmierzające do katody. Następnie zachodzi reakcja między protonem, elektronem oraz tlenem, dając tym samym cząsteczki wody. Produktami pracy całego ogniwa są zatem woda, ciepło wytworzone podczas reakcji oraz energia elektryczna. Przykładowymi samochodami FCEV są Toyota Mirai lub BMW iX5 Hydrogen.

Podsumowanie

Samochody działające na wodór stanowią jedną z najciekawszych i najbardziej możliwych do zrealizowania alternatyw do klasycznych pojazdów spalinowych czy elektrycznych. Mimo wyzwań związanych z samymi właściwościami wodoru, technologia ta jest coraz bardziej rozwijana. Natomiast, dzięki zerowej emisji szkodliwych substancji oraz dużej gęstości energetycznej wodoru może się przyczynić do rozwoju transportu przyjaznego środowisku. 

Źródła: e-magazyny.pl, toyota.pl, energy.gov, farmer.pl, h2wielkopolska.pl, twi-global, orlen.pl

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Patryk Novosel