Jak działa silnik wodorowy?

W tym artykule:

1. Jak wykorzystywać wodór w motoryzacji?
2. Jak przechowywać wodór?
3. Jak działa silnik wodorowy?
4. Napęd wodorowy to przyszłość

Coraz bardziej restrykcyjne normy emisji spalin powodują, że producenci samochodów zaczęli dokładać do swoich aut małe silniki elektryczne wspomagające jednostkę spalinową. Ma to ograniczyć produkcje szkodliwych dla środowiska spalin, a jednocześnie pomóc zmniejszyć ryzyko zapłaty wielomilionowych kary za łamanie przepisów. Pierwszym samochodem z napędem wodorym, który trafił do masowej produkcji była Toyota Mirai. Koncept tego auta był rozwijany od 1992 roku, a to pokazuje jak długą drogę musiała przejść ta technologia, by można było z niej seryjnie korzystać.

Jak wykorzystywać wodór w motoryzacji?

Wodór to najczęściej spotykany pierwiastek chemiczny we wszechświecie i na naszej planecie. Jako napęd jest już wykorzystywany w pociągach i w samochodach. Ostatnio również w lotnictwie. W motoryzacji może być wykorzystywany na dwa sposoby.

1. Może służyć jako paliwo w tradycyjnym silniku, które podlega spalaniu w komorze.
2. Drugim sposobem jest wykorzystanie wodoru w ogniwach paliwowych, by wytworzyć energię napędzającą silnik elektryczny. Energia wiązania wodoru i tlenu w cząsteczce wody H₂O jest mniejsza niż łączna energia wiązania cząsteczek wodoru H₂ i tlenu O₂.

Podczas jazdy kierowca nie odczuje żadnej różnicy w jeździe względem aut napędzanych benzyną. Największa zmiana jest dla środowiska, bowiem samochody wodorowe nie emitują żadnych szkodliwych substancji. A jak wyglądają koszty? Tu niestety nie jest tak optymistycznie. Przejechanie 100 kilometrów na wodorze, kosztuje około 44 złotych. W momencie jeszcze większej popularyzacji tego pierwiastka w motoryzacji, cena z pewnością spadnie.

Nawet zerowa emisja CO2 nie wystarcza. Pierwsze lotnisko na świecie ogranicza liczbę lotów przez zmiany klimatu

Trzecie najbardziej ruchliwe lotnisko w Europie wprowadza znaczące zmiany w rozkładzie lotów. Od kiedy zaczną obowiązywać?

Podstawowym problemem w stosowaniu wodoru w silnikach tłokowych jest jego przedwczesny zapłon. Przyczynami tej sytuacji są bardzo niska energia zapłonu wodoru oraz szeroki zakres palności. Oprócz tych dwóch rzeczy, podczas spalania wodoru w powietrzu wytwarzają się niewielkie ilości tlenków azotu, które nie są zbyt dobre dla naszego zdrowia. Na szczęście ilość, która jest generowana nie ma negatywnego wpływu na środowisko.

Jak przechowywać wodór?

To też jest trudna kwestia. W stanie ciekłym co prawda, wodór zajmuje aż 846 razy mniejszą objętość niż w stanie gazowym przy temperaturze 0 stopni Celsjusza, ale za to pochłania bardzo dużo energii, przez co musi być chłodzony do temperatury -253 stopni Celsjusza. Oznacza to, że samochód musi być regularnie uruchamiany. Obliczono, że po około 9–14 dniach, wodór osiągnie taką temperaturę, że zamieni się w gaz i ulotni ze zbiornika.

W pojazdach, w których wykorzystywane są ogniwa paliwowe, znajdują się zbiorniki do magazynowania sprężonego wodoru. Cylindrycznym kształtem przypominają te używane do paliw LPG. W przypadku wodoru, konstrukcje są jeszcze bardziej zaawansowane pod względem użytej technologii. Wewnętrzna warstwa wykonana jest z aluminium lub stali (ok. 20 proc. całkowitej masy), natomiast z zewnątrz całość jest oblana tworzywem kompozytowym.

To wszystko sprawia, że zbiorniki mają dużą odporność na uszkodzenia mechaniczne oraz stosunkowo niewielką masę. Dobrym przykładem jest Honda FCX Concept. Zamontowano tam 171-litrowy zbiornik, w którym gaz jest przechowywany pod ciśnieniem 35 MPa. Liczba kilometrów, którą ten samochód mógłby przejechać robi wrażenie, bo wynosi aż 569,7 kilometrów.

Jak działa silnik wodorowy?

Odpowiedź na pytanie, jak działa silnik wodorowy, jest w zasadzie prosta. W pierwszym etapie pierwiastek chemiczny jest doprowadzany ze zbiornika do ogniwa, gdzie dostarczane jest powietrze, najczęściej z wykorzystaniem turbosprężarki.

Drugim krokiem jest transmisja prądu z ogniwa do przetwornicy trakcyjnej, gdzie zamieniany jest on na prąd zmienny. Stamtąd jest przekazywany do silnika indykcyjnego, a ten dostarcza moment obrotowy do kół samochodu.

Elementem, bez którego ten cały proces nie mógłby się odbyć, są ogniwa paliwowe. Co to takiego? To elektrochemiczne urządzenia wytwarzające energię użyteczną w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem.

Istnieje wiele rodzajów takich ogniw paliwowych, a jednym z kryteriów, na które je można podzielić to temperatura. Możemy wyróżnić ogniwa paliwie wysoko-temperaturowe i nisko-temperaturowe.

Ogniwa wysoko-temperaturowe pracują w okolicach 600 stopni Celsjusza. Spokojnie można w nich wykorzystywać wodór o niskiej czystości jak również niektóre węglowodory jak metan. Ich największą zaletą jest bardzo wysoka wydajność. Z drugiej strony największą wadą, przez którą nie możemy ich wykorzystać w przemyśle samochodowym, jest duża bezwładność czasowa. Oznacza to, że nie możemy ich błyskawicznie uruchomić.

Dlatego w samochodach wykorzystywane są ogniwa niskotemperaturowe. Nie potrzebują tak wysokiej temperatury jak poprzednie, bo już tylko 250 stopni Celsjusza. Jest jednak mały haczyk, bowiem wymagany jest tutaj czysty wodór. Zdecydowaną zaletą jest brak konieczności stosowania termoodpornych materiałów, co przekłada się na bezpieczeństwo i sprzyja stosowaniu w samochodach.

Napęd wodorowy to przyszłość

Napęd wodorowy to przyszłość, czy chcemy tego czy nie. Samochody napędzane wodorem, będą o wiele bardziej przyjemniejsze w obsłudze. Głównie chodzi o uzupełnianie energii elektrycznej w „elektrykach". Dla wielu osób proces ten, trwa zdecydowanie za długo. Zatankowanie wodoru zajmuje około 3 minut, czyli podobnie do wlewania benzyny do baku. Eksperci twierdzą, że to właśnie ten aspekt przekona ludzi bardziej do samochódów napędzanych wodorem niż do tych elektrycznych.

Samochody wodorowe na rynku już są, teraz czekamy na pierwszy ruch koncernów paliwowych, którzy uruchomią u siebie na stacjach taką możliwość. Mam nadzieje, że będzie to wcześniej niż później, bo technologia wodorowa, to niesamowita sprawa.

Nasz ekspert

Piotr Kolasa

Pasjonat motoryzacji, podróży i piłki nożnej. W redakcji National-Geographic.pl odpowiada za media społecznościowe i nowe technologie.