Przepisy unijne, których uchwalenie planowane jest na 2035 r. zabronią produkowania nowych samochodów z napędem innym niż bezemisyjny. Dyrektywa mówi wyraźnie o przejściu na samochody elektryczne z akumulatorem – ale czy będzie miejsce na jakiekolwiek alternatywy? W tym artykule przyglądamy się możliwościom, pułapkom i ograniczeniom technicznym wykorzystania wodoru jako paliwa.

Wodór w motoryzacji – na początku wydawało się, że to niewypał

W motoryzacji wodór ma dwojakie zastosowanie: może być spalany w silniku spalinowym lub stosowany w ogniwie paliwowym. Pierwsze próby obu tych rozwiązań podjęto już kilkadziesiąt lat temu.

Jednym z pionierów było BMW Hydrogen 7, limitowana edycja pojazdu z silnikiem spalinowym, produkowana w latach 2005-2007. Samochód ten bazował na konwencjonalnej, napędzanej benzyną serii BMW 7 (E65) 760Li.

Pojazd ten posiadał ten sam 6-litrowy silnik V-12, co 760i i 760Li; został on jednak zmodyfikowany, aby umożliwić spalanie zarówno wodoru, jak i benzyny.

Samochodów tych powstało w sumie 100, co odbiło się na reputacjo firmy BMW. Projekt okazał się bowiem niewypałem, 6-litrowe V12 wytwarzało jedynie ułamek pierwotnej mocy, a wodór na stacjach paliwowych trzeba było chłodzić do -253°C przed wpompowaniem do baku, który na dodatek był nieszczelny, co stanowiło kolejną bolączkę.

Produkcja wodoru

Wodór w formie pierwiastkowej nie jest zbyt powszechny na Ziemi, przeważnie występuje bowiem w związkach. Co ciekawe, jest on najczęściej występującym pierwiastkiem chemicznym w całym wszechświecie, stanowiąc 75% masy materii i 90% liczby atomów. Na naszej planecie jednak uwolnienie go do postaci gotowej do użytku wymaga dość sporego wkładu energetycznego.

W przemyśle wodór najczęściej pozyskuje się z metanu, chlorowodoru lub wody. W tym ostatnim przypadku stosuje się w tym celu proces elektrolizy i tą metodą zainteresowała się w ostatnim czasie branża motoryzacyjna. Elektrownie wiatrowe i słoneczne nie są w stanie zmagazynować chwilowej nadwyżki energetycznej, która zostaje w efekcie zmarnowana. Jedną z ambicji Niemiec jest wykorzystanie tej zmarnowanej energii do produkcji wodoru.

Pomysł mógłby zadziałać i znaleźć szersze zastosowanie, ponieważ do elektrolizy z bezpośredniego źródła energii potrzebna jest stosunkowo duża ilość prądu.

Magazynowanie wodoru

Magazynowanie wodoru jest takim samym problemem, jak magazynowanie energii w samochodach elektrycznych z akumulatorem. Przyczyna jest prosta. W temperaturze, w której ciało ludzkie czuje się komfortowo, wodór cząsteczkowy ma formę gazu. Jego specyficzna pojemność energetyczna jest kilkakrotnie większa niż benzyny – nie mówiąc już o oleju napędowym – ale miałoby to znaczenie tylko wtedy, gdyby wodór miał tę samą gęstość. Jego temperatura topnienia wynosi zaledwie 14 Kelwinów, czyli -259,13 °C przy standardowym ciśnieniu atmosferycznym. Potrzeba aż tak niskiej temperatury, aby uzyskać pożądaną gęstość!

Wiąże się to z ogromnym wydatkiem energetycznym, ale to jeszcze nie wszystko. Po schłodzeniu wodór należy magazynować w tej samej temperaturze.

W układach chłodzenia wodoru zastosowano pewien kompromis: przechowywanie w wyższej temperaturze, ale pod dużym ciśnieniem (proces CGH2). To się sprawdza, ale wymaga specjalnych zbiorników zapobiegających dyfuzji bardzo małych luźnych cząsteczek. Potrzeba było dziesięcioleci, aby znaleźć zadowalające rozwiązanie tego problemu.

Eksperymenty nad przechowywaniem wodoru metodą absorpcji trwają do dziś. Polega ona na absorpcji wodoru przez stop metalu, dzięki czemu atomy wodoru w temperaturze pokojowej mogą być upakowane gęściej niż w stanie ciekłym. Materiał wykonania zbiornika oznacza jednak dodatkową masę, więc trwają wysiłki nad opracowaniem odpowiednio lekkiego stopu.

Obecnie stosuje się w tym celu szeroką gamę materiałów (nikiel-cyrkon, magnez itp.).

Nową metodą, która niedawno ujrzała światło dzienne jest ciekły nośnik organiczny (liquid organic carrier – LOHC). W tym procesie wodór jest przekształcany w inną substancję poprzez wiązanie chemiczne, co pozwala na bezciśnieniowe przechowywanie i transport dużych ilości nawet w temperaturze pokojowej. Wodór jest następnie uwalniany z nośnika dzięki odwrotnej reakcji chemicznej.

Przykłady układów LOHC obejmują uwodornienie materiałów organicznych, tworzenie alkoholi z tlenkiem węgla, łączenie z olejami, a nawet wykorzystanie amoniaku jako nośnika wodoru.

Wodór w ogniwach paliwowych

Po nieudanym projekcie BMW wszyscy uznali, że spalanie wodoru w silniku spalinowym to pomyłka, bez szans na opłacalne wdrożenie. Dlatego badacze zwrócili uwagę na ogniwa wodorowe.

Ogniwo paliwowe to źródło energii chemicznej, w którym energia wytwarzana jest wskutek utleniania paliwa (np. gazu ziemnego, oleju napędowego, węgla, wodoru, alkoholu). Błędne jest więc przekonanie, że wodór można wykorzystać wyłącznie w ogniwie paliwowym. Od innych paliw wodór odróżnia to, że produktem jego spalania jest woda, która nie ma ujemnego wpływu na środowisko.

Ogniwa paliwowe różnią się od ogniw fotowoltaicznych (PV) tym, że są w sposób ciągły zasilane materiałami biorącymi udział w reakcji generującej energię elektryczną, a produkty są odprowadzane, więc ogniwa paliwowe – w przeciwieństwie do ogniw PV – nie „wyczerpują się”.

Zaletą ogniw paliwowych jest również ich bardzo wysoka sprawność, znacznie wyższa niż w przypadku silników spalinowych.

Jednym z dwóch głównych problemów jest to, że jeśli spojrzeć całościowo na proces produkcji wodoru, ma ona pewne mankamenty, podobne jak w przypadku samochodów elektrycznych występują problemy z akumulatorami.

Drugi, równie bolesny problem to fakt, że ogniwa paliwowe wymagają szeregu rzadkich i kosztownych materiałów. Najlepszym przykładem jest platyna, a próby jej zastąpienia trwają od lat.

Mimo że rozmieszczenie sieci wodorowych wciąż pozostawia wiele do życzenia, samochody na ogniwa wodorowe można kupić już dziś (patrz Toyota Mirai). Ich przyszłe upowszechnienie wciąż jednak pozostaje pod znakiem zapytania.

Powrót do silnika spalinowego na wodór?

Przejście na alternatywne rozwiązania napotkało jednak nieoczekiwane przeszkody, zwłaszcza w transporcie towarowym. Coraz częściej wydaje się, że nie wynaleziono do tej pory akumulatora, która zapewniłby energię o gęstości odpowiedniej dla dużej ciężarówki.

Dlatego wiele firm wprowadziło na nowo silniki spalinowe na wodór. Konstruktorzy ciężkich pojazdów zastanawiają się teraz nad modyfikacją głowicy cylindra silnika wysokoprężnego, natomiast Toyota wymyśliła napędzaną wodorem Corollę, która również wystartowała w 24-godzinnym wyścigu.

Nie jest jeszcze jasne, czy to rozwiązanie zmieści się w kryteriach zerowej emisji z 2035 r., ponieważ dwutlenek węgla z substancją smarną będzie odprowadzany do atmosfery.

Z pewnością ciekawie będzie zobaczyć, które technologie przetrwają, a które przejdą do historii.