Współczesna motoryzacja w trakcie swojego rozwoju napotyka na różne problemy. Najpoważniejszym z nich jest paliwo, z którego korzystamy – benzyna lub olej napędowy. Zasoby ropy naftowej są jednak ograniczone, a poza tym korzystanie z paliw kopalnych poważnie zaburza bilans energetyczny naszej planety i powoduje emisje szkodliwych substancji. Dlatego producenci samochodów szukają rozwiązań, które będą bardziej ekologiczne, najlepiej neutralne dla środowiska, oraz dzięki którym uda się odejść od paliw pochodzących ze źródeł kopalnych. Branża motoryzacyjna, a także transportowa i energetyczna, poszukują zatem nowych źródeł energii i nowych napędów, a na rynku motoryzacyjnym rośnie oferta samochodów hybrydowych, elektrycznych oraz wodorowych.
Technologie wodorowe to sposób na rozwiązanie kilku ogromnych problemów współczesności. Po pierwsze samochody na wodór są bezemisyjne, stanowią więc odpowiedź na emisje gazów cieplarnianych z transportu oraz zanieczyszczenie powietrza. Po drugie, wodór jest wygodnym magazynem energii, który może zwiększyć wydajność systemów energetycznych.
Wodór jest najprostszym i najbardziej dostępnym pierwiastkiem we wszechświecie. Stanowi około 75% całej jego masy. Ważną zaletą w zakresie zrównoważonego rozwoju jest to, że wodór spala się w bardzo czysty sposób. Gaz ten nie zawiera węgla ani siarki, a podczas spalania nie są wytwarzane szkodliwe związki, takie jak CO, CO2, Sox lub sadza ani inne cząstki stałe. Dodatkowo wodór wytwarza 2–3 razy więcej energii niż większość pozostałych typowych paliw.
Z tego materiału będzie się można dowiedzieć, jak działają samochody wodorowe i co tak właściwie oznaczają wyrażenia "napęd wodorowy" oraz "silnik wodorowy".
Napęd wodorowy – co to oznacza?
W kontekście wodoru wykorzystywanego w motoryzacji najczęściej pojawiają się dwa określenia – napęd wodorowy i silnik wodorowy. Dla wielu osób są to tożsame pojęcia, jednak tak naprawdę oznaczają one różne rozwiązania. Przykładem samochodu z napędem wodorowym, a dokładnie z elektrycznym napędem na wodorowe ogniwa paliwowe (FCEV) jest Toyota Mirai, której druga generacja zadebiutowała w Polsce w ubiegłym roku. Toyota rozpoczęła prace nad napędem na ogniwa paliwowe w latach 90., a w 2014 roku zadebiutowała na rynku Toyota Mirai pierwszej generacji. Samochód ten jest napędzany przez silnik elektryczny, który czerpie energię z ogniw paliwowych zamontowanych w aucie. Ogniwa produkują prąd w reakcji, w której wodór łączy się z tlenem, uwalniając elektrony, czyli generując prąd, i przy okazji tworząc cząsteczki wody.
W przeciwieństwie do napędu wodorowego, silnik wodorowy to jednostka spalinowa, w której jako paliwo zamiast benzyny wykorzystywany jest wodór. Eksperymenty z wodorem jako paliwem do odpowiednio przystosowanych silników spalinowych prowadzi m.in. Toyota.
W ostatnich latach firma rozpoczęła prace nad alternatywnym, spalinowym silnikiem wodorowym, których bardzo ważnym elementem są starty prototypowej wodorowej Corolli Sport w wyścigach długodystansowych w Japonii. Ideę, która stoi za tym prototypem, najlepiej wyjaśnia sam inżynier Toyoty odpowiedzialny za silnik do wodorowej Corolli: „Założeniem tego projektu było stworzenie silnika wodorowego w oparciu o silnik spalinowy, by w ten sposób umożliwić konwersję obecnych aut spalinowych na wodór i przyspieszyć proces dochodzenia do neutralności węglowej".
Toyota zaprezentowała także prototypową Toyotę GR Yaris napędzaną silnikiem spalinowym zasilanym wodorem. Oba te samochody można nazwać autami z silnikiem wodorowym, choć chcąc być precyzyjnym, lepiej o nich powiedzieć: samochód z silnikiem spalinowym na wodór.
Jak działa napęd wodorowy?
W jaki sposób działają samochody wodorowe? Napęd wodorowy w samochodach typu FCEV, czyli de facto w samochodach elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi, działa dość prosto. Ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór zamieniają energię chemiczną w energię elektryczną w wyniku reakcji wodoru z tlenem. Samochód wodorowy jest więc pojazdem elektrycznym, w którym silnik elektryczny czerpie energię z generatora prądu, czyli z ogniw paliwowych, zamiast z dużej baterii. Jedynym efektem ubocznym reakcji chemicznej w wodorowych ogniwach paliwowych jest para wodna – nie produkują one podczas pracy absolutnie żadnych szkodliwych substancji ani CO2.
Dokładnie rzecz ujmując, zasada pracy wodorowego ogniwa paliwowego prezentuje się następująco. Wodorowe ogniwo paliwowe zbudowane jest z dwóch elektrod, które rozdzielone są membraną elektrolityczną. Wodór doprowadzany jest do ogniwa, gdzie ulega reakcji utleniania. W jej wyniku wodór oddaje elektrony i wytwarza kationy wodorowe. Na katodzie zaś tlen reaguje z elektronami i redukuje się do anionów tlenowych. Membrana, która znajduje się pomiędzy obiema elektrodami, pozwala na przepływ elektronów tylko w kierunku od anody do katody, ale blokuje przepływ innych jonów, w tym anionów tlenowych. Kationy wodorowe po dotarciu do przestrzeni katodowej reagują z anionami tlenowymi, tworząc wodę. Natomiast elektrony z anody docierają do katody poprzez obwód elektryczny, wytwarzając prąd.
Cała reszta samochodu typu FCEV działa dokładnie tak, jak samochód elektryczny. Prąd wytworzony przez ogniwo paliwowe trafia do silnika napędzającego koła auta za pośrednictwem skrzyni redukcyjnej. Różnica pomiędzy samochodami elektrycznymi a autami wodorowymi polega wyłącznie na źródle energii elektrycznej. W samochodach elektrycznych dostarczana jest ona z zewnątrz i przechowywana w akumulatorach, natomiast w samochodach wodorowych wytwarzana jest już na pokładzie samego auta.
Czy samochody wodorowe są bezpieczne?
Bezpieczeństwo samochodów, w których paliwem jest wodór, to kwestia, której warto poświęcić więcej miejsca. Wodór jest bardzo łatwopalnym paliwem, ale inżynierom udało się go okiełznać. Dzięki właściwościom samego wodoru oraz zaawansowanym technologiom, samochody na ogniwa paliwowe są przynajmniej tak bezpieczne jak auta na benzynę czy olej napędowy, a może nawet bardziej.
Po pierwsze technologie wodorowe, które mają zastosowanie w samochodach FCEV, czyli w autach wodorowych, bazują na technologiach opracowanych wcześniej dla wojska, a dokładniej mówiąc, dla marynarki wojennej. Stosowane były one tam w okrętach podwodnych. Skoro więc sprawdziły się w zamkniętych jednostkach, poruszających się pod powierzchnią wody, często na bardzo dużych głębokościach, i nie spowodowały zagrożenia, to można z całą pewnością uznać, że są bardzo bezpieczne.
Bezpieczne są także zbiorniki, w których przechowywany jest sprężony wodór. Toyota prace nad nimi rozpoczęła już w 2000 r. Tak długi czas prac nad odpowiednią technologią materiałową zaowocował bardzo wytrzymałymi trójwarstwowymi zbiornikami z włókna węglowego pokrytego od wewnątrz specjalnym plastikiem, a od zewnątrz włóknem szklanym. Zarówno same zbiorniki, jak i wyposażony w nie samochód poddawano rozmaitym testom zderzeniowym, i to zarówno w laboratoriach marki, jak i w niezależnych instytucjach. Zbiorniki Toyoty są zaprojektowane tak, by wytrzymać 225 proc. normalnego ciśnienia. Mają więc ponad dwukrotny zapas wytrzymałości. Aby jeszcze lepiej sprawdzić, jak zniosą ekstremalne sytuacje, między innymi strzelano do nich z broni palnej oraz sprawdzono, jak rozchodzi się płomień po rozszczelnieniu zbiorników i zapaleniu ulatniającego się wodoru. Okazało się, że wodór spala się w postaci wąskiego słupa ognia, który podczas testu objął niewielką część tyłu samochodu, pozostawiając kabinę zupełnie bezpieczną.
Euro NCAP w podsumowaniu testów zderzeniowych Toyoty Mirai, w których wodorowy sedan zdobył maksymalne 5 gwiazdek, wydał następującą opinię: „Toyota Mirai jest jednym z pierwszych samochodów na rynku z elektrycznym napędem zasilanym wodorowymi ogniwami paliwowymi. Wodór jest magazynowany w wysokociśnieniowym zbiorniku, dlatego dla twórców nowej generacji Mirai kwestie bezpieczeństwa miały kluczowe znaczenie, co zaowocowało maksymalną oceną 5 gwiazdek w badaniu Euro NCAP. Zdając sobie sprawę, że u niektórych klientów bezpieczeństwo tej technologii budzi duże zainteresowanie, Euro NCAP zwróciło szczególną uwagę na ten aspekt w czasie testów zderzeniowych i po nich. Eksperci ustalili, że zastosowanie wodoru do napędzania Mirai nie ma żadnego wpływu na poziom bezpieczeństwa tego samochodu".
Warto dodać, że zbiorniki samochodów wodorowych muszą być bezpieczne nie tylko w kontekście zderzenia, lecz także w odniesieniu do przechowywania paliwa. Wodór jest najbardziej lotnym pierwiastkiem znanym człowiekowi i charakteryzuje się atomami, które z łatwością przenikają pomiędzy znacznie większymi cząsteczkami innych materiałów. Rozwiązaniem tego problemu okazała się trójwarstwowa struktura złożona z włókna węglowego, wzmocnionego tworzywa oraz włókna szklanego. Dzięki temu zbiorniki Toyoty Mirai są nie tylko bardzo wytrzymałe, ale także zabezpieczają wodór przed ulatnianiem się z nich.
Skąd taka konstrukcja zbiorników samochodów wodorowych? Włókno węglowe jest lekkie i bardzo wytrzymałe na uszkodzenia mechaniczne, dlatego stosuje się je m.in. bolidach wyścigowych. Składa się ono niemal wyłącznie z grafitu, dlatego się nie topi i jest odporne chemicznie. Włókno szklane na zewnątrz obok wzmocnienia zbiorników pełni jeszcze inną rolę. Zastosowano je, ponieważ doskonale widać na nim wszelkie uszkodzenia.
Równie precyzyjnie zabezpieczono zarówno dystrybutory wodoru, jak i sam proces tankowania samochodów wodorowych, który jest nadzorowany przez wyspecjalizowane systemy i może rozpocząć się dopiero wtedy, kiedy układ będzie absolutnie szczelny. Np. dysza na końcu dozownika wodoru ma mechaniczny zamek, który zapewnia doskonałe połączenie z wlewem paliwa w samochodzie wodorowym. Jeżeli zamek nie zostanie prawidłowo zamknięty, tankowanie się nie rozpocznie. Czujniki ciśnienia wykrywają najmniejsze wycieki na złączu, a dodatkowo ściśle kontrolowane jest tempo pompowania, tak aby temperatura nie wzrosła powyżej bezpiecznego poziomu.
Samochody wodorowe w Polsce
Wodór jest wciąż nowym paliwem na rynku. W związku z tym, zarówno na świecie, jak i w Polsce auta wodorowe nie są jeszcze zbyt popularne. Na ich drodze, tak samo jak w przypadku każdego innego paliwa, początkowo staje konieczność zbudowania całej infrastruktury. W początkach spalinowej motoryzacji samochody tankowało się w aptekach.
Z wodorem jest jednak znacznie lepiej niż z benzyną w pierwszych latach istnienia samochodów spalinowych. Jak dużo jest miejsc, w których można zatankować samochód wodorowy? W Europie są już setki stacji tankowania i wciąż powstają kolejne, a wodór będzie coraz bardziej dostępny. Takie punkty powstają także w Polsce – w kolejnych latach dostęp do wodoru jako paliwa może się więc diametralnie zmienić.
Niewielu producentów samochodów odważyło się wprowadzić auta wodorowe na rynek. Jednym z pionierów tej technologii i marką, która intensywnie rozwija technologie wodorowe w również w Polsce, jest Toyota, która w 2021 roku wprowadziła na polski rynek sedana Mirai drugiej generacji.
Toyota Mirai – auto wodorowe od Toyoty
Toyota Mirai drugiej generacji to samochód w każdym niemal aspekcie przełomowy. Nie tylko korzysta z atutów Toyoty jako największego producenta samochodów na świecie, lecz także z jej prac nad technologiami wodorowymi oraz hybrydowymi, bo co ciekawe, model ten garściami czerpie z modeli hybrydowych Toyoty i Lexusa. Wysoki poziom bezpieczeństwa Toyoty Mirai jest dodatkowo wspierany przez najnowsze systemy bezpieczeństwa czynnego Toyota Safety Sense – takie same, jak w innych nowych modelach Toyoty.
Prace rozwojowe nad elektrycznymi samochodami na wodorowe ogniwa paliwowe (FCEV) Toyota rozpoczęła w 1992 roku, a w 2014 roku z sukcesem wprowadziła do sprzedaży sedana Toyotę Mirai. Jej druga generacja jest atrakcyjnym stylistycznie, oczyszczającym powietrze samochodem o dynamicznym napędzie i świetnych właściwościach jezdnych. Nowa Toyota Mirai zużywa jeszcze mniej paliwa (o 10% mniej od poprzednika) i ma jeszcze większy zasięg. Ten wzrósł do około 650 km.
Konstrukcję Toyoty Mirai oparto na modułowej platformie GA-L, z której korzysta także flagowy sedan Lexus LS. Mamy więc nie tylko nowatorskie auto wodorowe, lecz także świetnie prowadzący się samochód z klasycznym, tylnym napędem i rozłożeniem mas w proporcji 50:50. Mirai dysponuje mocą 182 KM, a jego układ napędowy zachowuje pełną sprawność nawet przy temperaturze -30 st. C. Pierwszą setkę to wodorowe auto uzyskuje po 9 sekundach.
Toyota Mirai zdobyła maksymalną ocenę 5 gwiazdek w testach bezpieczeństwa Euro NCAP. Dodatkowo model ten podczas jazdy nie tylko nie emituje żadnych zanieczyszczeń, lecz także, dzięki katalitycznemu filtrowi wbudowanemu we wloty powietrza, oczyszcza powietrze podczas jazdy. Jedna Toyota Mirai, przejeżdżając 10 tys. km, może oczyścić powietrze dla jednej osoby na rok. Przeczytaj więcej na temat Toyoty Mirai na stronie producenta.
![Emerytury od kwietnia będą niższe. To przez nowe tablice [WYLICZENIA]](https://bi.im-g.pl/im/04/70/1b/z28770308II.jpg)
