Samochody z napędem wodorowym – zasada działania, mity i fakty

Bezdyskusyjnie transport drogowy opiera się na pojazdach z silnikiem spalinowym. Coraz więcej jest na ulicach samochodów ekologicznych, które niekoniecznie muszą być autami elektrycznymi. Alternatywą dla benzyny i oleju napędowego może być wodór. Czy jest on jednak przyszłością światowej motoryzacji?

Myliłby się ten, kto przyrównywałby paliwo w postaci benzyny czy ropy naftowej do paliwa wodorowego. Bynajmniej nie jest ono tankowane identycznie jak diesel czy benzyna i spalane przez silnik, choć dawniej były takie (nieudane) próby. Tak naprawdę samochody wodorowe zaliczane są do grupy aut elektrycznych.

Ogniwo paliwowe, jest elementem, który pozwala na konwersję wodoru na energię elektryczną. Dlatego samochody wodorowe określane są za pomocą skrótowca FCV – Fuel Cell Vehicle.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Ogniwa paliwowe składają się z dwóch elektrod – ujemnej (anody) oraz dodatniej (katody). Wodór dostarczany jest do anody, a powietrze do katody. Katalizator umożliwia rozbicie atomów wodoru na protony i elektrony, zmierzające odrębnymi drogami do katody. Elektrony wędrują przez obwód zewnętrzny, powodując przepływ energii elektrycznej. Protony przez elektrolit trafiają do katody, łącząc się z elektronami i cząsteczkami tlenu. W procesie jako odpad powstaje ciepło oraz woda destylowana. Co najważniejsze, w całym tym procesie nie wydziela się dwutlenek węgla.

Największa różnica pomiędzy tradycyjnym autem elektrycznym (bateryjnym) a elektrycznym na wodór jest taka, że w aucie bateryjnym gromadzona jest energia elektryczna, a w wodorowym jest ona wytwarzana. Do auta bateryjnego, ładując je, doprowadzamy więc gotową energię do wykorzystania. Do auta wodorowego najpierw dostarczamy wodór, ten musi zostać przekształcony w gotową energię do wykorzystania. To tylko jeden z problemów.

Auta z napędem wodorowym nie są masowo produkowane. Głównie z powodu wysokiego zapotrzebowania na energię, ale nie do samego napędu, lecz do wyprodukowania wodoru. Zwłaszcza, jeśli mówimy o tzw. wodorze zielonym, czyli w teorii ekologiocznym.

Wodór jest jednym z najprostszych pierwiastków chemicznych. Wchodzi w skład między innymi wody, a jego ilość na ziemi jest wręcz nieograniczona. Jako paliwo cechuje się wysokim poziomem kaloryczności energetycznej, dzięki czemu zatankowanie kilku kilogramów wodoru umożliwia przejechanie kilkuset kilometrów. Dla porównania, by przejechać kilkaset kilometrów na benzynie trzeba zatankować kilkadziesiąt kilogramów tego paliwa.

Przykładowo Toyota Mirai zużywa wg. danych producenta 0,84 kg wodoru na 100 km. Co sprawia, że z zapasem 5,6 kg tego gazu daje to zasięg ponad 600 km. To więcej niż jest w stanie uzyskać jakikolwiek samochód elektryczny na baterie. Ogniwa paliwowe pozwalają natomiast na uzyskanie zasięgów porównywalnych do samochodów spalinowych. Podczas jazdy z napędem wodorowym pojazdy te nie emitują spalin. 

Niestety problem sprowadza się do produkcji wodoru. Paliwo to dzielimi na wodór szary, niebieski i zielony. Szary wytwarzany jest z paliw kopalnych, zielony z OZE. Niebieski to w dużym uproszczeniu mieszanka jednego i drugiego. Jeśli mamy mówić o pojeździe ekologicznym, to wyłącznie w kontekście wodoru zielonego.

Zielony wodór powstaje przy rozkładzie wody w procesie elektrolizy, w wyniku czego tworzą się jony czystego wodoru i tlenu pod wpływem przepływającego przez wodę napięcia. Energia potrzebna do wytworzenia kilograma czystego wodoru do samochodu waha się w przedziale od 30 do 70 kWh. Taka ilość energii elektrycznej pozwoliłaby na przejechanie od 150 do ponad 300 km km autem bateryjnym. Toyota Mirai na kilogramie wodoru przejedzie ok. 120 km.

Zatem mitem jest, że samochód na wodór, jest samochodem ekologicznym. Byłby, gdyby nie powstały nigdy auta na prąd, które są lepszą alternatywą. Jest bezsprzecznie pojazdem bezemisyjnym, ale marnowanie energii trudno określić mianem ekologii. Z drugiej jednak strony należy patrzeć na samochód jako całość, a w aucie wodorowym nie ma baterii, do produkcji których używa się surowców, przy których wydobyciu następuje dewastacja środowiska.

Nie ulega wątpliwości, że wiele jest zalet wykorzystywania samochodów z napędem wodorowym. Czy jednak mają szansę wyprzeć z rynku auta spalinowe i elektryczne? W obecnym otoczeniu gospodarczym i politycznym nie. Mogą jednak stanowić pewną alternatywę dla aut spalinowych lub elektrycznych.

Głos w tej sprawie zabrał zastępca dyrektora Instytutu Helmholtz w Ulm ds. pozyskiwania energii w wyniku procesów elektrochemicznych oraz wybitny ekspert w dziedzinie badań nad wodorem, prof. Maximilian Fichtner. Powiedział on, że "Absolutnie nie mam nic przeciwko wodorowi jako substancji pozwalającej magazynować energię. Tyle że trzeba go stosować tam, gdzie ma to sens, czyli raczej nie w samochodach osobowych, lecz w zastosowaniach stacjonarnych". Już powstają magazyny energii, które wytworzony z OZE prąd będą przekształcały w wodór tylko po to, by go zachować. Choćby jego część.

Profesor Volker Quaschning z Wyższej Szkoły Technicznej i Gospodarczej (HTW) w Berlinie specjalizujący się w badaniach nad odnawialnymi systemami energetycznymi dodał, że wodór będzie stosowany: "przede wszystkim w samochodach pokonujących dziennie duże odległości. Do zwykłego użytku z dużym prawdopodobieństwem stosowane będą auta elektryczne wyposażone w akumulator. Dla środowiska nie wynikną z tego żadne negatywne skutki".