Poradniki i mechanikaNa wodór, ale nie w ogniwach. Jak Toyota chce uratować silniki spalinowe… i czy jej się to uda?

Na wodór, ale nie w ogniwach. Jak Toyota chce uratować silniki spalinowe… i czy jej się to uda?

Wodorowy silnik spalinowy Toyoty (2021)
Wodorowy silnik spalinowy Toyoty (2021)
Źródło zdjęć: © fot. Toyota Motor Europe
Mateusz Żuchowski

15.12.2021 09:16, aktual.: 10.03.2023 14:30

Zalogowani mogą więcej

Możesz zapisać ten artykuł na później. Znajdziesz go potem na swoim koncie użytkownika

Toyota dała się już poznać jako pionier ogniw paliwowych. Teraz jednak prezentuje dwa prototypy, które wykorzystują wodór w silniku spalinowym. Dyrektor marki ds. wodoru odpowiada mi na pytania, po co Toyota zrobiła takie auta i co z tego wyniknie.

Wodór to jedna z najczęściej powtarzanych propozycji wśród potencjalnych następców paliw kopalnych w przemyśle motoryzacyjnym. Nad samochodami zasilanymi ogniwami wodorowymi pracuje już wielu czołowych producentów aut, jak Mercedes i Hyundai. Najwięcej póki co na tym polu osiągnęła Toyota, która w tej chwili oferuje już drugą generację swojego seryjnego auta wodorowego, modelu Mirai. Od kilku miesięcy jest on dostępny również na polskim rynku jako pierwsze auto w historii wodorowe.

W Mirai wodór trafia do ogniw paliwowych, gdzie zachodzi proces odwróconej elektrolizy (następuje rozbicie atomów wodoru i odpowiednio nakierunkowane elektrony generują przepływ prądu). W praktyce jest to więc samochód elektryczny, którego akumulator jest ładowany przez obecną na pokładzie "mini-elektrownię", jak określił ją Filip Buliński w poniższym tekście.

W tej chwili tą drogą rozwoju podążają wszyscy producenci aut, ale nie jest to jedyna możliwa droga. Wodór da się wykorzystać również w klasycznym silniku spalinowym. W tym momencie powinni ucieszyć się wszyscy fani "prawdziwej motoryzacji": zwykłe silniki z dobrze im znanym dźwiękiem i sposobem budowania mocy mogą uchować się w przyszłości. W końcu jeśli napędza je wodór, to z rury wydechowej leci tylko woda.

Czy już możemy się cieszyć z uratowania silników spalinowych?

Aż tak prosto to nie jest. Udowodniło to choćby BMW, który swój pierwszy prototyp auta z wodorowym silnikiem spalinowym, model 520h, zaprezentowało już w roku 1979. Ostatecznie Niemcy poddali się po około 30 latach prac i program zarzucili. Sam miałem okazję zostać przewiezionym BMW 7 Hydrogen jeszcze w 2009 roku, ale niewiele później program rozwoju tych silników został, jak określił to w wywiadzie ze mną ówczesny członek zarządu BMW Ian Robertson, "odstawiony na półkę w Monachium".

Flota BMW 7 Hydrogen ze spalinowymi silnikami wodorowymi (2008)
Flota BMW 7 Hydrogen ze spalinowymi silnikami wodorowymi (2008)© fot. BMW

Pomijając nawet problemy natury ekologicznej, spalinowe silniki wodorowe stanowią przede wszystkim wielkie wyzwanie inżynieryjne. Nie wystarczy po prostu podłączyć zbiornika z wodorem do silnika benzynowego i oczekiwać, że wszystko będzie działało. Toyota pracuje nad taką jednostką już od 2017 roku i przez długi czas potrafiła zbudować tylko silnik, który korzystał z mieszanki wodoru i benzyny bezołowiowej w równych proporcjach.

Ostatecznie Japończykom udało się zaprezentować w końcu działający silnik spalinowy zasilany czystym, upłynnionym wodorem. Rzędowa, trzycylindrowa jednostka G16E-GTS o pojemności 1,6 litra trafiła najpierw do prototypu Corolli, który zadebiutował w japońskim wyścigu długodystansowym Fuji SUPER TEC 24h.

Toyota Corolla z wodorowym silnikiem spalinowym podczas Fuji SUPER TEC 24h
Toyota Corolla z wodorowym silnikiem spalinowym podczas Fuji SUPER TEC 24h© fot. Toyota

Auto dojechało do mety, co Japończycy uznali już za na tyle duży sukces sam w sobie, że pojechali z nim w Japonii na kolejne wyścigi, a w Europie zaprezentowali kolejny prototyp: model Yaris GR H2. To nie przypadek: trzycylindrowa jednostka to w końcu konstrukcja znana wcześniej z GR Yarisa. Podobnie jak w popularnym hot-hatchu, tak i tutaj wyposażona jest w bezpośredni wtrysk i klasyczny zapłon. Pancerny zbiornik z wodorem przechowywanym pod ogromnym ciśnieniem 700 bar z kolei zapożyczono z modelu Mirai. Yaris GR H2 został zaprezentowany mi na dorocznym forum Toyota Kenshiki w Brukseli obok zaskakującego buggy Lexus ROV, które w osobliwy sposób prezentuje inne potencjalne zastosowanie wodoru w przyszłych rozwiązaniach transportu.

Japończykom udało się więc stworzyć działający spalinowy silnik wodorowy, ale to jeszcze nie rozwiązało wszystkich problemów związanych z tą technologią. Główny jest taki, że… taki silnik jednak trochę spalin emituje. Ponieważ jest to konstrukcja tłokowa, to potrzebny jest olej, który też się spala i ulatnia się przez rurę wydechową (…czyli transformacja volkswagenowskiego silnika TSI na wodór raczej by nie zrobiła zbyt wiele dla ratowania świata – przepraszam za żart).

Lexus ROV Buggy Concept (2021)
Lexus ROV Buggy Concept (2021)© fot. Toyota

Na samym oleju się nie kończy. Do tłoków w silniku spalinowym trafia powietrze, które w 78 proc. składa się z azotu. Przy wysokich temperaturach w komorze spalania powstają więc szkodliwe tlenki azotu, których przemysł motoryzacyjny chce się teraz całkiem pozbyć. W takim silniku wodorowym i tak potrzebne są więc różne filtry i katalizatory, których już nie mają auta elektryczne, a które tu windują do góry cenę auta i jego eksploatacji.

W takim silniku bardzo przyda się również doładowanie (w konstrukcji Toyoty zachowano turbosprężarkę z motoru benzynowego). Spalinowy silnik wodorowy nie jest bowiem zbyt wydajny. Japończycy nie podają jego mocy, bo ta zapewne nie jest oszałamiająca. W dotychczas opracowanych jednostkach tego typu problemem było również wysokie zużycie paliwa. Obydwa problemy wynikają z faktu, ze wodór jako paliwo ma kiepską gęstość energetyczną.

Toyota Yaris GR H2 (2021)
Toyota Yaris GR H2 (2021)© fot. Toyota Motor Europe

Nawet skoncentrowany pod ciśnieniem 700 bar nadal dostarcza równowartość tylko około 1,3 kWh na litr, a benzyna bezołowiowa około 9 kWh na litr (obydwie wartości przed uwzględnieniem sprawności cieplnej). Bak musi mieć więc dużą objętość, a do tego odpowiednie (czyt. ogromne) zabezpieczenia wynikające z wysokiego ciśnienia i niskiej temperatury składowanej materiału, która cechuje się silnie wybuchowymi właściwościami. Ostatecznie więc bak jest nieporęcznie duży, a zasięg i tak zostaje bez rewelacji.

Jakie są więc argumenty za wodorowym silnikiem spalinowym? Emisja spalin jest w praktyce śladowa. Opisują ją różne badania i wyliczenia, ale ze wszystkich wynika, że to poziom poniżej 1 proc. emisji porównywalnego silnika spalinowego. Pozostaje jeszcze jeden ważny argument: przyszłe pokolenia będą mogły pojeździć V8!

Dyrektor Toyoty ds. wodoru: "ogniwa paliwowe nie nadają się do wszystkich typów aut"

Toyota odkryła jeszcze kolejne argumenty przemawiające za tym rozwiązaniem. Zdradził mi je Ferry Franz, dyrektor ds. wodoru w europejskim oddziale tego koncernu. Franz zauważa, że "Toyota pracuje nad implementacją nowoczesnych, przyjaznych środowisku technologii, które mogą ograniczyć CO2 wszędzie tam, gdzie to możliwe."

Ferry Franz, Dyrektor ds. Wodoru w Toyota Motor Europe
Ferry Franz, Dyrektor ds. Wodoru w Toyota Motor Europe© fot. Toyota Motor Europe

A wykorzystanie ogniw paliwowych nie wszędzie jest możliwe. "Ogniw paliwowych w obecnym kształcie nie da się wykorzystać w mniejszych autach, na przykład w Yarisie. Cały zestaw napędowy jest po prostu za duży, by go w nim zmieścić. Da się w nim jednak jak widać zmieścić spalinowy silnik wodorowy. Emisja spalin z rury wydechowej nie jest co prawda całkowicie zerowa, ale jest na tyle mikroskopijna, że jest to nowy typ napędu, który chcemy rozwijać" – relacjonuje Franz.

Zapewnia też, że rozwój na pewnym etapie wykroczy poza wyścigi i docelowo ma doprowadzić do skierowania tej nowej dla Toyoty technologii do produkcji. "Wyścigi to dobre miejsca na testowanie nowego napędu, bo poddają nasz prototypowy napęd ekstremalnemu i długotrwałemu obciążeniu, co pozwala nam skutecznie zbadać jego bezawaryjność i wykazać, co może pójść w takim silniku nie tak. Teraz myślimy już nad kolejnymi krokami: ludzie z Gazoo Racing z Japonii właśnie spotykają się właśnie niedaleko nas z naszymi specjalistami od wodoru z Kolonii i decydują, jakie te następne kroki podjąć" – mówi mi Franz, z którym spotkałem się na Kenshiki Forum w Brukseli.

Toyota Yaris GR H2 (2021)
Toyota Yaris GR H2 (2021)© fot. Toyota Motor Europe

Sam nie jest skłonny przyznać jeszcze, kiedy auto ze spalinowym silnikiem wodorowym może trafić na rynek. "To sprowadza się do tego, ile taki napęd będzie kosztował i ile będzie zajmował miejsca w samochodzie. Na tę chwilę nie wiemy jeszcze, czy uda się sprawić, aby taki napęd był tańszy od ogniw paliwowych" – podsumowuje.

Jakie szanse można dać Toyocie na sukces w dalszym rozwoju spalinowych silników wodorowych? Na to pytanie odpowiem już sam na podstawie analizy wyników wodorowej Toyoty Corolli w japońskich wyścigach długodystansowych. W pierwszym z 24 godzin wyścigu tylko 12 spędzono na jeździe, bo 4 godziny zajęło tankowanie (35 razy po 7 minut), a 8 godzin kontrole bezpieczeństwa i naprawy. Na ostatni start zespół przyjechał już z technologiami, które pozwoliły im skrócić czas tankowania z 7 do 2 minut, a osiągi silnika zbliżyć do benzynowego odpowiednika. To wszystko Japończycy osiągnęli na przestrzeni mniej niż pół roku.

Źródło artykułu:WP Autokult
Oceń jakość naszego artykułuTwoja opinia pozwala nam tworzyć lepsze treści.
Wybrane dla Ciebie
Komentarze (6)