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

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.

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".

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.

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).

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.

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!

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."

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.

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.