9 miesięcy temu
Zużywając paliwa kopalne, ludzkość jest trochę jak na urlopie i te wakacje się kończą – przestrzega dr inż. Piotr Piórkowski, profesor Politechniki Warszawskiej. Według niego, jednym z filarów motoryzacji będą samochody zasilane wodorem oraz uzyskiwanymi z wodoru i CO2 paliwami syntetycznymi. Technologie te będą się doskonale uzupełniały z napędem opartym na bateriach.
Poniżej rozmowa z prof. Piotrem Piórkowskim, kierownikiem Zakładu Napędów Wieloźródłowych na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej.
Marek Matacz (HomoDigital): W dobie coraz lepiej znanych problemów z samochodami elektrycznymi coraz więcej i głośniej mówi się o zasilaniu pojazdów wodorem. Czy Pana zdaniem tak będzie wyglądała motoryzacja czy tylko ciekawostka?
Prof. Piotr Piórkowski: Myślę, iż wodór ma naprawdę duże szanse, aby stać się jednym z filarów przyszłej motoryzacji i transportu w ogóle – nie tylko kołowego, ale także wodnego i powietrznego. Będzie uzupełnieniem technologii opartej na bateriach.
W jaki sposób?
Podobnie jak teraz ma to miejsce w wodorowych pojazdach z ogniwami paliwowymi. Takie wytwarzające prąd, zasilane wodorem ogniwo paliwowe jest stabilizowane dzięki akumulatora. Warto tutaj przypomnieć, iż technologię wodorową można podzielić na dwa główne rodzaje.
Jakie?
W ogniwach paliwowych wodór chemicznie reaguje z tlenem, co prowadzi do powstania energii elektrycznej. Duży potencjał mają jednak także silniki spalinowe, w których zamiast benzyny czy oleju napędowego spala się właśnie wodór w mieszance z powietrzem. W silnikach spalinowych można też spalać wytworzone z wodoru ekologiczne syntetyczne paliwa.
Na czym to polega?
Pierwiastek ten można łączyć z azotem lub węglem pochodzącym z dwutlenku węgla wychwytywanego z atmosfery. W połączeniu z azotem może powstać amoniak, a z węglem – węglowodory podobne trochę do tych, jakie zawarte są w benzynie. Ponieważ węgiel pochodziłby z wychwyconego z atmosfery CO2, wpływ spalania takich paliw na środowisko byłby minimalny.
Zatem największa zaleta wodoru to bezpieczeństwo dla środowiska?
Tak, ponieważ ze spalania wodoru powstaje tylko woda i ewentualnie tlenki azotu, które już w tej chwili potrafimy wychwytywać (technologia AdBlue). Ważne jednak, aby ten wodór uzyskiwać z elektrolizy wody przy wykorzystaniu nadwyżek energii z odnawialnych źródeł, których system energetyczny nie jest w stanie w inny sposób wykorzystać. Wtedy możemy mówić o technologii zeroemisyjnej.
W przypadku spalania wodoru korzyści wydają się zrozumiałe, ale po co wodorowymi ogniwami paliwowymi zastępować baterie?
W tym przypadku chodzi o gęstość energetyczną, czyli o to, ile energii można zgromadzić w danym nośniku w przeliczeniu na masę czy objętość. Na przykład do przejechania 100 km samochodem osobowym potrzeba ok. 15 kWh energii. Można ją wytworzyć z ok. 1 kg wodoru, natomiast bateria będzie ważyła znacznie więcej, bo kilkadziesiąt kg. Kolejna kwestia dotyczy ładowania. choćby szybkie ładowarki, które nie wszędzie można zamontować, potrzebują w tej chwili 20-30 minut na naładowanie akumulatora. A zatankowanie wodoru trwa mniej więcej tyle samo co napełnienie baku benzyną.
Czy na napędy wodorowe niska temperatura nie będzie miała tak silnego szkodliwego wpływu jak na akumulatory?
Niestety, żadne technologie nie lubią niskich temperatur. W bateriach spada wtedy dostępna pojemność i rośnie rezystancja wewnętrzna (straty), a w ogniwach paliwowych problemem może być zamarzająca woda. Problemy te rozwiązywane są poprzez szybkie nagrzewanie tych komponentów do optymalnych temperatur w pierwszych minutach jazdy, kosztem zwiększonego zużycia wodoru lub rozładowania baterii.
Jednak tzw. zimny rozruch to procedura stosowana przez producentów pojazdów nie tylko zeroemisyjnych, ale też spalinowych. Jako kierowcy pojazdów spalinowych dobrze wiemy, jakie wartości chwilowego zużycia paliwa może pokazywać wyświetlacz, gdy rozpoczynamy jazdę w zimowy poranek. Nowe technologie są intensywnie testowane w różnych, w tym w skrajnych warunkach temperaturowych, zanim trafią na rynek, więc jako użytkownicy jedyne ryzyko, jakie poniesiemy, to większe zużycie energii. Uszkodzenia pojazdu spowodowanego niską temperaturą nie musimy się jednak obawiać.
Jednak, jeżeli gęstość energetyczną wodoru porówna się do gęstości energetycznej benzyny, wodór wypadnie dosyć słabo…
Niestety będzie to przepaść na niekorzyść wodoru, ale i baterii. Benzyna i inne paliwa węglowodorowe pod względem objętościowej gęstości energii to paliwo wręcz idealne – kilka litrów cieczy przechowywanej w prostym zbiorniku, w zwykłych warunkach temperaturowych i ciśnieniowych wystarczy na przejechanie 100 km. Obecne napędy z silnikiem spalinowym biją pod tym kątem na głowę wszystkie nowe technologie.
Jednak musimy mieć świadomość, iż korzystając z paliw węglowodorowych, jesteśmy trochę „na wakacjach”. Ten dobry czas się kończy i musimy zacząć z tych paliw rezygnować. Ropa się za jakiś czas wyczerpie, a w międzyczasie będzie coraz droższa i mniej dostępna. Od dawna razem z gazem jest traktowana jako broń ekonomiczna. Emisja CO2 szkodzi klimatowi itp. Nie mamy innego wyboru niż szukać alternatywnych źródeł energii, może mniej wygodnych, ale dających większe bezpieczeństwo i niezależność. Przyjemnie jest być na wakacjach, ale kiedyś trzeba z nich wrócić.
Jednak Toyota Mirai jest wypełniona zbiornikami z wodorem w takim stopniu, iż mimo iż mówimy adekwatnie o limuzynie, na tylnej kanapie pasażerowie mogą nie czuć się zbyt komfortowo, bagażnik też mógłby być sporo większy. Czy da się te problemy przezwyciężyć? Może z pomocą skraplanego wodoru?
Z krytyką wartości użytkowych pojazdów wodorowych i bateryjnych powstrzymałbym się choćby z przyczyn wspomnianych powyżej. Gdzieś te zbiorniki ciśnieniowe czy baterie trzeba wcisnąć, a miejsca było mało już w pojazdach spalinowych. Inżynierowie wykonali mnóstwo dobrej pracy, bo te pojazdy jeżdżą już jako produkty komercyjne, a nie prototypy. Zresztą pojęcie „miejsce” będzie się stawało w motoryzacji synonimem luksusu, biorąc pod uwagę plany zwiększania podatków i opłat dla największych samochodów osobowych np. dla SUV-ów. Istnieje ryzyko, iż miejsca w samochodach będzie coraz mniej, ale raczej przez podatki niż technologię.
Wracając do sposobów ograniczania wymiarów zbiorników, niedawno w Niemczech powstała pierwsza publiczna stacja tankowania ciekłego wodoru otwarta przez konsorcjum Daimlera i Linde. Według materiałów prasowych testowa ciężarówka może przejechać tysiąc km na jednym tankowaniu trwającym 15-20 min. Ciekły wodór to technologia bardzo trudna, ale – jak widać – możliwa do zastosowania.
Samochód osobowy z pewnością mniej pali i może też mieć na pokładzie nieporównanie mniejsze zbiorniki. Jakich zasięgów według Pana można się spodziewać?
Odnośnie do Toyoty Mirai firma deklaruje, iż w dobrych warunkach atmosferycznych spalanie wynosi ok. 0,8 kg wodoru na 100 km. Na jednym tankowaniu można więc tym samochodem przejechać ok. 500- 600 km. To już niemało. W jednej z prób koncern osiągnął choćby ponad 1000 km. Tego wyniku zwykły użytkownik raczej nie powtórzy, ale zasięgi są zbliżone do możliwości samochodów benzynowych. Zasięg samochodów z ciekłym wodorem może być prawdopodobnie jeszcze większy niż zasilanych wodorem sprężonym.
Lepiej się sprawdzą produkujące prąd wodorowe ogniwa paliwowe czy silniki spalinowe na wodór?
To naprawdę trudno jest przewidzieć. Wydaje mi się jednak, iż ogniwa paliwowe mogą być droższe w stosunku do wodorowych silników spalinowych, szczególnie iż na zasilanie wodorem można przerobić silniki benzynowe. Jednak za wcześnie jest jeszcze, aby o tym wyrokować.
Taką eksperymentalną technologią chwali się już Toyota. Niedawno silnik od ciężarówki Scania do spalania wodoru przystosował zespół z Politechniki Krakowskiej. Czy to jest taka prosta sprawa?
Kluczową kwestią jest trwałość. Rzecz w tym, iż wodór silnie przyspiesza zużycie silnika. Z tego powodu BWM w latach 80. XX w. wstrzymało ówczesne prace nad takimi konstrukcjami. Jednak obecne technologie materiałowe pozwalają na obejście tego typu problemów i wszystkie elementy zabezpieczyć tak, aby działały podobnie długo jak w silnikach konwencjonalnych.
A co z uzyskiwaną mocą?
Niestety trzeba się spodziewać sporego spadku mocy. Główna przyczyna to ekologia i wytrzymałość termiczna. Otóż wodór spala się w bardzo wysokiej temperaturze, a to powoduje powstawanie dużych ilości tlenków azotu, których nie powinno być w spalinach. Z tego powodu obniża się temperaturę spalania, stosując zubożoną mieszkankę, w której wodoru jest mniej niż powietrza potrzebnego do jego spalenia. Ta nadwyżka powietrza naturalnie powoduje spadek mocy. W przypadku nowych konstrukcji rozwiązaniem jest albo budowa silników o większej objętości albo wykorzystywanie układów hybrydowych, w których silnik spalinowy byłby wspomagany silnikiem elektrycznym.
Jak Pan ocenia sytuację Polski pod kątem możliwości wprowadzania motoryzacji wodorowej?
Na tle Europy jesteśmy niestety, jak na razie, prawie białą plamą, jeżeli chodzi o liczbę stacji wodorowych. Publicznie dostępne są tylko dwie – w Warszawie i Rybniku, wspomina się o trzeciej w Poznaniu. Jednak ze względu na unijne przepisy AFIR, będziemy musieli to zmienić i obok gęstej sieci stacji szybkiego ładowania samochodów elektrycznych musi powstać sieć stacji tankowania wodoru.
Jest to szczególnie ważne dla transportu ciężkiego, który odpowiada za 5-7% polskiego PKB i będzie musiał przejść na rozwiązania zeroemisyjne (bateryjne i wodorowe), aby móc konkurować z przewoźnikami europejskimi. Przykładem jest choćby 80% wzrost opłat drogowych dla samochodów ciężarowych za emisję CO2 w Niemczech w grudniu 2023 r. Bez hubów szybkich ładowarek dużej mocy i stacji tankowania wodoru wzdłuż sieci dróg TEN-T polscy przewoźnicy nie będą mogli unowocześnić swoich flot i w konsekwencji przewozić towarów po Europie.
A jakie może być miejsce Polski na polu rozwijania technologii wodorowych?
Jeśli chodzi o ogniwa paliwowe do środków transportu (niskotemperaturowe typu PEM), prace na świecie są mocno zaawansowane i w krótkim czasie tych państw nie dogonimy. Polska może jednak zaistnieć na rynku ogniw paliwowych, ale raczej stacjonarnych – wysokotemperaturowych. Tutaj krajowe dokonania, np. zespołów z Instytutu Energetyki, są już widoczne i doceniane na świecie.
Niewątpliwym dokonaniem jest wspomniane dostosowanie silnika spalinowego do spalania wodoru, wykonane na Politechnice Krakowskiej. Konwersja silników też może być jedną z krajowych specjalności. Widać też aktywność polskich producentów w budowaniu wodorowych układów napędowych do autobusów i pojazdów szynowych.
Jeśli się już ta technologia upowszechni, jak Pan widzi jej wykorzystywanie? Wspomniał Pan na początku, iż różne podejścia będą się uzupełniały. Jak to może wyglądać?
Czasami widzę niechęć zwolenników jednej technologii do drugiej i vice versa, nawzajem wytykających sobie istniejące niedoskonałości. Chciałbym przestrzec przed takim podejściem. Te technologie nie są konkurencyjne, one są komplementarne. Tam, gdzie jedna technologia będzie radziła sobie gorzej, druga sprawdzi się lepiej i odwrotnie.
Myślę, iż podział rynku będzie mniej więcej kształtować się tak: na krótkich odcinkach, na przykład w mieście, najlepszym wyborem będą elektryczne pojazdy akumulatorowe; na średnich trasach będą jeździły samochody zasilane wodorem; z kolei najcięższe zadania, np. przewóz towarów na długich trasach przejmą pojazdy napędzane syntetycznymi, otrzymywanymi z wykorzystaniem wodoru paliwami.
Jednak już dzisiaj widać, iż nie będzie to żelazna reguła, o czym świadczą jeżdżące po mieście osobowe samochody na wodór i pierwsze ciężarówki bateryjne jeżdżące na dłuższych trasach. Ostatecznie zdecyduje klient, na postawie rachunku ekonomicznego i wygodnego dostępu do określonej infrastruktury. Najważniejsze, aby miał wybór.
Dr inż. Piotr Piórkowski, prof. Politechniki Warszawskiej, jest kierownikiem Zakładu Napędów Wieloźródłowych na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych PW. Jego główne zainteresowania to napędy hybrydowe, elektryczne i wodorowe, w tym magazynowanie energii na ich potrzeby.
Źródło zdjęcia: Terry Vlisidis/Unsplash
