Silnik elektryczny, tak doskonały ze względu na swą prostotę i parametry, dający tak bezkonkurencyjny komfort w samochodzie, wcale nie musi być zasilany z elektrycznych baterii. Silnik spalinowy, tak dobrze konstrukcyjnie opanowany i wyprodukowany w tak ogromnej liczbie, wcale nie musi być dla środowiska uciążliwy.
Zdarzyło się nam usłyszeć pytanie, dlaczego tak nie lubimy pojazdów elektrycznych. Czy to dlatego, że ich nie rozumiemy? Otóż fakt, że się czegoś nie lubi wcale nie oznacza niezrozumienia, bo można czegoś nie tolerować właśnie dlatego, że się to rozumie. Tymczasem to nieprawda, że nie lubimy elektryków. Jeśli nabywca takiego pojazdu jest zadowolony, to cieszymy się jego szczęściem. Wyzwanie natomiast rzucamy dorabianej do tych pojazdów, nieprawdziwej naszym zdaniem i przez to wysoce szkodzącej środowisku jak i postępowi, ideologii.
Zapewne wielu z Was słyszało, że o kraju naszym mówi się „papuga narodów”, jako że posądza się nas o wzorowanie się na innych krajach. Gdyby to była prawda, to byłoby to dla nas całkiem dobre, lecz prawdą to nie jest. Niestety nie umiemy nawet wzorować się na wiodących krajach Europy. My jedynie czekamy, co każą nam robić i bezrefleksyjnie to wykonujemy.
Tymczasem poważne kraje europejskie (i nie tylko), które nie uważają prądu elektrycznego za alternatywne „paliwo” jak my, intensywnie pracują nad prawdziwie wiodącymi technologiami. Ograniczone zasoby litu i kobaltu dodatkowo znajdujące się głównie w niestabilnej gospodarczo i politycznie części Afryki oraz dyskusyjna przydatność pojazdów elektrycznych poza wielkimi miastami sprawiły, że Audi zwróciła się ku technologii prawdziwie alternatywnej. W pierwszej bowiem kolejności należy zadbać o funkcjonalność istniejącego taboru samochodowego, gdyż jego zupełna utylizacja jest praktycznie niemożliwa i skutkowałaby poważnym impaktem środowiskowym.
Alternatywne paliwa
Firma Audi postanowiła więc wyprodukować alternatywne paliwo, które mogłoby być spalane w silnikach spalinowych, lecz przy rewolucyjnie zmniejszonej emisji toksycznych spalin do otoczenia. Paliwa syntetyczne Niemcy produkowali już podczas II wojny światowej. Do tego celu wykorzystywano węgiel. Z siedmiu ton węgla uzyskiwano około 1300 litrów benzyny. Dziś ekonomicznie oraz ekologicznie taki proces pozbawiony jest rzecz jasna sensu. Dlatego dokonano na tym polu prawdziwej rewolucji.
Na naszej planecie mamy ogromne zapasy wody (wierutnym kłamstwem jest szerzenie informacji o jej braku!) oraz, jak obecnie się zakłada, duże ilości niepotrzebnego CO2. A gdyby tak z wody i CO2 za pomocą pochodzącego z ekologicznych elektrowni prądu elektrycznego zrobić paliwo do silników? Brzmi to jak mrzonka szaleńca, lecz… dokładnie tak zrobiono w Audi i uzyskano coś, co przypomina surową ropę naftową nazwaną „Blue Crude”! Podczas procesu produkcyjnego do atmosfery jako substraty wydziela się tlen i woda! Z Blue Crude uzyskuje się paliwo do silników wysokoprężnych zwane e-diesel.
Jak tego dokonano? W procesie elektrolizy parę wodną rozbija się na wodór i tlen. Następnie wodór, reagując z dwutlenkiem węgla (CO2), podczas reakcji syntezy w dwóch etapach tworzy długołańcuchowe związki węglowodorowe zwane „Blue Crude”. Uzyskane w procesie rafinacji paliwo nie zawiera siarki ani odpowiedzialnych za kopcenie i osady węglowe w silniku węglowodorów aromatycznych, a dodatkowo cechuje się wysoką liczbą cetanową. Niezbędny do całego procesu prąd Audi wytwarza w swej własnej elektrowni wodnej.
Audi pomyślało również o silnikach benzynowych. Do produkcji e-benzyny wykorzystuje się izooktan w stanie płynnym, który z kolei wytwarza się z wodoru i organicznego izobutylenu (uzyskiwanego z biomasy), który jest rodzajem węglowodoru. Uzyskana e-benzyna osiąga badawczą liczbę oktanową na poziomie LOB 100. Przypomnę, że LOB, czyli badawczą liczbę oktanową, producenci paliw podają na dystrybutorach. Nie zawierając siarki ani benzenu, który jako węglowodór aromatyczny odpowiada za emisję sadzy i tworzenie depozytów węglowych (nagarów) w silnikach, e-benzyna spala się zatem niezwykle czysto. Już niedługo do produkcji e-benzyny będzie potrzebny jedynie wodór uzyskiwany z wody, węgiel z CO2 oraz światło słoneczne do procesu fotosyntezy.
Technologia już istnieje, Audi produkuje na potrzeby swych testów e-diesla oraz e-benzynę, a zasilane tym paliwem samochody testowe jeżdżą już po niemieckich drogach. Technologia ta może uczynić transformację motoryzacji zupełnie bezbolesną. Niemniej silniki spalinowe jeszcze długo pozostaną niezastąpione w wielu obszarach naszego życia, napędzając ciężki sprzęt budowlany, pojazdy militarne oraz pracujące w służbach publicznych.
Transformacja
Tymczasem celem wspomnianej transformacji jest technologia, która zrewolucjonizuje nie tylko samą motoryzację, ale i globalną energetykę, a tym samym zasady naszego funkcjonowania.
Kto raz zasiadł za sterami samochodu elektrycznego, ten bez wątpienia nie zapomni tych doznań! Żadnego rozruchu, wibracji, rozgrzewania silnika czy wolnych obrotów. W ciszy zajmujemy miejsce na pokładzie, zapalają się światełka instrumentów pokładowych i w takiej samej ciszy podszytej cichym, jednostajnym jękiem przekładni strzelamy do przodu z przyspieszeniem godnym rakiety. To faktycznie z niczym nie może się równać, lecz zasilanie elektrycznych silników z baterii to nie żadna transformacja, a jedynie budowanie zabawek o niewielkiej przydatności poza wielkimi miastami.
Istnieje jednak rozwiązanie.
Już Thomas Edison je przewidywał, kiedy w 1884 roku mówił:
„Wielki sekret pozbycia się pieców, kotłów i prądnic potrzebnych do wytwarzania energii elektrycznej zostanie odkryty najpewniej w przeciągu dziesięciu lat”.
Miał on wówczas na myśli coś, co dziś nazwalibyśmy ogniwem paliwowym. Jego wizja opierać się mogła na teoretycznych opracowaniach szwajcarskiego chemika Christiana Friedricha Schönbeina, który zasadę działania ogniwa paliwowego opublikował już w 1839 roku! Tego samego roku Brytyjczyk William Robert Grove zbudował działające ogniwo paliwowe wytwarzające prąd w reakcji utleniania ciekłego wodoru. Dopiero w 1958 roku amerykańskim i brytyjskim naukowcom udało się zbudować ogniwo wytwarzające energię elektryczną podczas spalania wodoru w postaci gazowej.
1 kg wodoru = 30 kWh energii
1 kg benzyny=14 kWh energii
1 kg baterii li-ion= 0,11 – 0,16 kWh energii
Czym jest ogniwo paliwowe?
Przez całą niemal historię rozwoju elektryczności generatory prądu potrzebowały do napędu silnika spalinowego (lub parowego) oraz napędzanej przez niego prądnicy. Całe mnóstwo ruchomych mechanicznych elementów by z utlenianego paliwa uzyskać prąd. Ogniwo paliwowe pozwala pominąć całą tę niskowydajną, zawodną, drogą i skomplikowaną mechanikę i uzyskać prąd bezpośrednio podczas chemicznej reakcji utleniania paliwa.
Do wytworzenia energii elektrycznej potrzebny jest wodór na anodzie oraz tlen na katodzie ogniwa. Cienka warstwa z polimeru przewodzącego oddziela anodę od katody. W wyniku utleniania wodoru powstaje czysta chemicznie woda. Proces, w którym powstaje energia elektryczna, nie powoduje zużywania się elektrod ani elektrolitu. Sprawność ogólna całego procesu sięga 65%. W dużym uproszczeniu możemy porównać ogniwo paliwowe do klasycznego „akumulatora”, w którym na skutek dostarczania do jego wnętrza w sposób ciągły paliwa powstaje prąd elektryczny. Wydzielające się z ogniwa „spaliny” to po prostu para wodna zmieszana z powietrzem. Nie znajdziemy w nich wydzielanych przez silniki spalinowe tlenków azotu, dwutlenku węgla, tlenku węgla (czadu) czy niespalonych węglowodorów.
Z wody przy udziale elektryczności uzyskujemy wodór i tlen. Podczas spalania wodór łączy się z tlenem, wytwarzając w ogniwie prąd i powstaje woda. To chyba jedyne znane dotąd ludzkości paliwo, z którego spalin na powrót możemy uzyskać paliwo.
Paliwowe ogniwa wodorowe znalazły swoje pierwsze praktyczne zastosowanie już w latach sześćdziesiątych – w amerykańskim programie podboju kosmosu. Wszystkie kapsuły programu Apollo, jak również stacja kosmiczna Skylab, posiadały na pokładzie wodorowe ogniwa paliwowe, które zapewniały pojazdom kosmicznym prąd oraz wodę. Przy czym warto zaznaczyć, że zawartość energii w kilogramie wodoru jest w przybliżeniu dwukrotnie większa niż w kilogramie benzyny.
1 kg wodoru = 30 kWh energii
1 kg benzyny=14 kWh energii
1 kg baterii li-ion= 0,11 – 0,16 kWh energii
Czy jazda na trzech beczkach sprężonego wodoru jest bezpieczna? Jak wykazały testy, bez wątpienia tak. Nawet przestrzelenie zbiornika wodoru nie powoduje eksplozji, a w razie wycieku, jako iż wodór jest gazem znacznie lżejszym od powietrza, ulatnia się on szybko i prosto w górę. Nawet w przypadku jego zapłonu płomień strzela wysoko w górę, nie zajmując reszty pojazdu. Przykładowo w porównaniu do pojazdów zasilanych cięższym od powietrza LPG, niebezpieczeństwo dla pasażerów podczas wycieku LPG ze zbiornika jest znacznie większe.
Skoro ludzkość posiadła tak wydajne i sprawne urządzenie do wytwarzania energii elektrycznej, to kwestią czasu było zainstalowanie go w pojeździe. Dzięki temu pojazd napędzany silnikami elektrycznymi zyskał nareszcie pokładowe źródło prądu.
W 2005 roku brytyjska firma Intelligent Energy była już w stanie zbudować pierwszy na świecie motocykl o napędzie wodorowym (ENV – Emission Neutral Vehicle).
W roku 2014 Toyota wprowadziła do sprzedaży pierwszy na świecie seryjnie produkowany samochód napędzany ogniwami paliwowymi, model Mirai oznaczony jako FCEV, czyli Fuel Cell Electric Vehicle. Sprzedano dotychczas ponad 10 000 sztuk tego rewolucyjnego pojazdu. Trzy zbiorniki Mirai mieszczą w sumie 141 litrów, czyli 5,6 kg wodoru pod ciśnieniem 70 MPa, co przy średnim zużyciu 0,70kg/100 km umożliwia pokonanie ponad 800 km na jednym tankowaniu. Samo tankowanie wodoru trwa nie dłużej niż napełnianie zbiornika benzyną. Mirai posiada też baterie, lecz służą one jako magazyn do odzyskiwania energii podczas hamowania, dzięki czemu może ona być wykorzystana później ponownie do napędu. Moc silnika elektrycznego Toyoty wynosi 182 KM. Mamy więc swego jednorożca, pojazd cichy, prosty i sprawny, bo napędzany silnikiem elektrycznym, a przy tym o dużym zasięgu i łatwym tankowaniu. Jedyne co Mirai emituje do środowiska to para wodna przy pracującym ogniwie paliwowym. Pozostając z takim pojazdem w zamkniętym garażu, nie sposób się zatruć.
Również Audi zbudowało napędzany ogniwami wodorowymi studyjny model h-tron, starając się gonić wodorową potęgę, jaką pragnie się stać Japonia. Firma Audi AG w tym celu zawarła porozumienie z koreańskim Hyundaiem i razem intensywnie pracują nad FCEV, wymieniając się swymi patentami i zdobytą wiedzą. Hyundai na niewielką skalę sprzedaje swego wodorowego SUVa ix35 od 2013 roku. Jego najnowsze wcielenie nazywa się Nexo.
W 2016 roku powstał samochód o napędzie wodorowym nazwany „Premier”. Był wspólnym dziełem konstruktorów Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie oraz Wojskowej Akademii Technicznej. Opatentowane przez WAT rozwiązanie pozwala magazynować wodór pod relatywnie niewielkim ciśnieniem kilku barów w zbiornikach opartych na wodorkach metali.
Do napędu pojazdów najczęściej używa się ogniw typu PEM (Proton Exchange Membrane), których polimerowa membrana wykonana jest przykładowo z nafionu. Cechą ogniw PEM jest szybka reakcja na zmianę obciążenia, co w pojazdach ma duże znaczenie, oraz bardzo krótki czas rozruchu. Pod pełnym obciążeniem temperatura reakcji ogniwa waha się w granicach 60 – 100 oC, co w porównaniu z temperaturą spalin silnika spalinowego wynoszącą 700 – 850 oC (temperatura spalania sięga 2000 – 2800 oC) jest wartością bardzo niską. Do chłodzenia ogniw stosuje się obiegi cieczowe, co ułatwia odzyskanie lub wykorzystanie energii cieplnej na przykład do ogrzewania wnętrza pojazdu.
Jak to z nową technologią bywa, wyzwaniem początkowo była cena i wielkość ogniw wodorowych. Na tym polu dokonano jednak prawdziwego przełomu. Prawdziwy postęp dokonuje się również w produkcji samego wodoru.
Obecnie wodór można uzyskać podczas:
– reformingu gazu ziemnego
– reformingu parowego metanu (z wydzieleniem CO2)
– gazyfikacji węgla lub koksu
– elektrolizy wody
– fotoelektrolizy
lub
– metodami biologicznymi.
– Zasilane ogniwami paliwowymi pociągi
– Instalacje wodorowe na wyspie Sachalin
– Produkcja mieszaniny metan-wodór oraz budowa infrastruktury transportowej
– Projekt pilotażowy na Kolaska NPP
– Produkcja „zielonego” wodoru na farmie wiatrowej w regionie Murmańskim
– Dostawy wodoru z Rosji do Japonii
Świat już dawno dostrzegł możliwości, jakie stwarza energetyka oparta na wodorze, a wodorowa transformacja właśnie rozpoczyna się na naszych oczach. Jeśli ją przegapimy zajęci zabawkami na baterie, po raz kolejny staniemy się śmietnikiem przestarzałej, nietrwałej i drogiej w utylizacji technologii.
Wodór pozwala magazynować wyprodukowaną przez elektrownie wodne, wiatrownie czy panele energię, która potem może być łatwo przetwarzana w niemal dowolny sposób: czy to do napędu samochodów w paliwowych ogniwach, czy też podczas spalania w silnikach spalinowych, bo i taka możliwość istnieje, czy też do produkcji ekologicznych paliw. Wiąże się z tym jednak pewne ekonomiczne ryzyko.
Przyjrzyjmy się zamieszczonej w prezentacji Toyoty Mirai niewinnie wyglądającej grafice. W pierwszej chwili odczytamy to jako możliwość doładowania jej baterii z domowej sieci – jak w przypadku pojazdów zasilanych bateriami. Nic bardziej mylnego! Po dokładniejszym przyjrzeniu się zauważymy, że sieć energetyczna zaznaczona jest jako odłączona od domostwa! Otóż ogniwa Toyoty awaryjnie „w razie katastrofy lub innej awaryjnej sytuacji”, jak określa to fabryczna broszura, mogą zasilać nasz dom w energię elektryczną! Producent wyposażył nawet swój pojazd w odpowiedni zestaw gniazd do tego celu. Dlaczego jest to takie „niebezpieczne” oraz dlaczego producent tak asekuracyjnie opisuje sytuację, w jakiej można z tego skorzystać? Otóż sygnalizuje to niebezpieczny dla obecnego systemu dystrybucji energii incydent.
Pojazdy elektryczne zasilane bateriami mogą dobrze spisywać się w mieście, gdzie pokonuje się niewielkie dystanse, a stacji ładowania jest aż w nadmiarze. Niestety do miasta najlepiej nadają się pojazdy małe, na wąskich kołach, nawet dwuosobowe, a współczesne elektryki budowane są jak wojskowe transportery. Ogromne, ciężkie i wysokie SUVy lub rozłożyste vany. Dlatego i tu, tym razem już same sobie pojazdy te odbierają prawdziwy sens.
Dziś, jak wiemy, każde domostwo musi być podpięte do sieci energetycznej. Tymczasem energetyka wodorowa nieuchronnie spowoduje nieodwracalną energetyczną decentralizację. Dlaczegóż mamy czekać na katastrofę, skoro wytworzony w przydomowych lub lokalnych wiatrowniach i panelach prąd można zmagazynować w postaci wodoru i wykorzystać w ogniwach do zasilania naszych domów? Dlaczego nie możemy po powrocie z pracy po prostu podpiąć nasz wodorowy samochód do domowej sieci, by odseparować się od państwowego monopolisty? Otóż w obecnej sytuacji, jeśli tak postąpimy bez niezbędnej do usprawiedliwienia tego czynu katastrofy, naruszymy tym samym energetyczny monopol państwowy, a tego póki co przepisy nie dopuszczają.
Po co produkować elektryczność w nielicznych makro elektrowniach na skalę makro zamiast wytwarzać prąd w wielu mikrostacjach na skalę mikro? Wiecie po co? Żeby kontrolować nadal rynek. A kto sądzi, że wyszukiwanie zależności tropem przepływających pieniędzy to „spiskowe teorie”, ten niewiele rozumie. Czy sami zapłacilibyście za coś, co będzie działać na Waszą szkodę? Przepraszam, zapłacilibyście. Już płacicie – politykom, którzy jeśli akurat nie lansują siebie, to nie robią nic, prócz działania na szkodę obywateli. Zły przykład.
Tymczasem ekologia to właśnie decentralizacja. To minimalizacja obiegu energii tak, by krążyła w obrębie jednego domostwa! To minimalizacja tego, co każde domostwo z otoczenia pobiera i co do niego wydala. To też zupełna zmiana sposobu myślenia.
Na wodór przechodzą też huty i odlewnie – rzecz jasna nie w Polsce, bo skoro swego przemysłu już nie mamy, nie może być zacofany. Póki rządy nie pogodzą się z tą radykalną zmianą oraz z tym, że to one winny służyć obywatelom (co dawno już zostało zapomniane z kretesem), możemy jedynie mówić w tym obszarze o działaniach pozorowanych.
Choć wodorowe technologie ciągle jeszcze się doskonali, to już dziś swym zaawansowaniem, prostotą i wygodą zostawiają daleko w tyle napędzane bateriami zabawki. Zapobiec wodorowej przyszłości może jedynie bezprecedensowy geniusz, który przeskoczywszy kilka pokoleń oraz kilkanaście etapów rozwoju techniki, stworzy baterię 200 razy lżejszą niż dzisiejsze, ładowaną 100 razy szybciej niż obecne i co najmniej 10 razy trwalszą niż nam znane, a zbudowana musiałaby być ona z pierwiastków łatwiej dostępnych niż woda i tańszych niż benzyna.
Zdjęcia i grafiki: materiały prasowe firmy Audi i Toyota