Czy wodór uratuje silniki spalinowe?

Zakaz sprzedaży nowych samochodów spalinowych po 2035 roku spędza sen z powiek wielu miłośnikom motoryzacji. Nie każdy jednak wie, że nawet wejście w życie obecnie zakładanego planu nie oznacza wcale, że po 2035 roku w salonach dostępne będą wyłącznie bateryjne auta elektryczne. Regulacje dopuszczają do użytku także paliwa syntetyczne, czyli tzw. e-paliwa. Do tej grupy należy także wodór i paliwa na jego bazie. W tym artykule przyjrzymy się, czy wodór ma szansę zastąpić benzynę i olej napędowy w klasycznych tłokowych silnikach spalinowych.

Skąd to całe zamieszanie?

Emisja dwutlenku węgla i innych szeroko pojętych szkodliwych substancji w ostatnich latach rośnie gwałtownie w niemal każdym sektorze gospodarki. Obecnie coraz więcej mówi się o wprowadzaniu ograniczeń związanych z emisyjnością, a szczególnie głośnym tematem stała się ostatnio branża motoryzacyjna. 

Spowodowane jest to rzecz jasna zapowiedzianym przez Parlament Europejski planem „zerowej emisji” nowych samochodów osobowych i dostawczych po 2035 roku. Sprowadza się to do zakazu rejestracji aut wyposażonych w spalinowe silniki zasilane klasycznymi paliwami, jakie teraz znajdziemy na stacjach. 

Można spierać się o zasadność takich regulacji, przytaczając przykłady wielu innych państw, których wpływ na środowisko jest znacznie większy niż w przypadku UE, a które to państwa zdają się, delikatnie mówiąc, znacznie mniej przejmować losem naszej planety. Faktem jest jednak, że nawet lokalnie generowane zanieczyszczenia środowiskowe mają negatywne konsekwencje dla zdrowia i jakości życia.

Szacuje się, że udział transportu drogowego w całkowitej emisji dwutlenku węgla na terenie Unii Europejskiej to około 20%, więc w żadnym wypadku nie jest to marginalny odsetek. Istotny jest również fakt, że w łącznej emisji dwutlenku węgla w sektorze transportowym największy udział mają samochody osobowe i ciężarowe. Obszar ten odpowiada za około 70% całkowitej emisji CO2 w transporcie. Czynniki te wpływają na rozwój ekologicznych rozwiązań technologicznych w branży motoryzacyjnej. 

Obecnie dynamicznie rozwijana jest technologia bateryjnych samochodów elektrycznych (BEV). Jest to jednak rozwiązanie, które, pomimo wielu zalet, wciąż posiada istotne wady, jak wysoka cena zakupu, problematyczny recykling baterii, obciążenie dla sektora elektroenergetycznego i wciąż niewystarczająco rozbudowana sieć infrastruktury ładowania. 

Motywuje to rozpatrywanie alternatywnych rozwiązań, wśród których popularność zyskuje wodór, który najczęściej wykorzystywany jest jako paliwo dla ogniw paliwowych, jak ma to miejsce np. w Toyocie Mirai. Oprócz tego powstają też projekty wodorowych silników spalinowych, które w tym artykule przybliżymy. 

Spalinowy silnik na wodór – jak to działa?

W motoryzacji stosuje się silniki wodorowe konstrukcyjnie zbliżone do klasycznych silników spalinowych, jakie większość z nas ma pod maską swojego auta. Są to najczęściej czterosuwowe silniki z zapłonem iskrowym oraz bezpośrednim wtryskiem paliwa. Koncepcja mechaniczna, w tym budowa cylindrów oraz tłoków jest niemal taka sama jak dla silników konwencjonalnych – stawiając obok siebie motor zasilany wodorem oraz benzyną lub olejem napędowym, wcale nie byłoby tak łatwo odróżnić jeden od drugiego. Sama zasada działania też jest analogiczna. Na początku wodór pobierany jest z pokładowego zbiornika, mieszany z powietrzem i wprowadzany do cylindra. Dalej taka mieszanka paliwowa jest sprężana i zapalana, co inicjuje pracę silnika i pracę  tłoków. Na końcu pozostałości po spalaniu usuwane są z silnika i przez układ wydechowy wypychane na zewnątrz pojazdu.

Jak pewnie można się domyślać, w rzeczywistości nie jest to jednak aż tak proste, by do współczesnego auta zatankować wodór i bez problemu jeździć. Należy pamiętać, że wodór jako paliwo samochodowe zachowuje się zgoła inaczej niż benzyna, olej napędowy czy LPG. Jedną z tych różnic jest potrzeba niewielkiej energii iskry, by doprowadzić do zapłonu mieszanki paliwowej w komorze spalania. Czy to zaleta? Niekoniecznie, ponieważ taki proces znacznie trudniej kontrolować, przez co dochodzi często do nierównomiernego, wybuchowego wręcz, spalania (tzw. spalania stukowego).

Efekt ten potęgowany jest przy powszechnie stosowanych silnikach z turbo. Dodatkowo spalinowe silniki wodorowe, w porównaniu do konwencjonalnych jednostek, znacznie gorzej wypadają pod względem generowania mocy z danej pojemności silnika. W praktyce oznacza to, że motor napędzany wodorem będzie musiał mieć średnio dwa razy większą pojemność skokową niż silnik benzynowy lub „Diesel” o takiej samej mocy. Stosunek ten można nieco poprawić, konstruując silniki wodorowe o zapłonie samoczynnym. 

Zaletą wodoru jest jego wydajna palność w zróżnicowanych proporcjach mieszanki paliwa z powietrzem. Dzięki temu silnik może pracować na wyjątkowo ubogich mieszankach, czyli takich, w których doprowadzamy znacznie więcej powietrza niż samego wodoru. Skutkuje to niższym zużyciem paliwa oraz mniejszą temperaturą spalania, co z kolei przekłada się na zmniejszenie emitowanych zanieczyszczeń, takich jak tlenki azotu (tak zwane NOXy). Pod tym względem wodór znacząco przewyższa tradycyjne paliwa.

Drugą cechą wyróżniającą wodór jako paliwo jest wysoka temperatura samozapłonu, co umożliwia sprężanie mieszanki paliwowo-powietrznej do znacznie wyższych ciśnień niż ma to miejsce w „zwykłych” silnikach. Poprawia to sprawność całej jednostki i obniża zapotrzebowanie napędu na paliwo. Dla paliw wodorowych stosuje się stopnie sprężania rzędu 42:1, a dla porównania współczesne silniki Diesla rzadko kiedy przekraczają wartości 24:1. Wodór niezwykle łatwo miesza się z powietrzem, co ułatwia tworzenie mieszanki paliwowej i dawkowanie do silnika.

Czy w przyszłości będziemy jeździli samochodami na wodór?

Tym, co przemawia za silnikami spalinowymi zasilanymi wodorem, jest bazowanie na dojrzałej i sprawdzonej technologii z konwencjonalnych silników, jakie znamy od przeszło stu lat. Istotną motywacją rozwoju tego obszaru jest również czystość spalin. Silniki takie nie są co prawda całkowicie bezemisyjne, ponieważ wodór mieszany z powietrzem (które składa się w większości z azotu) w trakcie spalania emituje do atmosfery szkodliwe tlenki azotu. Ilości te są jednak mniejsze niż w przypadku silników benzynowych lub zasilanych olejem napędowym. Wspomnieć także należy jeszcze, że w trakcie pracy silnika dochodzi do wypalania niewielkich ilości oleju silnikowego, jednak ma to pomijalny wpływ na aspekty ekologiczne.

Przewagą spalinowych samochodów wodorowych na „elektrykami” jest przede wszystkim znacząco krótszy czas uzupełniania energii. Napełnienie zbiorników wodorowych może trwać tyle, ile obecnie tankujemy samochód. Do tego takie rozwiązanie w większym stopniu potrafi zyskać niezależność od dyspozycyjności systemu elektroenergetycznego, który już i tak nie będzie miał lekkiego życia w najbliższych latach. Spalinowe samochody zasilane wodorem lepiej niż auta elektryczne sprawdzą się też w wymagających warunkach użytkowania np. ze względu na panującą niską temperaturę, utrudnione możliwości rozbudowy infrastruktury do ładowania baterii lub w zastosowaniach, gdzie kluczowa jest niska masa pojazdu czy konieczność szybkiego uzupełnienia energii. Jest to także sposób na ograniczenie wykorzystania baterii akumulatorowych, których produkcja wymaga użycia pierwiastków ziem rzadkich, a późniejszy recykling jest skomplikowany.

Na rynku funkcjonują już samochody wodorowe, ale nie z silnikiem spalinowym, tylko z ogniwami paliwowymi, które na bieżąco produkują prąd i zasilają silnik elektryczny (Toyota Mirai, Hyundai NEXO). Skoro tak, to dlaczego nie zostać tylko przy tym zastosowaniu wodoru w motoryzacji? Po pierwsze silniki spalinowe z zasilaniem wodorowym mogą pracować przy zmiennym obciążeniu, w szerokim zakresie generowanej mocy, w przeciwieństwie do układów wykorzystujących ogniwa paliwowe. Dochodzi również kwestia niższego kosztu produkcji, możliwości dostosowania obecnie stosowanych napędów do zasilania wodorem oraz ograniczonego dostępu do technologii ogniw paliwowych. W obu przypadkach głównym wyzwaniem wciąż pozostają kwestie produkcji, przesyłania oraz magazynowania wodoru w sposób wydajny i opłacalny.

Wspomnieć warto też o zastosowaniu wodoru w samochodach sportowych i w motorsporcie. Jest to dziedzina niszowa, jednak paliwa wodorowe zdają się być w niej jedyną alternatywą dla benzyny, przy zachowaniu charakterystyki napędów spalinowych. Zastosowanie wodoru w tej kategorii upowszechnia na przykład koncern Toyota – mieliśmy okazję posłuchać, jak brzmi wyprodukowany przez nich spalinowy silnik wodorowy i jest to dźwięk, którego nie powstydziłby się niejeden rasowy motor benzynowy.

Powszechnej elektryfikacji jednak nie będzie?

Rozwój współczesnej motoryzacji nie odbywa się na zasadzie niezdrowej konkurencji, w której tylko jedno rozwiązanie finalnie będzie miało rację bytu. Większość koncernów inwestuje obecnie w auta elektryczne, które są już dopracowane, bez początkowo występujących oznak choroby wieku dziecięcego, a postęp w tej dziedzinie następuje w niebywałym tempie. Elektryki świetnie sprawdzają się w mieście, na krótkich i średnich dystansach, mając swój nieoceniony udział w rynku. Nie zanosi się, by ta kategoria miała w przewidywalnej przyszłości zniknąć. Wodór ma szansę być jednak jej uzupełnieniem i ważnym elementem w tworzeniu ekologicznego transportu, sprawiając jednocześnie, że los silników spalinowych nie jest jeszcze wcale przesądzony.

Michał Borowski