Wodorowe ABC

06 lipca 2017

Samochód na wodór? Dziś dla większości ludzi brzmi nieprawdopodobnie, ale to już rzeczywistość. W istocie otrzymywanie wodoru i jego wykorzystanie do poruszania pojazdów to sprawy prostsze, niż się na pierwszy rzut oka wydaje. Zapoznaj się z Wodorowym ABC i zaimponuj znajomym swoją wiedzą!

A – akumulator

Samochody z wodorowymi ogniwami paliwowymi są wyposażone w akumulator trakcyjny o dużej pojemności. Służy on do gromadzenia energii odzyskiwanej podczas zwalniania i hamowania, którą wytwarza pełniący wtedy rolę generatora silnik elektryczny napędzany przez koła pojazdu. Energia ta jest później wykorzystywana do poruszania samochodu, co pozwala zmniejszyć zużycie wodoru, a zarazem zwiększyć zasięg i dynamikę auta. To samo rozwiązanie jest stosowane w samochodach hybrydowych.

B – bezpieczeństwo

Wodór jest znany jako gaz łatwopalny, jednak inne jego właściwości sprawiają, że jest paliwem znacznie bezpieczniejszym niż benzyna czy LPG. Jako gaz ponad 14 razy lżejszy od powietrza, błyskawicznie ucieka do góry, nie stwarzając zagrożenia dla samochodu czy ludzi. Ponadto cała instalacja wodorowa pojazdu jest nieustannie monitorowana i w razie wykrycia nieszczelności odcinany jest jego dopływ ze zbiorników. Same zbiorniki są niezwykle mocne – mają trójwarstwowe ścianki z kompozytów zbrojonych włóknem węglowym oraz szklanym i nawet w razie przestrzelenia wielkokalibrowym pociskiem nie eksplodują. Jak widać, nawet w takim przypadku wodór bezpiecznie rozprasza się w atmosferze.

C – czysta energia

Wodór nie tylko pozwala uzyskiwać energię bez szkodliwych emisji, ale i może być wytwarzany w sposób całkowicie nieszkodliwy dla środowiska. Na przykład w Danii już w tej chwili praktycznie cały wodór używany do zasilania pojazdów powstaje dzięki energii ze źródeł odnawialnych. Również w Niemczech do otrzymywania wodoru wykorzystuje się prąd z elektrowni wiatrowych i słonecznych, a inne kraje Unii Europejskiej konsekwentnie wdrażają takie „zielone” metody produkcji.

D – dlaczego wodór?

Często pada pytanie, dlaczego Toyota inwestuje w pojazdy z ogniwami paliwowymi, a nie w samochody elektryczne? Japoński koncern uważa, że oba rozwiązania mają swoje zalety i inwestuje w obydwa. Według Toyoty samochody zasilane akumulatorami (BEV, Battery Electric Vehicles) i ogniwami paliwowymi (FCEV, Fuel Cell Electric Vehicles) są w stosunku do siebie komplementarne, ponieważ realizują różne potrzeby użytkowników.

BEV sprawdzają się dobrze na krótkich dystansach i w środowisku miejskim. Problemem pozostaje jednak długi czas ładowania, wynoszący nawet przy użyciu wydajnych ładowarek co najmniej 20 minut, a zwykle więcej. Tankowanie FCEV trwa tylko 3 do 5 minut, a zasięg jest porównywalny z konwencjonalnym samochodem.

E – elektryczność

Auto z ogniwami paliwowymi również jest napędzane silnikiem elektrycznym. Jedyna różnica pomiędzy FCEV i BEV polega na tym, że prąd zasilający samochód na wodór nie pochodzi z zewnątrz, a jest wytwarzany na pokładzie pojazdu przez ogniwo paliwowe.

F – Toyota FCHV

Toyota FCHV (Fuel Cell Hybrid Vehicle) to seria prototypowych samochodów zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi, budowanych przez Toyotę od 1997 roku. Ostatni z nich, produkowany na małą skalę FCHV-adv, był od 2008 roku udostępniany wybranym klientom w leasingu i stanowił zapowiedź masowo produkowanej Toyoty Mirai.

G – World Green Car of the Year 2016

Podczas targów New York International Auto Show 2016 jury złożone z 73 dziennikarzy motoryzacyjnych z 23 krajów całego świata uhonorowało Toyotę Mirai tytułem „2016 World Green Car of the Year” – ekologicznego samochodu roku 2016. Jurorzy byli zgodni, że Toyota napędzana ogniwami wodorowymi jest samochodem, który zmienia oblicze współczesnej motoryzacji.

H – wodór

Wodór to najczęściej występujący pierwiastek we Wszechświecie. Występuje też powszechnie na Ziemi, zwykle jako składnik cząsteczek wody. Dlatego można go wytwarzać praktycznie w dowolnym punkcie świata – wystarczy do tego woda i energia. Z kolei wykorzystanie wodoru jako paliwa nie powoduje emisji żadnych niepożądanych substancji, bo jedynym produktem ubocznym jest para wodna.

I – innowacje

Opracowanie unikalnego zestawu ogniw paliwowych o niewielkich rozmiarach, dużej wydajności i innowacyjnym systemie nawilżania pozwoliło stworzyć samochód elektryczny, który produkuje prąd bezpośrednio na pokładzie. Do stworzenia seryjnych samochodów na wodór przyczynił się także stały rozwój aut hybrydowych. Konstruując pojazdy zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi, Toyota wykorzystała swoje bogate doświadczenia zdobyte przy tworzeniu i produkcji spalinowo-elektrycznych samochodów hybrydowych. W wodorowej Toyocie Mirai zastosowano również szereg podzespołów z samochodów hybrydowych najnowszych generacji, w tym wydajny silnik elektryczny, sterownik mocy i niklowo-wodorkowy akumulator trakcyjny.

J – Japonia

Japonia jest krajem posiadającym najbardziej rozbudowaną infrastrukturę stacji tankowania wodoru na świecie. Obecnie jest ich około 100, a powstaje wiele następnych. Japonia, której energetyka jest oparta na imporcie paliw, w rozwoju gospodarki wodorowej upatruje możliwość zwiększenia swojej niezależności energetycznej. Niebagatelną rolę odgrywa też świadomość ekologiczna wykształconego społeczeństwa.

K – kilowat

Zespół ogniw paliwowych Toyoty Mirai ma maksymalną moc 114 kW – to wystarczająco dużo, by zapewnić autu dobrą dynamikę. Można go jednak również wykorzystać w inny, ciekawy sposób: jako awaryjne źródło zasilania, zdolne zaopatrywać gospodarstwo domowe w prąd nawet przez tydzień.

L – litr

Dwa wysokociśnieniowe zbiorniki Toyoty Mirai mieszczą łącznie 122,4 l wodoru pod ciśnieniem 70 MPa (700 barów), co wystarcza do przejechania ponad 500 km.

M – Mirai

Mirai to po japońsku „przyszłość”. To także nazwa zasilanego wodorowymi ogniwami paliwowymi samochodu, zaprojektowanego od podstaw i produkowanego masowo przez Toyotę. Ogniwa paliwowe nie emitują żadnych niepożądanych substancji, co czyni je przyszłościowym źródłem energii elektrycznej. Aby jednak samochody na wodór stały się powszechne – jak dziś samochody hybrydowe Toyoty – ich ceny muszą być bardziej przystępne. To się już dzieje: koszt systemu ogniw paliwowych Toyoty Mirai jest o 95% niższy, niż w przypadku jej poprzednika, Toyoty FCHV-adv. Podzespoły są mniejsze, lżejsze, bardziej efektywne i tańsze w masowej produkcji.

N – nośnik energii

Wodór to w zasadzie nie paliwo, a wygodny i bezpieczny nośnik energii, który można pozyskiwać na wiele różnych sposobów. W Europie większość wodoru produkuje się obecnie drogą parowego reformingu metanu (z użyciem gazu ziemnego jako surowca) lub przez elektrolizę wody. Ten drugi sposób pozwala wytwarzać wodór z użyciem wyłącznie energii ze źródeł odnawialnych, takich jak panele słoneczne, turbiny wiatrowe lub elektrownie wodne, bez najmniejszej szkody dla środowiska.

O – ogniwo paliwowe

Zespół ogniw paliwowych jest sercem elektrycznego samochodu wodorowego. Zachodzi w nim reakcja łączenia się na zimno wodoru z tlenem z powietrza, w wyniku której powstaje prąd elektryczny i czysta woda. Jest to możliwe dzięki specjalnej membranie polimerowej, która oddziela elektrony od protonów (jąder atomów wodoru), przepuszczając jedynie protony, które następnie łączą się tlenem. Strumień elektronów przepływa inną drogą jako prąd elektryczny.

P – patenty

W roku 2015 Toyota zrobiła rzecz bez precedensu: udostępniła bezpłatnie wszystkie 5680 patentów związanych z wodorowymi ogniwami paliwowymi, będących efektem 20 lat badań i inwestycji. Około 1970 z nich dotyczy zespołu ogniw paliwowych, około 290 – wysokociśnieniowych zbiorników wodoru, a 3350 – sterowania ogniwami paliwowymi.

Q – QDR

Skrót QDR oznacza Quality, Durability, Reliability – jakość, trwałość i niezawodność. Aby udowodnić, że te cechy odnoszą się również do wodorowego sedana Mirai, Toyota przeprowadziła intensywny test na trasie o długości 200 tysięcy kilometrów. 14 kierowców prowadziło Mirai po 16 godzin dziennie przez 254 dni po ulicach miast, autostradach i wiejskich drogach. Mimo temperatur od -20 do 37 stopni Celsjusza, nie pojawiły się żadne problemy z uruchomieniem samochodu ani żadne awarie mechaniczne. Samochód okazał się stuprocentowo niezawodny. Jedynymi czynnościami serwisowymi oprócz normalnych przeglądów były wymiana tarcz hamulcowych i dwukrotna wymiana klocków hamulcowych.

R – Rada Wodoru

Nawet najbardziej zdeterminowana firma nie zdoła sama doprowadzić do upowszechnienia wodoru w gospodarce i motoryzacji. Dlatego Toyota współpracuje z innymi firmami nad propagowaniem wodoru i wodorowych ogniw paliwowych. Działania te koordynuje Rada Wodoru, założona przez Toyotę i 12 innych firm z branż takich jak transport, energetyka i przemysł, podczas ostatniego Światowego Forum Ekonomicznego w Davos.

S – sieć stacji tankowania

Infrastruktura produkcji, dystrybucji i sprzedaży wodoru znajduje się wciąż w początkowym stadium rozwoju, jednak intensywnie się rozrasta. W 2015 roku, gdy Toyota Mirai wchodziła na światowe rynki, w Europie było 40 stacji tankowania wodoru. W roku 2020 ma ich być 200, a do roku 2025 ich liczba ma sięgać 1000. Oprócz liczby ważne będzie również właściwe rozmieszczenie w dużych miastach i wzdłuż łączących je głównych dróg.

T – tankowanie

Ogromną zaletą samochodów zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi w stosunku do pojazdów elektrycznych jest szybkość tankowania, które zajmuje tylko 3 minuty. Cały proces jest bardzo prosty i całkowicie zautomatyzowany – wystarczy tylko połączyć pistolet dystrybutora z wlotem wodoru w samochodzie. Po automatycznym sprawdzeniu szczelności połączenia tankowanie sprężonego wodoru do pełna zostanie przeprowadzone samoczynnie.

U – pojazdy użytkowe

Pojazdy wodorowe to nie tylko samochody osobowe. Np. w Los Angeles Toyota testuje wodorowe ciężarówki służące do przewozu ładunków w porcie, a w swych fabrykach wodorowe wózki widłowe, których liczba do 2020 roku ma sięgnąć 180. Gości Olimpiady 2020 w Tokio będzie wozić ponad 100 wodorowych autobusów Toyoty.

V – wolt, jednostka napięcia

Napięcie uzyskiwane z zespołu ogniw paliwowych Toyoty Mirai jest podwyższane przez specjalną przetwornicę do 650 V. Dzięki temu silnik elektryczny może uzyskać moc 113 kW (154 KM) przy niższym natężeniu prądu, co umożliwia użycie cieńszych przewodów i uzwojeń o mniejszej masie, a także ogranicza ilość wytwarzanego ciepła.

W – woda

Jedynym produktem ubocznym reakcji, w której wodorowe ogniwa paliwowe wytwarzają prąd, jest idealnie czysta woda. Toyota Mirai wytwarza jej około 70 ml/km, czyli 7 l/100 km.

X – NOx

Symbolem NOx oznacza się ogólnie tlenki azotu – głównie tlenek azotu NO i dwutlenek azotu NO2. Gazy te, powstające podczas spalania paliw ropopochodnych w silnikach spalinowych, należą do szkodliwych substancji emitowanych z rur wydechowych. Przyczyniają się one m.in. do powstawania smogu i kwaśnych deszczy. Samochody elektryczne, w tym zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi takie jak Toyota Mirai, nie emitują żadnych niepożądanych substancji. Dzięki temu są nieszkodliwe dla środowiska i nie dotyczą ich zakazy wjazdu do centrów niektórych miast.

Y – Yaris

Toyota Yaris na wodór? Jeszcze nie dziś, ale za jakiś czas wszystkie samochody – nawet te mniejsze – będą mogły korzystać z czystej energii, wytwarzanej ze źródeł odnawialnych.

Z – „zielony” wodór

Coraz większa część energii elektrycznej wytwarzanej na całym świecie pochodzi ze źródeł odnawialnych, takich jak panele słoneczne czy turbiny wiatrowe. Wadą tych źródeł jest uzależnienie od pory dnia i pogody – czasem są w stanie dostarczyć więcej energii, niż potrzeba, a czasami nie dostarczają jej wcale. Dlatego wciąż musimy korzystać z drogich i niszczących środowisko konwencjonalnych elektrowni węglowych.

Wodór jest nośnikiem energii, który pomoże rozwiązać ten problem. Można go produkować przez elektrolizę wody w okresach nadprodukcji energii, a w chwilach niedoboru używać do wytwarzania prądu w ogniwach paliwowych. Dzięki temu wodór stanowi uniwersalne rozwiązanie, które unowocześni jednocześnie energetykę i motoryzację.