Samochody na wodór czy elektryczne – wady i zalety

Motoryzacja ma przed sobą przyszłość, która na ten moment wyklucza dalszy rozwój silników spalinowych. Coraz więcej producentów deklaruje porzucenie swoich projektów jednostek wysokoprężnych czy też benzynowych na rzecz samochodów zasilanych paliwami alternatywnymi takimi jak energia elektryczna czy też wodór. Jakie są wady i zalety takich rozwiązań?

Historia samochodów wodorowych

Samochody wodorowe mogą dziś istnieć i być produkowane dzięki temu, że pochodzący ze Szwajcarii alchemik i lekarz znany jako Paracelsus jako pierwszy przeprowadził obserwacje tego pierwiastka, który jest najlżejszym znanym w całym wszechświecie. Jako pierwszy za odrębną substancję wodór został uznany przez Henry'ego Cavendisha w 1766 roku. Dalsze eksperymenty nad tym pierwiastkiem trwały w XIX i XX wieku i w tym czasie nad wykorzystaniem ogniw wodorowych pracowała NASA, czy też próbowano użyć ich do ciągników rolniczych.

Pierwszy pojazd mechaniczny, który jest zbliżony do samochodu i był zasilany wodorem to autobus konstrukcji Mercedesa. W 1978 niemiecki producent zaprezentował Necar, czyli New Electric Car. Konstrukcja ta posiadała przeogromny zbiornik na wodór. W niektórych niemieckich miastach od lat 90. kursują także napędzane wodorem autobusy.

Wśród samochodów napędzanych wodorem poprzez ogniwa paliwowe na ten moment na rynku pojawiły się łącznie cztery auta. Jako pierwszy auto wodorowe na rynek wprowadził Hyundai. Napęd tego typu producent z Korei Południowej zamontował jednym ze swoich najlepiej sprzedających się SUVów, czyli w Hyundaiu Tucsonie. Hyundai Tucson FCEV zadebiutował w 2013 roku. W kolejnych latach pojawiały się również takie modele jak Toyota Mirai, Hyundai Nexo oraz Honda Clarity. Oprócz tego swych sił próbował Mercedes czy też BMW wypuszczając samochody ze zwykłymi silnikami spalinowymi, które są zasilane energią elektryczną z wodoru bądź po prostu wykorzystuje się w nich wodór jako paliwo spalane w komorze silnika. Takie modele to między innymi BMW Hydrogen 7, BMW Hydrogen X5 czy też Mercedes GLC F-Cell.

Jak działają samochody wodorowe?

Samochody wodorowe możemy podzielić na dwa różne typy. Pierwszy z nich to jednostki, które są dosyć zbliżone do tego, jak działają silniki spalinowe. Wodór używa się na podobnej zasadzie jak jednostki działające z gazem LPG bądź CNG. Wodór przetrzymywany jest więc pod wysokim ciśnieniem w zbiorniku. Potem wstrzykuje się go do komory silnika, co wywołuje eksplozje i rozprężenie, dzięki czemu tłoki wraz z wałem korbowym pracują tak jak w zwyczajnym silniku napędzanym benzyną.

Nad jednostkami wodorowymi tego typu pracuje przede wszystkim Toyota. Japończycy twierdzą, że silniki napędzane wodorem są cichsze, generują mniejsze drganie, a także jego spalanie nie generuje toksycznych spalin, a w teorii jedynie wodę. Nad napędem tego typu pracuje między innymi Toyota, która rozwija jednak oba typy rodzajów silników wodorowych.

Drugi typ jednostek wodorowych jest z kolei zbliżony do silników elektrycznych. Z takiego rodzaju jednostek korzysta się od wielu lat i były one wykorzystywane między innymi przez NASA. Takie silniki korzystają bowiem z wodorowych ogniw paliwowych. Ich schemat po raz pierwszy opracował niemiecko-szwajcarski chemik Christian Friedrich Schonbein.

W samochodach wodorowych, które działają na bazie silników elektrycznych nie spotkamy dużych baterii, a ogniwa paliwowe. Wykorzystują one wodór, który po tym jak trafi do ogniwa utlenia się, gdzie w dużym uproszczeniu jest rozdzielany na kationy oraz aniony. Ruch anionów przez obwód następnie wytwarza napięcie i zasila jednostkę napędową. Ogromna zaleta takiego rozwiązania to waga. Zbiornik pełen wodoru może ważyć nawet zaledwie kilka kilogramów, czyli znacznie mniej niż bardzo ciężkie baterie. Ponadto wytwarzanie zbiorników wodorowych i ogniw paliwowych nie obciąża tak środowiska jak tworzenie, a następnie utylizacja baterii, które znajdziemy w samochodach elektrycznych. Jedynym minusem takiego rozwiązania jest to, że taki silnik musi przed rozpoczęciem pracy dość mocno nagrzać, przez co przed ruszeniem trzeba przynajmniej krótką chwilę poczekać.

Jaki wpływ na środowisko mają samochody wodorowe?

To jak samochody wodorowe oddziałują na środowisko jest oczywiście bardzo ważne, gdyż tak samo jak w przypadku innych projektów dotyczących paliw alternatywnych jest zapewnienie dobrego zastępstwa silników spalinowych, lecz znacznie redukując emitowane spaliny, których najlepiej by nie było wcale. Auta wodorowe pokazują, że można stworzyć paliwo alternatywne, które pozwoli na eksploatację podobną do tej, która charakteryzuje samochody spalinowe, przy tym nie emitując szkodliwych związków do atmosfery.

Problem z tym jak dobre dla środowiska są samochody wodorowe to sama produkcja wodoru używanego jako paliwo tych pojazdów. Proces ten pochłania bowiem ogromne ilości energii, przez co może on zwiększyć zapotrzebowanie na energię pochodzącą między innym z paliw kopalnych, które emitują duże ilości szkodliwych związków. Trzeba też pamiętać o tym, że mamy różne typy wodoru zależne od tego czego użyto do jego stworzenia. Tak zwany wodór zielony jest bezemisyjny, lecz niebieski wodór oraz szary wodór to już tak do którego powstania użyto nie do końca ekologicznych sposobów. Znaczna większość wodoru na świecie, a ten powstaje w wyniku reformingu metanu bądź zgazowania węgla, co robią na przykład Chiny. W ten sposób emitowane jest sporo gazów cieplarnianych i nie tylko.

Aby wodór był w pełni ekologiczny powinniśmy produkować przede wszystkim wodór zielony lub niebieski, przy którego produkcji również wytwarza się m.in. dwutlenek węgla, lecz ten gaz jest skutecznie w tym procesie wychwytywany, a następnie może zostać na przykład wykorzystany ponownie. Poza problemami związanymi z produkcją wodoru same auta wodorowe są bardzo ekologiczne. Do ich stworzenia nie potrzeba ciężkich, wykonanych z wielu materiałów i przede wszystkim bardzo trudnych w recyklingu baterii, a wystarczą jedynie ogniwa paliwowe i zbiornik na wodór, który jest przede wszystkim bardzo lekki, gdyż pełen bak może ważyć nawet zaledwie kilka kilogramów. W procesie spalania jedynym skutkiem ubocznym jest woda, którą usuwa się z systemu, a auta wodorowe nie emitują żadnych spalin.

Jakie są koszty i wygoda użytkowania samochodów wodorowych?

Przy dyskusji o samochodach elektrycznym bardzo często argumentami przeciw elektrykom jest wygoda w codziennej eksploatacji, gdyż auta te trzeba często ładować, a samo ładowanie niekoniecznie należy do najkrótszych jeśli nie korzystamy z sieci szybkich ładowarek, które potrafią być dosyć drogie. Powiązanym z tym problemem jest też oczywiście zasięg, gdyż wynosi on kilkaset kilometrów i oznacza to konieczność względnie częstego ładowania, na przykład trasie na wakacje.

W samochodach wodorowych problem ten w dużej mierze zanika. Tankowanie trwa znacznie krócej, gdyż napełnienie zbiornika mieszczącego 5 kilogramów wodoru, tak jak na przykład w Toyocie Mirai trwa od 5 do maksymalnie 10 minut. Taka ilość paliwa wystarczy na przejechanie nawet 500 kilometrów, więc jest to porównywalne do na przykład zatrzymania się na tankowanie zwykłym samochodem spalinowym. Nie odstrasza nawet cena, gdyż w Niemczech jest to około 40 złotych za kilogram, czyli około 100 kilometrów zasięgu, a ta cena ma być jeszcze niższa.

Problem z wygodą poruszania się samochodem wodorowym jest jednak dość istotny. Samochody elektryczne to technologia rozwijana praktycznie przez każdego i większość państw doskonale wie, że aby można było zredukować to ile emituje szkodliwych związków poprzez samochody należy zapewnić dobre warunki do poruszania się elektrykiem. W przypadku aut wodorowych skala jest jednak znacznie mniejsza, gdyż na rynku nie znajdziemy kilkunastu czy nawet kilkudziesięciu modeli, a tak w zasadzie tylko dwa. Jest to Toyota Mirai i Hyundai Nexo. Przez to w Polsce stacji wodorowych praktycznie nie ma, a jak już się pojawią to są to stacje prywatne dla autobusów komunikacji miejskiej, czy też należące do na przykład telewizji Polsat. Ponadto więcej stacji wodorowych nie jest szczególnie w planach kogokolwiek, gdyż transport oraz przede wszystkim samo przechowywanie wodoru jest dość skomplikowane.

Nadzieję na to, że będzie można kiedyś korzystać z wodoru w sposób nieuciążliwy to strategia Unii Europejskiej oraz krajów takich jak Niemcy, Francja czy też państwa Beneluksu. W planach jest bowiem zwiększenie udziału autobusów czy też ciężarówek korzystających z wodoru jako paliwa przy jednoczesnej rozbudowie sieci tankowania. Dalszy rozwój obejmuje również większe wykorzystanie wodoru w samochodach osobowych. Będzie to jednak niezwykle czaso i kosztochłonny proces. W Polsce do 2030 roku Orlen planuje na przykład 50 takich miejsc, gdzie będzie można zatankować swój wodorowy samochód.

Dlaczego wodór nie przebił się wciąż jako paliwo?

Technologie wodorowe na papierze brzmią świetnie. Mamy przecież do czynienia z ekologicznym paliwem, które zasilając samochody osobowe nie generuje jakichkolwiek zanieczyszczeń, a ponadto jego tankowanie jest szybsze niż ładowanie samochodu elektrycznego. W teorii to właśnie wodór powinien wyprzeć auta elektryczne. Problemów jest jednak sporo. Wodór jest pewnego rodzaju paliwem przyszłości i to każdemu powiedzieć próbują przede wszystkim ci producenci, którzy nad nim pracują, czyli Toyota oraz Hyundai, ale i nie tylko. Grupa Volkswagen twierdzi za to na przykład, że wodór nigdy nie będzie powszechnie wykorzystywany.

Problem z wodorem jest taki, że rozwój tej technologii, ale też i infrastruktury tak by było to opłacalne i dobre dla środowiska trwałby długie lata, a nawet może i kilka dekad. Jest to bardzo dużo czasu, gdy w tym momencie większość producentów, czy takie organy jak Unia Europejska naciska na to, by ograniczyć nasz ślad węglowy w sposób jak najszybszy. W teorii rozwiązaniem są bezemisyjne, elektryczne samochody osobowe, które teraz są dość szeroko dostępne, a sama infrastruktura ładowarek coraz bardziej rozbudowana.

Wodór zbiera także krytykę poprzez inną rzecz. Mowa oczywiście o jego wytwarzaniu. O ile gdy jest to robione przy użyciu energii ze źródeł odnawialnych, przez co powstaje tak zwany zielony wodór, który jest bezemisyjny można uznać, że wodór to w pełni czyste i ekologiczne paliwo. Większość wodoru to jednak tak zwany wodór szary, czyli tworzony przy użyciu technologii generujących sporo gazów cieplarnianych lub wodór niebieski, który również sprawia, że do atmosfery uwalnia się trochę zanieczyszczeń, lecz na znacznie mniejszą skalę niż w przypadku szarego wodoru.

Samochody wodorowe – zalety

Pora podsumować zarówno te wspominane do tej pory, jak i nie zalety samochodów wodorowych. Przede wszystkim są to auta kompletnie bezemisyjne, gdyż działają na takiej zasadzie jak elektryki tylko, że energia elektryczna nie jest magazynowana, a na bieżąco wytwarzana w sposób nieszkodzący środowisku. Jedyne co produkują auta wodorowe przy jeździe to woda, więc jest to ich ogromna zaleta. Ponadto do stworzenia samochodu wodorowego nie potrzeba ogromnych, ciężkich i niezbyt ekologicznych w produkcji i recyklingu baterii. Wystarczą ogniwa paliwowe oraz zbiornik na wodór, który dodatkowo waży znacznie mniej od baterii.

Kolejną zaletą jest właśnie waga oraz komfort w codziennym użytku. Aby jednak uznać to za zaletę samochodu wodorowego należy bardzo hipotetycznie założyć, że infrastruktura dla aut elektrycznych, jak i wodorowych jest tak samo rozwinięta. W takim wypadku tankowanie samochodu wodorowego trwa zaledwie kilka do maksymalnie dziesięciu minut, a zasięg na pełnym baku o pojemności 5/6 kilogramów to nieco ponad 500 kilometrów. Dodatkowo zasięg ten nie oznacza konieczności korzystania z ciężkich baterii, a sam zbiornik z wodorem waży niewiele.

Wodór to także bardzo bezpieczne paliwo. Jest ono oczywiście łatwopalne, lecz bardzo trudno doprowadzić do jego samozapłonu. Temperatura, którą musi osiągnąć ten pierwiastek to bowiem aż 575 stopni Celsjusza, czyli o 75 stopni więcej od benzyny i aż 230 stopni więcej od oleju napędowego używanego w autach z silnikami wysokoprężnymi. Samochody są ponadto tak projektowane, by w razie ewentualnego uszkodzenia zbiornika wodór ulatniał się specjalnie zaprojektowanymi ścieżkami, dzięki czemu nie trafi między innymi do kabiny pasażerskiej.

Samochody wodorowe – wady

Największy minus aut wodorowych to oczywiście ich niewielka dostępność oraz mała ilość stacji, gdzie można te samochody zatankować. Jest to sporym problemem, gdyż w Polsce znajduje się zaledwie kilkanaście stacji, a większość z nich należy do na przykład miasta i służy do tankowania jeżdżących po mieście wodorowych autobusów. Własną mobilną stację posiada też na przykład Telewizja Polsat, która posiada kilka Hyundaiów Nexo oraz Toyot Mirai.

Nie należy zapominać również o aspekcie węglowym. Aby chronić środowisko uznano, że dużym problemem są samochody. Z tego powodu wychodzą coraz nowsze i bardziej rygorystyczne normy emisji spalin, które są niemożliwe do spełnienia w inny sposób niż korzystanie z aut elektrycznych, hybrydowych czy właśnie wodorowych. Często się jednak zapomina, że energię elektryczną trzeba wytworzyć, co w Polsce ma w miejsce w elektrowniach działających najczęściej na węgiel, a sam proces tworzenia wodoru również jest daleki od neutralnego jeśli chodzi o pozostawiany ślad węglowy.

Największym problemem aut wodorowych jest jednak kompletnie inna rzecz. Podczas gdy samochodów elektrycznych jest na rynku bardzo dużo, a technologia rozwija się dynamicznie i inwestuje w nią mnóstwo producentów, tak w rozwój napędów wodorowych inwestują nieliczni. Przez to technologia ta rozwija się znacznie wolniej, a nawet przy zwiększeniu nakładów na rozwój motoryzacji działającej przy pomocy wodoru potrzebne by było mnóstwo czasu i środków. Szacuje się, że rozwój tej technologii mógłby trwać dekady, a ekologom zależy na znalezieniu czegoś co zadziała znacznie szybciej.

Jak prezentują się samochody elektryczne na tle wodorowych?

Ogromną przewagę samochody elektryczne zdobywają nie byciem lepszym autem, a tym co jest niezależne od samej konstrukcji. Mowa oczywiście o infrastrukturze oraz dostępności. Dziś samochody elektryczne stanowią coraz lepszą i bardziej rozsądną alternatywę dla aut z silnikiem spalinowym, podczas gdy modeli działających na wodór mamy zaledwie dwa. Ponadto znacznie bardziej rozwinięta jest infrastruktura ładowarek.

Gdy spojrzymy już na właściwości samych aut robi się nieco bardziej wyrównanie. Aby dobrze porównać te samochody, a raczej typy napędu należy przede wszystkim założyć, że mają one takie same warunki do codziennej eksploatacji, takie jak rozwinięta sieć stacji tankowania oraz ładowarek, czy też dostępność na rynku.

Samochody elektryczne są przede wszystkim znacznie bardziej wydajne energetycznie. Jakakolwiek moc tracona jest bowiem zazwyczaj na etapie ładowania i użytkowania w samochodzie, podczas gdy proces produkcji wodoru jest niesamowicie złożony, przez co występują spore straty początkowej energii. Mówiąc procentowo, szacuje się, że auta elektryczne wykorzystują nawet ponad 70 % początkowej energii, podczas gdy auta wodorowe to wydajność na poziomie zaledwie 30 %. Oznacza to, że samochody elektryczne wykorzystują tyle początkowej energii ile auta wodorowe tracą. Jest to jedna z największych przewag elektryków nad samochodami wodorowymi.

Elektryki tracą za to na etapie zasięgu oraz tankowania. Samochody wodorowe tankuje się przez kilka minut i pozwala to na przejechanie 500, a nawet 600 kilometrów, podczas gdy naładowanie do pełna baterii samochodu elektrycznego korzystając z najszybszej możliwej ładowarki trwa już co najmniej kilkadziesiąt minut. Biorąc pod uwagę, że w Polsce najszybszych ładowarek na rynku nie uświadczymy czas ten jeszcze bardziej się wydłuża.

Gdy chcemy porównać wpływ na środowisko elektryków i aut na wodór sytuacja robi się dosyć trudna. Oba te samochody są przecież bezemisyjne. Jest tak jednak tylko w teorii. Owszem sama jazda takimi autami nie generuje gazów cieplarnianych, ale trzeba pamiętać skąd pochodzi paliwo oraz baterie w elektrykach. Baterie używane w samochodach elektrycznym są ciężkie, spore, a ponadto ich produkcja wzbudza mnóstwo wątpliwości wśród ekologów z racji na to, że sama produkcja baterii generuje mnóstwo dwutlenku węgla. Prąd za to może pochodzić z niekoniecznie czystych elektrowni.

Auta wodorowe również nie są tak czyste jak się wydaje. Produkcja wodoru w tym momencie odbywa się w bardzo energochłonne procesy, które ponadto mogą generować dużo dwutlenku węgla i innych szkodliwych związków. Dzieje się tak ponieważ na przykład w Chinach wodór tworzy się poprzez zgazowanie węgla. Obu rodzajom aut w kwestii ekologii trzeba jednak dać jakąś pochwałę. Wzrost aut tego typu wpływa bowiem na zmniejszenie smogu w miastach, który często pochodzi z ogromnej ilości aut spalinowych stojących w korkach i poruszających się po ulicach.