Zasoby paliw kopalnych kurczą się, ich wydobycie jest coraz droższe. Ich beztroskie i powszechne używanie w energetyce, przemyśle, transporcie itd. doprowadziło do bardzo poważnych i niebezpiecznych zmian klimatu na całym globie. Aby ograniczyć destrukcyjny wpływ cywilizacji na naszą planetę, podejmuje się próby opracowania nowych, bardziej przyjaznych nam źródeł energii. Jednym z nich może być paliwo wodorowe napędzające samochody. Jak działa silnik wodorowy.
Jak działa silnik wodorowy – paliwo czyli wodór
Jeśli wierzyć naukowcom, to wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie. Na naszej rodzimej planecie w stanie lotnym, są go śladowe ilości np. w gazie ziemnym, ale bardzo chętnie wchodzi w skład związków chemicznych, takich jak woda, białko, cukry i węglowodory.
Wodór jest gazem bez smaku, bezbarwnym i bezwonnym. Sam nie jest palny ani wybuchowy, ale w połączeniu z tlenem daje niezwykle łatwopalną mieszankę. Z racji na to ,że jest ponad 14-krotnie lżejszy od powietrza unosi się ponad ziemską atmosferą. Oznacza to, że należy go pozyskiwać z powszechnie dostępnego źródła jakim jest woda (oblicza się, że całkowita objętość wody na Ziemi to ok. 1,386 mln km3).
Niezwykłą lotność wodoru wykorzystano na początku XX wieku do napełniania sterowców i balonów. Zaliczał się do nich niemiecki kolos, „Hindenburg”. Pierwotnie powłokę sterowca napełniono obojętnym i niepalnym helem. Kiedy USA nałożyło na Niemcy embargo, sterowiec dostosowano do napełnienia wodorem. To doprowadziło do historycznej katastrofy na lotnisku Lakehurst, 6 maja 1937 roku podczas lądowania doszło do rozszczelnienia powłoki „Hindenburga”, a powstała mieszanka wodoru z powietrzem wywołała pożar.
Jak pozyskać wodór
Zielony wodór czyli teoretycznie ekologiczny, jest pozyskiwany w procesie elektrolizy wody. Elektrolizer oddziela wodór od cząsteczek wody, jednocześnie wytwarza produkt uboczny w postaci tlenu, który uwalnia się do powietrza. Wytworzony wodór gazowy może być magazynowany. Niestety elektroliza jest procesem o wysokim zapotrzebowaniu na energię. Aby wytworzyć 1 kilogram czystego wodoru, trzeba zużyć 30÷70 kWh energii elektrycznej. Tym sposobem, ekologiczność samochodów wodorowych staje pod znakiem zapytania, podobnie jak „elektryki” ładowane prądem z elektrowni węglowych.
Wodorowy silnik spalinowy
Silnik spalinowy znamy od 145 lat, przez ten czas nauczyliśmy się wykorzystywać zarówno paliwa płynne jak i gazowe. Wykorzystując te doświadczenia, kilka firm (Toyota, Deutz i Aquarius Engines) opracowało własne rozwiązania silników iskrowych zasilanych wodorem. Podobnie jak inne paliwa gazowe, wodór potrzebuje magazynu w postaci zbiornika wysokociśnieniowego skąd trafia do komory spalania w silniku itd., cykl pracy silnika tłokowego pozostaje bez zmian. Po co ta zmiana paliwa? Firma Toyota wykorzystała do testów, trzycylindrowy silnik o pojemności 1600 ccm i okazało się, że spalając wodór odnotowano zmniejszenie się drgań silnika oraz cichszą pracę jednostki. Silnik spalający wodór nie emituje substancji zanieczyszczających środowisko naturalne. Z rury wydechowej wydalana jest czysta woda.
Silnik elektryczny zasilany ogniwami wodorowymi
Samochody napędzane ogniwami wodorowymi, są pojazdami elektrycznymi. Zamiast ciężkich baterii, posiadają na pokładzie własne „mini elektrownie”. Idea wodorowych ogniw paliwowych znana jest od XIX wieku, natomiast zaczęto korzystać z tego rozwiązania w latach 60-tych XX wieku. W amerykańskich misjach kosmicznych Gemini i Apollo, dostarczały kosmonautom prąd oraz wodę. Z wysokociśnieniowego zbiornika do ogniwa dostarczany jest wodór, jednocześnie najczęściej za pomocą sprężarki dostarczany jest tlen atmosferyczny. W wyniku reakcji elektrochemicznej z udziałem wodoru oraz tlenu ogniwo paliwowe wytwarza prąd, który następnie zamieniany jest na prąd zmienny. Produktami ubocznymi tego procesu są ciepło i woda, a prąd zasila elektryczne silniki napędowe.
Obecne na rynku ogniwa paliwowe, podzielono na niskotemperaturowe (o temperaturze pracy ok. 250°C) oraz wysokotemperaturowe (o temperaturze pracy ok. 600°C). W motoryzacji wykorzystuje się ogniwa niskotemperaturowe, gdyż w ich przypadku nie ma problemu z izolacją termiczną. Paliwo wodorowe jest wysokokaloryczne i lekkie, zbiornik „paliwa” o pojemności 120 litrów mieści 5÷6 kg sprężonego wodoru. Taka ilość wodoru pozwala na pokonanie dystansu ok. 500 km.
Kolorowy obraz napędu zaciemnia kilka wad. Przede wszystkim koszt pozyskiwania ekologicznego wodoru (wartość zużytej energii elektrycznej) oraz jego dostępność czyli niewielka ilość stacji tankowania. Innym istotnym problemem wynikającym z zastosowanego paliwa jest temperatura pracy, zastosowanie ogniw niskotemperaturowych wymaga „nagrzania” silnika przed każdym rozruchem silnika, co oznacza kilkunastosekundową zwłokę. W niedalekiej przyszłości ten problem zniknie.
Może cię również zainteresować: Samochód elektryczny bez prawa jazdy?
Stacje wodorowe – kolejny chybiony strzał
