Samochody wodorowe (FCEV) stanowią jeszcze bardzo nowe i niepopularne podejście do pojazdów zeroemisyjnych. Chociaż widać ze strony producentów samochodów rosnące zainteresowanie tą technologią, ponieważ ma ona bardzo mocne zalety i przewagę w kilku aspektach nad samochodami elektrycznymi (BEV), które korzystają z akumulatorów. Auta wodorowe na pewno będą stawać się coraz bardziej popularne, dlatego wyjaśniamy, co to jest samochód wodorowy, jak działa, ile kosztuje.
Co to jest ogniwo paliwowe / wodorowe?
W ogniwie paliwowym/wodorowym zachodzi reakcja elektrochemiczna pomiędzy wodorem a tlenem. Główne elementy ogniwa paliwowego to anoda, katoda i elektrolit. W obecności elektrolitu jony paliwa tj. jony wodoru reagują z jonami tlenu, wytwarzając energię elektryczną, parę wodną i ciepło. Reakcja ta zachodzi w temperaturze 80°C. Inną bardziej potoczną nazwą tej reakcji jest „zimne spalanie”. Wygenerowana w ten sposób energia elektryczna napędza silnik elektryczny, który z kolei obraca koła pojazdu.
Grubość pojedynczego ogniwa paliwowego wynosi około dwóch milimetrów. Pojazd wodorowy wykorzystuje setki ogniw paliwowych zwanych „stosem ogniw paliwowych”.
Jak zbudowany jest samochód wodorowy?
Akumulator pomocniczy
Akumulator pomocniczy w samochodzie wodorowym dostarcza niskiego napięcia w celu uruchomienia samochodu oraz zasilania systemów i akcesoriów w samochodzie.
Akumulator
Akumulator właściwy lub główny, bo tak możemy go nazwać, przechowuje energię elektryczną, która została wytworzona podczas hamowania. Wykorzystywana ona jest do wspomagania silnika trakcyjnego.
Konwerter DC/DC
Konwerter przekształca prąd stały o wysokim napięciu z zestawu akumulatorów trakcyjnych na prąd stały o niższym napięciu. Potrzebny jest on do zasilania akcesoriów pojazdu i ładowania akumulatora pomocniczego.
Elektryczny silnik trakcyjny
Jest to główny silnik, który napędza samochód. Wykorzystuje on energię elektryczną z ogniw paliwowych.
Stos ogniw paliwowych
Zespół pojedynczych ogniw paliwowych, które wykorzystują wodór i tlen do wytwarzania energii elektrycznej. Przykładowo wodorowy Hyundai Nexo posiada 440 ogniw paliwowych.
Wlew paliwa
Wlew paliwa jest nieco inny niż w samochodzie spalinowym. Dysza dystrybutora wodoru mocowana jest do specjalnego króćca. Pistolet dystrybutora przypomina nieco ten do tankowania LPG.
Zbiornik paliwa (wodoru)
Przechowuje wodór w postaci gazowej na pokładzie pojazdu. Wodór przechowywany jest pod ogromnym ciśnieniem rzędu 700 barów.
Sterownik elektroniki mocy
Sterownik zarządza przepływem energii elektrycznej, dostarczanej przez ogniwo paliwowe do akumulatora trakcyjnego, kontrolując prędkość elektrycznego silnika trakcyjnego i moment obrotowy wytwarzany przez niego.
Układ termiczny (chłodzenie)
Układ ten utrzymuje właściwy zakres temperatur pracy ogniwa paliwowego, silnika elektrycznego, elektroniki mocy i innych komponentów.
Jak działa ogniwo paliwowe/wodorowe?
W ogniwie paliwowym tlen jest pobierany z powietrza i pompowany do katody, podczas gdy wodór przepływa do końcówki platynowej anody, która działa jak katalizator, oddzielając dodatnie jony wodorowe od gazu. Jony te przepływają przez elektrolit do katody, tworząc ładunek dodatni. Ponieważ oddzielone elektrony nie mogą przepływać przez elektrolit, opływają obwód zewnętrzny, generując ładunek używany do zasilania silnika elektrycznego.
Produktami ubocznymi tego procesu jest woda, zwykle w postaci pary, oraz ciepło. Bez ruchomych części ogniwa paliwowe działają cicho i niezawodnie. Ciepło odpadowe z ogniwa paliwowego można wykorzystać do ogrzewania lub chłodzenia.
Jak działa samochód wodorowy?
Samochód wodorowy (FCEV) podobnie jak elektryczny (BEV) wykorzystuje prąd do zasilania jednego lub więcej silników elektrycznych, które napędzają koła. W aucie wodorowym energia elektryczna pochodzi bezpośrednio z ogniw paliwowych lub z akumulatora, który przechowuje nadmiar energii odzyskanej przy hamowaniu. Odzyskiwanie energii i magazynowana w akumulatorach działa podobnie jak w samochodach elektrycznych czy hybrydowych.
Podczas jazdy energia elektryczna dostarczana jest z ogniw paliwowych i/lub akumulatorów do silnika elektrycznego, napędzającego samochód. Przepływem energii zarządza niezwykle rozbudowane oprogramowanie, które kontroluje m.in. prędkość i moment obrotowy silnika elektrycznego. Ponadto kontrolowane musi być ciepło oraz układ chłodzenia, który utrzymuje właściwy zakres temperatur pracy ogniwa paliwowego, silnika elektrycznego i innych komponentów.
Niezwykle istotne w przypadku samochodów wodorowych jest tlen, niezbędny do wytworzenia reakcji. Musi być on czysty, dlatego auta wodorowe mają cały system oczyszczania tlenu. Pierwszy krok obejmuje filtr powietrza, który zbiera cząsteczki stałe i chemikalia. W drugim etapie powietrze przepuszczane jest przez nawilżacz membranowy. Ostatni etap to przedmuchanie powietrza przez warstwę dyfuzji gazu bezpośrednio do ogniwa paliwowego. Ten system oczyszczania powietrza dostarcza wolny od zanieczyszczeń tlen do membrany elektrolitu.
Samochód wodorowy: wady i zalety
Największą zaletą samochodów wodorowych (FCEV) w porównaniu z samochodami elektrycznymi (BEV) jest to, że ogniwa paliwowe nie wymagają ładowania, jak baterie. Koncepcja działania samochodu jest niemal taka sama jak w przypadku samochodów spalinowych. Autem na ogniwa paliwowe podjeżdżamy pod dystrybutor, w ciągu kilku minut tankujemy wodór i odjeżdżamy. Nie spędzamy kilku godzin lub przynajmniej 30/40 minut, przy ładowarce, aby podładować akumulatory.
Samochody wodorowe mają także przewagę nad elektrycznymi (BEV) pod względem realnego zasięgu. Jeden z pierwszych dostępnych w miarę powszechnie samochodów wodorowych Toyota Mirai II w teście ADAC pokonała po publicznych drogach 555 kilometrów. Producent podaje zasięg WLTP na poziomie 650 kilometrów. Są to wyniki mało realne dla samochodu elektrycznego BEV. Ponadto Toyota chwali się faktem, że Mirai II gen. oczyszcza powietrze, które wpada przez wloty powietrza.
Kolejnym seryjnym samochodem wodorowym jest Hyundai Nexo, który posiada zasięg około 600 kilometrów na jednym zbiorniku.
Do zalet samochodów wodorowych można zaliczyć oczywiście to, co powstaje wskutek produkcji energii. Wytwarzane jest jedynie ciepło i para wodna.
Samochód zasilany wodorem (FCEV) pomimo niewątpliwych zalet ma też pewne wady i ograniczenia. Pierwszym ogromnym problemem jest przechowywanie wodoru pod ogromnym ciśnieniem, w taki sposób, aby nawet podczas wypadku nie doszło do wybuchu. Toyota w II generacji Mirai poradziła sobie z tym problemem i opracowała strukturę zabezpieczającą zbiornik, które nawet w razie wypadku są chronione.
Na ten moment największym problemem samochodów wodorowych w Polsce jest brak stacji tankowania. Na szczęście Orlen zapowiedział, że w 2022 roku wybuduje cztery stacje tankowania wodoru, a do 2030 roku powstać ma ich 100. Nieco lepsza sytuacja jest w Niemczech, gdzie wodór zatankujemy w 92 punktach. W Stanach Zjednoczonych jest sporo stacji wodoru, ale praktycznie wszystkie zlokalizowane są w stanie Kalifornia.
Ile kosztuje samochód wodorowy?
W 2022 roku chcąc kupić samochód wodorowy mamy właściwie wybór spośród dwóch modeli. Toyota Mirai to jedyny samochód, jaki możemy kupić w polskim salonie. Jest to 4-drzwiowy, prawie 5-metrowy sedan z silnikiem o mocy 182 KM. Ile kosztuje Toyota Mirai? Do wyboru mamy dwie wersje wyposażenia – Prestige kosztuje 309 900 zł, a Executive 324 900 zł.
Na rynku występuje jeszcze Hyundai Nexo, którego co prawda możemy znaleźć na stronie Polskiego importera, ale brak tam informacji na temat ceny. W Niemczech Nexo jest dostępny i cennik zaczyna się od kwoty 77 290 Euro.
Ile kosztuje tankowanie wodoru?
Jak wspomnieliśmy, w Polsce nie ma publicznie dostępnej stacji wodoru, zatem i ceny są nieznane. Jednak w Niemczech stacji jest sporo, a cena w marcu 2022 roku wynosi 9,50 Euro za 1 kg wodoru. Przeliczając to po aktualnym kursie (ok. 4,60 zł/1 euro) za 1kg zapłacilibyśmy ok. 44 zł.
Przykładowo Toyota Mirai zużywa ok. 1 kg wodoru na 100 km, zatem przejechanie 100 km kosztowałoby ok. 44 zł.
