Samochody osobowe napędzane tradycyjnymi silnikami spalinowymi będą nam towarzyszyły jeszcze przez wiele lat, ale ich los wydaje się przesądzony. Ostatecznie znikną z ulic, a ich miejsce zajmą pojazdy napędzane silnikami elektrycznymi. Dzisiaj w tym dynamicznie rozwijającym się segmencie rynku motoryzacyjnego dominują samochody elektryczne zasilane energią elektryczną zgromadzoną w akumulatorach litowo-jonowych. Nie wiadomo jednak, czy to one zastąpią tradycyjne samochody. Równolegle rozwija się bowiem konkurencyjny system zasilania: ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór.

Nasuwa się jednak pytanie: po co szukać innych rozwiązań, skoro udowodniono, że akumulatory są skuteczne i już teraz umożliwiają pokonywanie dystansu mierzonego w setkach kilometrów, a nadal mają bardzo duży potencjał? Jest niemal pewne, że w ciągu kilku lat pojawią się konstrukcje lżejsze, o większej pojemności i żywotności, znoszące szybkie ładowanie. Co motywuje naukowców i inżynierów rozwijających alternatywne metody gromadzenia energii i zasilania silników elektrycznych?

Kiedy mówimy o samochodach elektrycznych w kontekście ochrony środowiska naturalnego, powinniśmy brać pod uwagę nie tylko emisję spalin podczas eksploatacji. Ślad węglowy samochodu to także emisja towarzysząca wydobyciu surowców, produkcji oraz utylizacji. Pod tym względem akumulatory litowo-jonowe są obarczone nieusuwalnymi wadami. Pierwszą jest konieczność stosowania litu – pierwiastka, który znajduje się w skorupie ziemskiej w stosunkowo niewielkiej ilości i jest wydobywany w kopalniach odkrywkowych, które nieodwracalnie niszczą środowisko naturalne w miejscu wydobycia. Energochłonna jest także produkcja akumulatorów. Wynika to po części ze specyficznych właściwości chemicznych litu, który bardzo łatwo wchodzi w reakcję z wodą. Dlatego pomieszczenia produkcyjne muszą spełniać standardy „dry room”, co oznacza, że wilgotność względna w tych miejscach nie może być większa niż 1%. Utrzymanie takich warunków jest kłopotliwe, kosztowne i wymaga zużywania dużych ilości energii elektrycznej. Szacuje się, że zużycie energii elektrycznej podczas produkcji wynosi około 60–70 kWh na każdą 1 kWh pojemności wyprodukowanych akumulatorów.

Inne rozwiązania

Skoro akumulatory litowo-jonowe sprawiają tyle kłopotów, dlaczego nie wymyślić czegoś innego? Można, a nawet trzeba to zrobić, i ten proces cały czas jest realizowany. W wielu miejscach na świecie trwają poszukiwania alternatywy w postaci akumulatorów chemicznych o innym składzie chemicznym i konstrukcji mechanicznej albo całkowicie nowych sposobów gromadzenia energii. Do tego bowiem sprowadza się problem: wiadomo, jak skonstruować samochód elektryczny, dostępne są także sprawdzone, wydajne i energooszczędne silniki, jednak największy kłopot sprawia zmagazynowanie energii w taki sposób, aby można było ją wykorzystać podczas podróży.

Okazuje się, że trudno znaleźć godnego przeciwnika dla węglowodorów. Konkurencyjne rozwiązania są drogie, ciężkie, mało efektywne albo niebezpieczne i kapryśne. Tymczasem wyścig na rynku samochodów elektrycznych rozpędza się na dobre i potrzebne są rozwiązania „na dziś”. Może niedoskonałe, ale działające, proste do wdrożenia i umiarkowanie skomplikowane w kontekście budowy sieci ładowania. Te warunki spełniają tylko akumulatory oraz ogniwa paliwowe.

Ogniwa paliwowe

Pomysł ogniw paliwowych jest dość stary i wielokrotnie sprawdzony. Pierwsze ogniwo paliwowe zostało zademonstrowane już w 1839 roku. Pomysł powstał w wyniku obserwacji intrygującego faktu: wodę można poddać elektrolizie. Jeśli przepuścimy przez nią prąd elektryczny, cząsteczki wody rozpadną się na dwa składowe gazy: tlen i wodór. Możliwy jest też odwrotny proces – „rekombinacja” wolnych atomów w cząsteczki wody, podczas której powstaje różnica potencjałów i płynie prąd. Jedynym produktem ubocznym jest chemicznie czysta woda. Żadnych spalin, pyłów, nieprzyjemnych zapachów.

Z tego wynalazku korzystano wielokrotnie w różnych wariantach, włącznie z zasilaniem urządzeń na pokładach statków kosmicznych czy pod powierzchnią oceanu. Paliwem nie zawsze jest wodór; w użyciu są również ogniwa paliwowe wykorzystujące etanol.

Kiedy zaczęto poważnie rozważać wielkoseryjną produkcję samochodów elektrycznych, wodorowe ogniwa paliwowe znalazły się na krótkiej liście pomysłów do wykorzystania. Jeśli ustąpiły pola bateriom litowo-jonowym, to przede wszystkim dlatego, że przewożenie zapasu wodoru jest kłopotliwe. Butle muszą wytrzymać bardzo wysokie ciśnienie (350–700 barów), a atomy wodoru (najmniejsze ze wszystkich) trudno utrzymać wewnątrz pojemnika – nawet jeśli jest on wystarczająco szczelny, żeby przechowywać bez strat inne gazy.

Kolejna trudność jest związana z tankowaniem. Ten proces, szybszy niż ładowanie akumulatorów litowo-jonowych, jest bardzo energochłonny. Osiągnięcie wystarczającego ciśnienia jest możliwe wyłącznie przy pomocy wydajnych kompresorów napędzanych silnikami elektrycznymi. Energochłonny jest także proces wytwarzania wodoru metodą elektrolizy. Metody chemiczne nie są całkowicie obojętne dla środowiska. Ponownie obserwujemy zatem sytuację, w której bezemisyjność pojazdu zależy wprost od sposobu wytwarzania energii elektrycznej w całym systemie.

Infrastruktura

W USA w 2022 roku zarejestrowanych było około 15 tys. samochodów osobowych zasilanych z wodorowych ogniw paliwowych; wszystkie jeździły po drogach Kalifornii. Zdecydowana większość to Toyota Mirai (10 700 egzemplarzy). Ich kierowcy prawdopodobnie dobrze się znają, przynajmniej z widzenia, bo do wyboru mają zaledwie 60 punktów tankowania wodoru. Dziesięć lat temu przewidywano, że będzie ich 100.

W Europie sytuacja nie jest lepsza. W Niemczech właściciele samochodów na wodór mają do dyspozycji 24 stacje. W pozostałych krajach europejskich (łącznie) jest ich raptem 37. W Azji (w Japonii, Korei Południowej i Chinach) kilka lat temu liczba stacji przekroczyła 100. W porównaniu z liczbą punktów ładowania samochodów elektrycznych są to wyniki bardzo skromne, wręcz symboliczne. Przypomina to sytuację sprzed lat, kiedy samochody elektryczne traktowano jeszcze jak ciekawostkę. Niewielka liczba pojazdów nie gwarantuje zwrotu z inwestycji w drogie stacje ładowania (tankowania). Brak stacji zniechęca do kupowania samochodów, bo kierowcy chcą nimi jeździć bez obawy o to, że utkną po drodze. Są dwa wyjścia z tej sytuacji: albo sprawy zostaną pozostawione swojemu biegowi i powolny rozwój sieci tankowania na lata wstrzyma rozwój technologii, albo ktoś (być może konsorcjum zawiązane przez konkurujących ze sobą na co dzień producentów samochodów) zaryzykuje inwestycję w co najmniej kilkaset punktów tankowania w Europie.

Większe „rodzeństwo”

Technologia zasilania silników elektrycznych z wodorowych ogniw paliwowych zyskuje coraz większe zainteresowanie producentów autobusów, samochodów ciężarowych oraz lokomotyw. Większe gabaryty, większa dopuszczalna masa całkowita oraz większe zużycie wodoru dające nadzieję na zwrot z inwestycji w stacje tankowania – to mocne argumenty przemawiające za wdrażaniem tej technologii w transportach: publicznym, towarowym i kolejowym. Dla właścicieli samochodów osobowych to dobra informacja, bo kiedy szlak przetrą więksi, mniejsi także skorzystają. Stacje tankowania autobusów można udostępnić wszystkim kierowcom bez ponoszenia wielkich kosztów. Duzi, hurtowi odbiorcy wodoru będą stymulowali rynek produkcji i transportu tego gazu, co zapewne spowoduje obniżkę cen paliwa i zachęci kolejnych kierowców do inwestycji w samochody FCEV (ang. Fuel Cell Electric Vehicles, samochody wodorowe).

Samochody zasilane wodorem w Europie

W Polsce zarejestrowano do tej pory 74 samochody osobowe zasilane wodorem. Znaczna część tej floty należy do Cyfrowego Polsatu (Hyundai Nexo i Toyota Mirai), który uruchomił własny punkt tankowania wodoru.

W Niemczech zarejestrowano na ten moment: 1236 samochodów osobowych, 16 dostawczych i 87 autobusów zasilanych wodorem, a we Francji: 396 samochodów osobowych i 273 samochody dostawcze (co jest rekordową liczbą w tym segmencie) oraz jeden autobus. W Holandii, Szwajcarii i Norwegii zarejestrowano odpowiednio: 488 samochodów osobowych, 200 dostawczych oraz 231 autobusów zasilanych wodorem. Warto dodać, że są to jedyne kraje, w których zarejestrowano samochody ciężarowe zasilane wodorem.

Oferta producentów nie jest szczególnie bogata. Mówimy o zaledwie czterech firmach: Toyota, Honda, Hyundai i BMW. Mercedes, który był jednym z prekursorów technologii ogniw paliwowych, wycofał się z tego rynku kilka lat temu.

Perspektywy

Technologia zasilania wodorem będzie się rozwijała i co do tego nie ma wątpliwości. Wiadomo też, że za jakiś czas może stać się ona realną konkurencją dla akumulatorów litowo-jonowych – przede wszystkim dlatego, że zasoby litu i innych pierwiastków niezbędnych do ich produkcji są ograniczone. Skoro samochody mają być bezemisyjne, trzeba brać pod uwagę emisję w całym cyklu ich życia, z produkcją komponentów włącznie. A skoro tak, nie można zapominać, że wydobycie litu i innych surowców degraduje środowisko naturalne.

Pod tym względem wodór jest całkowicie neutralny dla środowiska: można go pozyskać z powietrza przez koncentrację albo z wody – przez elektrolizę. Żaden z tych procesów nie obciąża środowiska, jednak pod jednym warunkiem: że energia niezbędna do produkcji wodoru pochodzi z czystych, odnawialnych źródeł. W przeciwnym wypadku energochłonna elektroliza spowoduje wzrost zanieczyszczeń w miejscach, w których znajdują się tradycyjne elektrownie węglowe.

Rozwój rynku pojazdów FCEV będzie stymulował związane z nim usługi, także warsztatowe. Dla warsztatów, które opanują technikę serwisowania pojazdów z napędem elektrycznym, różnica będzie umiarkowana: zamiast akumulatorów i układu ładowania trzeba będzie serwisować ogniwo paliwowe i układ zasilania gazem. Pojawią się nowe procedury, narzędzia i przyrządy pomiarowe, ale zmiana będzie miała charakter raczej ewolucji niż rewolucji. Zresztą perspektywa jest raczej odległa, gdyż auta, które już jeżdżą, przez długi czas będą zapewne obsługiwane w ASO.

Piotr Kołaczek