Samochód na wodór - to już działa!

Nikt nie wie, jak będzie wyglądał świat za 50 lat, więc jedyne wyjście jest takie, żeby ukształtować go po swojemu. Dokładnie tak, jak zrobiła Toyota w wypadku Priusa. 18 lat temu był to krok w nieznane, dziś nawet Porsche oferuje hybrydy.

Wygląda na to, że podobną lekcję świat zaczyna przerabiać z ogniwem paliwowym. Dzisiaj w sprzedaży są dwa modele – Hyundai ix35 Fuel Cell (w Europie od 2013 r., teraz również w Korei Południowej, Stanach i Kanadzie) oraz Toyota Mirai. Przy czym Toyota, by przyspieszyć rozwój „wodorowych” samochodów, niedawno upubliczniła 5000 patentów związanych z ogniwem paliwowym.

Z kolei prototypowa „piątka” GT prawdopodobnie by nie powstała, gdyby nie współpraca Toyoty i BMW. Jak powiedział nam jeden z inżynierów BMW, różnica między tymi dwiema firmami jest taka, że „BMW bierze kamień, rzuca przed siebie na metr-półtora, by w żadnym wypadku nie stracić go z oczu, po czym podchodzi, ostrożnie podnosi, ogląda, zastanawia się i wreszcie wykonuje kolejny ostrożny rzut i kolejny krok o metr.

BMW HYDROGEN 7	BMW H2R
BMW HYDROGEN 7 i H2R
Model zwany Hydrogen 7 miał zaadaptowany do spalania wodoru silnik 6.0 V12, który rozwijał moc około 230 KM, czyli dwa razy mniejszą niż przy zasilaniu benzyną. Ten sam silnik trafił do prototypowego H2R, który z kolei ustanowił rekord świata prędkości dla pojazdu zasilanego wodorem – 302 km/h.

Natomiast Toyota bierze ten sam kamień, robi zamach, rzuca najdalej jak się da, nawet jeśli kamień poleci w krzaki – i idzie na miejsce zobaczyć, co z tego wyszło”.

Jeszcze dziesięć lat temu BMW próbowało wcielić w życie ideę spalinowego silnika zasilanego wodorem, której kulminacją były w 2006 r. limuzyna Hydrogen 7 oraz prototyp H2R, który ustanowił rekord prędkości dla „wodorowego” samochodu.

Zobacz nasz test Toyoty Mirai

Wodór do silnika spalinowego musi być jednak podany w stanie ciekłym, co oznacza niekończący się koszmar podczas jego magazynowania i transportu. W realnym świecie znacznie „łatwiejszy” jest wodór w stanie gazowym, co równa się napędowi elektrycznemu oraz ogniwu paliwowemu.

To ostatnie jest urządzeniem, które zamienia energię chemiczną na elektryczną. Do „chemii” potrzebne są tylko wodór (ze zbiornika) i tlen (z powietrza), spaliny zaś to zwykła para wodna. Techniczna ciekawostka jest taka, że elementy ogniwa paliwowego można na pokładzie auta rozmieścić niemal dowolnie, oddzielając sam zestaw ogniw od osprzętu – sprężarki i chłodnicy powietrza, wzmacniacza napięcia, falownika, filtra powietrza itd.

	BMW 5GT FCEV
Ten prototyp BMW nie ma nawet nazwy. Służbę skończył w 2012 r. Wygląda jak brat i8, jest zasilany ogniwem paliwowym i gdyby pojawił się na drodze, wzbudziłby sensację. Do 100 km/h przyspiesza w 6 s i rozwija maksymalną prędkość około 200 km/h.	BMW 5 GT FCEV - Prototyp do jazdy po zwykłych drogach BMW właśnie rozpoczyna testy czterech prototypowych, zasilanych wodorem „piątek” GT. Są one dopuszczone do ruchu na zwykłych drogach, każda jest napędzana elektrycznym silnikiem o mocy 245 KM.

To mniej więcej tak, jakby każdy cylinder silnika spalinowego można było umieścić w innym miejscu auta. Prototypowe ogniwo BMW ma na razie wszystkie elementy skupione razem, co pod maską „piątki” GT wygląda jak spory silnik spalinowy.

Obudowę zestawu ogniw wykonano z aluminium, zaś sam zestaw jest instalowany w Japonii przez Toyotę. Całość waży około 150 kg, jednak inżynierowie szacują, że ogniwo, które trafi do seryjnej produkcji będzie ważyło znacznie mniej niż 100 kg.

Do napędu służy silnik elektryczny o mocy 180 kW (245 KM), umieszczony między tylnymi kołami. Na drodze (torze testowym BMW) auto zachowuje się jak ultrawyciszona limuzyna z ultrapłynnym automatem. Pracy silnika elektrycznego praktycznie nie słychać, natomiast podczas ostrego rozpędzania do kabiny dociera wyraźny syk – odgłos układu wydechowego.

Końcówka wydechu znajduje się pod podwoziem i parę wodną chwilami widać tak wyraźnie jak kiedyś spaliny. Przy pełnym gazie ogniwo paliwowe od zera do pełnej mocy „wstaje” w niecałą sekundę, więc opóźnienie w reakcji na gaz jest mniej więcej takie jak w wypadku turbodiesla. Średnie spalanie wodoru to około 1 kg/100 km, co, jeśli dobrze pamiętamy lekcje chemii, oznacza że co 100 kilometrów powstaje 9 litrów wody. 

Ogniwo paliwowe BMW	Ogniwo paliwowe BMW
POKŁADOWA ELEKTROWNIA...	...I JEJ OSPRZĘT
W tym małym pudełku zachodzą reakcje chemiczne, z których membrany ogniwa paliwowego wyciskają energię elektryczną. Jest to jak mała pokładowa elektrownia – im mocniej kierowca naciska na pedał gazu, tym więcej powstaje energii. Od zera do pełnej mocy ogniwo „rozpędza się” w niecałą sekundę.	Obładowane niezbędnym osprzętem – sprężarką, chłodnicą i filtrem powietrza, pompą wodoru, falownikiem, wzmacniaczem napięcia itd. – ogniwo paliwowe wygląda jak sporych rozmiarów silnik. Prototypowe urządzenie BMW waży 150 kg, jednak ogniwo gotowe do seryjnego zastosowania będzie mniej więcej o połowę lżejsze.

Sama ilość „spalin” nie sprawia więc żadnych problemów, pojawiają się one natomiast przy niskich temperaturach. Aby uniknąć zamarzania wody, BMW – podobnie jak Toyota w wypadku Miraia – ma system podgrzewania (tak jest!) układu wydechowego. 

Dodatkowo jest również system, który po zakończeniu jazdy odsysa wodę z całego układu napędowego – od ogniwa paliwowego po rurę wydechową. Kiedy na rynku pojawi się „po 2020 roku”, BMW na wodór na pewno nie będzie modelem serii 5 GT – stawiamy też, że żadnym spośród klasycznych BMW. Elektryczny napęd i ogniwo paliwowe nadają się natomiast idealnie, by powiększyć rodzinę spod znaku „i”. i5 na przykład?  

Nieprawdopodobnym kawałkiem techniki są zbiorniki wodoru, wykorzystujące dwie różne technologie.Pierwszy typ to zbiornik skonstruowany przez Toyotę – tankuje się do niego gaz pod ciśnieniem 700 barów. W prototypowym BMW 5 GT ten zbiornik mieści 5 kg wodoru, co daje zasięg około 500 km.

schemat zbiornika wodoru

Kriogeniczny zbiornik wodoru

Znajduje się pod tunelem środkowym, a jego mocowanie jest zintegrowane z konstrukcją nośną samochodu. Największe techniczne triki to izolacja termiczna oraz tzw. aktywna kontrola ciśnienia, z wymiennikiem ciepła znajdującym się bezpośrednio w zbiorniku. Potrafi przechować gazowy wodór zarówno „zwykły”, jak i taki w temperaturze -230 °C – w pierwszym wypadku pomieści 2,3 kg gazu, w drugim zaś aż 7,1 kg.

Natomiast drugi typ zbiornika jest rozwijany przez BMW, ma identyczną pojemność i dwukrotnie niższe ciśnienie tankowania (350 barów), jednak dzięki temu, że wodór jest przechowywany w ultraniskiej temperaturze -230 °C mieści się go aż 7 kg.

Żeby utrzymać tę temperaturę we wnętrzu zbiornika, między nim a zewnętrzną obudową jest próżnia, a do izolacji termicznej wykorzystuje się takie same materiały jak w satelitach. W ramach współpracy dwóch firm Toyota będzie miała dostęp do tej technologii.

Nad tym, czy wodór rzeczywiście stanie się masowym paliwem w samochodach przyszłości, wisi oczywiście stado znaków zapytania. Niektórzy, jak Toyota i BMW, uważają, że na dłuższą metę wodór to jedyne wyjście, a dokładnie, że świat samochodów podąży w kierunku z jednej strony aut elektrycznych, ładowanych z gniazdka, o niedużym, miejskim zasięgu, z drugiej zaś tych zasilanych ogniwem paliwowym – na dłuższe trasy. 

Wątpliwości są związane głównie z uzyskiwaniem wodoru, które dziś wymaga ogromnych porcji energii. BMW pokazuje tabelki, z których wynika, że świat po pierwsze wytwarza coraz więcej energii ze źródeł odnawialnych, po drugie zaś, iż jej nadmiar można pożytkować na „produkcję” wodoru – i wtedy całość zaczyna mieć sens. Tylko jeszcze trzeba to wszystko zrobić.