Na zawsze paliwo przyszłości
Andrzej Krajewski 02.12.2019

Czasami wystarczy jedna wada, by przekreślić wszelkie zalety. Wodór od dobrych stu lat powinien być dla ludzkości podstawowym paliwem, a być może nigdy tak się nie stanie.

 

Samochody napędzane ogniwami paliwowymi takie jak: Toyota Mirai, czy Hyundai Nexo, mają wszelkie atuty potrzebne, by zdominować światową motoryzację. Dzięki ogniwom paliwowym łączą w sobie doskonałość napędu elektrycznego z błyskawicznym tankowaniem paliwa do zbiornika, gdy tymczasem ładowanie baterii litowo-jonowych, bez szybkiej ładowarki, trwa wiele godzin. Do tego jeszcze ich zasięg po zatankowaniu to nawet 550 km. Dla aut elektrycznych pokonaniu takiej odległości na jednym ładowaniu to szczyty możliwości i to wtedy, gdy jest ciepło oraz sucho, bo każde ochłodzenie sprawia, że wydajność akumulatorów znacząco spada. Na dokładkę samochody napędzane ogniwem paliowym nie emitują dwutlenku węgla, a jedynym produktem reakcji, zachodzących w jednostce napędowej, jest czysta woda. Takie auta są doskonalsze zarówno od samochodów elektryczny, jak i tych napędzanych silnikiem spalinowym, lecz jeden szczegół sprawia, iż najpewniej pozostaną ślepą ścieżką motoryzacyjnej ewolucji. Wszystko dlatego, że ich paliwem jest wodór.

Najczęściej występujący we wszechświecie pierwiastek do miana paliwa przyszłości pretenduje już od 180 lat. Wówczas to car Mikołaj I zainteresował się koncepcją ogniwa paliwowego i zacząć sponsorować badania nad jego wykorzystaniem. Rok wcześniej angielskich prawnik William R. Grove, którego fascynowała fizyka, wpadł na pomysł, że skoro podczas elektrolizy prąd rozbija wodę na wodór i tlen, to połączenie obu pierwiastków, jako uboczny produkt powinno dać ładunek elektryczny. Wkrótce Grove zaprezentował światu proste ogniwo paliwowe. W szklanych pojemnikach zamknął osobno tlen oraz wodór, po czym połączył naczynia z elektrodami wykonanymi z platyny, zanurzonymi w zbiorniku z kwasem siarkowym. Gdy wodór docierał na anodę, a tlen na katodę wzbudzało to w kwasie (czyli ciekłym elektrolicie) przepływ ładunku elektrycznego. Dopóki dostarczano gazy do elektrod ogniwo produkowało prąd. Pomył ten błyskawicznie skopiował niemiecki uczony Moritz von Jacobi i zjawił się z nim na dworze w Petersburgu. Car Mikołaj I dał się przekonać do sfinansowania budowy łodzi, napędzanej silnikiem elektrycznym. Zasilał go prąd z ogniwa Grove’a. W dniu 13 września 1839 r. motorówka von Jacobi’ego na oczach cara i całego dworu przewiozła po Newie 14 pasażerów, pokonując w niecałą godzinę dystans trzech kilometrów. Przez moment wydawało się, że zebrani są świadkami początku zmierzchu maszyny parowej.

Mijały lata a ogniwo paliwowe, choć próbowało je ulepszyć kilku konstruktorów, okazywało się zbyt drogie (platyna to wyjątkowo rzadki metal) i za mało wydajne, by skutecznie konkurować z węglem. W drugiej połowie stulecie pojawiły się jeszcze wydajniejsze i wygodniejsze w użyciu paliwa uzyskiwane z ropy naftowej. Mimo to, na łamach wydanej w 1874 r. powieści „Tajemnicza wyspa” Jules Verne prorokował: „Przyjdzie dzień, gdy wodór i tlen, które razem tworzą wodę, będą użyte jako niewyczerpalne źródło ciepła i światła”. Wielki entuzjasta postępu technologicznego, jakim był francuski pisarz powinien mieć rację. Wodór stawała się coraz dostępniejszy, bo za sprawą rozwoju chemii udawało się go bez problemu pozyskiwać już nie tylko z wody ale też ropy naftowej oraz węgla (dwie ostatnie opcje wychodziły dużo taniej). Jednak przydawał się głównie do napełniania balonów i sterowców. Choć i na tym polu jego łatwopalność oraz wybuchowość sprawiły, iż został z czasem wyparty przez hel. Do tego jeszcze zauważono, że malutkie atomy wodoru potrafią przenikać przez nawet bardzo grube ściany metalowych zbiorników. Im bardziej wodór był sprężony, tym łatwiej ulatniał się z teoretycznie szczelnych miejsc. Ta wada sprawiła, że ponownie dostrzeżono w nim znakomite paliwo dopiero w dobie lotów kosmicznych.

Pracujący dla NASA niemiecki konstruktor Wernher von Braun, uznał, iż tylko wodór jest w stanie wynieść poza orbitę okołoziemską wielką rakietę nośną. Aby wyprawa na Księzy okazała się możliwa materiał pędny musiał zapewnić załogowemu statkowi kosmicznemu drugą prędkości kosmiczną (ok. 11 km na sekundę). Ale temperatura spalania wodoru nie pozwalała używać go już podczas startu. W zaprojektowanej przez zespół konstruktorów von Brauna rakiecie nośnej „Saturn V” pierwszy człon napędzały silniki wykorzystujące bezpieczniejszą mieszaninę nafty i ciekłego tlenu. Po starcie i jego odrzuceniu dopiero w drugim członie pracę podejmowało pięć silników, spalających w jedną sekundę 0,25 tony mieszanki wodoru i tlenu. Potem trzeci człon z tym samym napędem rozpędzał statek kosmiczny „Apollo” w stronę Księżyca. Bez wydajności energetycznej wodoru dotarcie tam byłoby niemożliwe. Wodór zapewnił też w pojazdach „Apollo” prąd. Ogniwa paliowe dla nich zaprojektował koncern Du Pont Chemicals. Ich serce stanowił Nafion. Są to membrany polimerowe (PEMFC), zbudowane ze szkieletu fluorowęglowego, umieszczonego na platynowej siatce, pełniącej rolę katalizator a zarazem zastępującej kwasowy elektrolit. Ogniwo takie w swym kształcie przypomina kanapkę. Wystarczy wprowadzić do niego tlen i wodór, by zaczęło wytwarzać prąd.

Program „Apollo” ponownie rozbudził zainteresowanie wodorem. Firma Mc Donnell-Douglas zaprojektował olbrzymi samolot pasażerski na 600 miejsc o masie startowej 570 t, napędzany silnikami odrzutowymi na skroplony wodór. Boeing odpowiedział planami przerobienia B-747 Jumbo Jet, tak aby napędzały go silniki wodorowe. Jednak na planach się skończyło, bo żaden materiał do budowy silnika nie wytrzymywał dłuższego użytkowania paliwa o tak wysokiej temperaturze spalania. Do tego jeszcze atomy wodoru uciekały nawet ze zbiorników z potrójną warstwą ochronną. W ciągu tygodnia potrafiło „zbiec” nawet 20 proc. paliwa.

Z kolei ogniwa paliwowe Du Pont Chemicals, które w 1967 r. koncern General Motors chciał zastosować w vanie z silnikiem elektrycznym były zbyt drogie (platyna), ciężkie, a ponadto za wolno zaczynały wytwarzać prąd, a potem zbyt długo trzeba było je wygaszać, jak na wymagania konsumentów. Silniki benzynowe i diesle okazywał się dużo tańsze w eksploatacji i wygodniejsze.

Nie poddały się wówczas jedynie japońskie koncerny motoryzacyjne. To im udało się zbudować bardziej szczelne zbiorniki paliwowe dla wodoru zarówno w formie lotnej, jak i skroplonej. W Japonii powstała też nowa generacja ogniw paliowych z membraną PEMFC. Dzięki niej, napędzana silnikiem elektrycznym Honda FCX, którą zaprezentowano publicznie pod koniec 2009 r. potrafi przejechać ok. 400 km i rozpędzić się do prędkości ponad 160 km na godzinę. Jednak wkrótce rolę lidera wśród aut wodorowych zaanektowała Toyota. Japoński koncern od lat udoskonalał napęd hybrydowy. Połączenie silnika spalinowego z elektrycznym pozwalało na bieżąco dopracowywać rozwiązania, tyczące się tego drugiego rodzaju napędu. Dzięki temu narodziła się Toyota Mirai. Pierwsze auto produkowane seryjnie, które napędzane jest silnikiem elektrycznym zasilanym przez ogniwo paliwowe. Japończycy mocno zmodyfikowali proces działania ogniwa, tworząc nowatorski system TFCS (Toyota Fuel Cell System). Zasila je wodór, tankowany do bardzo szczelnego zbiornika, a podczas jazdy wchodzi on w reakcję z powietrzem tłoczonym do ogniwa przez nawiew z przodu auta. W tak prosty sposób ogniowo otrzymuje tlen, po czym w efekcie reakcji powstaje prąd i woda. Taki samochód to spełnienie marzeń ekologów, a i kierowcy nie mają powodów do narzekań. Jednak diabeł jak zawsze siedzi w szczegółach. Dla każdego użytkownika rzeczą kluczową jest dostępność miejsc, gdzie można auto zatankować.

Do niedawna planowo otwarcie ok. 200 stacji wodorowych na terenie Unii Europejskiej do roku 2020. Najwięcej, bo 13, uruchomiono już w Norwegi. I właśnie tam w Sandvika pod Oslo 10 czerwca tego roku wyleciała w powietrze stacja, należąca do firmy Uno-X. Choć zmiotło dużą cześć jej zabudowań rany na szczęście odniosły jedynie dwie osoby. Natychmiast zamknięto pozostałem dwanaście stacji i rozpoczęto śledztwo. Po trzech tygodniach ogłoszono, iż winę za eksplozję ponosił nieszczelny zawór jednego ze zbiorników wodoru w magazynie wysokociśnieniowym. Do czasu zakończenia śledztwa właściciele aut napędzanych ogniwami paliwowymi musieli pogodzić się z odcięciem ich od możliwości tankowania.

I tu zaczyna się sprzężenie zwrotne. Koszt budowy jednej stacji wodorowej wynosi ok. 2 mln euro. Wymagają one wielkiej dbałości o jakość każdego elementu, żeby zapobiec „ucieczkom” wodoru oraz przestrzegania zaostrzonych procedur bezpieczeństwa. Tymczasem po świecie jeździ niecały tysiąc Toyot Mirai, a obawy konsumentów mogą sprawić, że zbytnio ich nie przybędzie. Nawet państwowe dotacje nie dają szansy, by budowa stacji wodorowej kiedykolwiek zamortyzowała się prywatnemu inwestorowi. A gdy miejsc do tankowania radykalnie nie przybędzie kierowcy zawsze wybiorą samochody z silnikami spalinowymi lub zasilane akumulatorami. Wodór zaś na kolejne stulecie pozostanie jedynie paliwem przyszłości.