Auta wodorowe przyszłością motoryzacji?

Zaledwie dekadę temu na rynku motoryzacyjnym zadebiutowała Tesla Roadster rozpoczynająca kolejny, wreszcie udany, powrót aut elektrycznych. Tak, kolejny, ponieważ po zakończeniu pierwszej wojny światowej, kiedy napęd elektryczny, a jeszcze wcześniej parowy zostały wyparte z rynku przez auta z silnikami spalinowymi, samochody elektryczne próbowano wskrzesić co najmniej dwa razy. Najpierw bardzo ekstrawaganckimi modelami po pierwszym kryzysie naftowym w latach 70. XX w. i ponownie w latach 90. XX w. podobnie nieudanym modelem GM EV 1.

2019-11-05 12:25:27
Poziom :

Z raportu Global Electric Vehicle Outlook z 2019 r. wynika, że łączna liczba elektrycznych samochodów osobowych zasilanych wyłącznie z akumulatorów (BEV – Battery Electric Vehicle) wzrosła z około 5000 w 2008 r. do aż 3,3 mln w 2018 r.! Do tego można doliczyć ponad 1,3 mln aut hybrydowych z wtyczką (PHEV – Plug in Hybrid Electric Vehicles), choć jeszcze w 2009 r. takie pojazdy na rynku motoryzacyjnym nie występowały.

Walka z argumentami

Mimo powyższych danych, wciąż nie brakuje kontestatorów tej idei, powątpiewających w funkcjonalność samochodów napędzanych silnikami elektrycznymi, którzy wskazują, że to przejściowa moda, a ich udział w sprzedaży jest tylko małą kroplą w morzu aut spalinowych. Dodatkowo oponenci stawiają tym autom liczne zarzuty, przede wszystkim:

  • małe zasięgi, oscylujące w większości w okolicach 200–300 km,
  • niewielką liczbę punktów ładowania, zwłaszcza stacji szybkich ładowarek,
  • długi czas ładowania,
  • krótki okres życia akumulatorów samochodowych i ich spadającą pojemność,
  • istotnie większą masę niż spalinowych odpowiedników, co zwłaszcza w przypadku samochodów dostawczych i ciężarowych znacząco ogranicza ich ładowność lub zasięg,
  • szkody środowiskowe powstałe przy wydobyciu niezbędnych surowców, a także przy produkcji i utylizacji samych akumulatorów,
  • wysoką cenę zakupu,
  • oraz pośredni zarzut – w wielu krajach prąd produkuje się głównie z brudnego węgla, co w efekcie jest jeszcze bardziej szkodliwe środowiskowo niż eksploatacja nowych samochodów spalinowych.

Oceniając na chłodno, wątpiącym trzeba przynajmniej w kilku punktach przyznać rację, choć niektóre zarzuty w miarę rozwoju rynku słabną, a inne są już dziś bezzasadne, zwłaszcza te, które odnoszą się do sieci publicznych punktów ładowania, która rozwija się niezwykle dynamicznie. W 2018 r. przybyło ich na świecie ponad 100 000 i na koniec ubiegłego roku ich liczba wynosiła ponad 0,5 mln, z czego blisko 150 000 stanowiły szybkie ładowarki. Na przykład we Francji i w Niemczech było ponad 20 000 takich urządzeń w każdym z krajów, a w małej Holandii aż 36 000, z czego blisko 1000 to szybkie ładowarki. Przy odpowiednio gęstej sieci, zwłaszcza szybkich i tworzonych obecnie ultraszybkich ładowarkach o mocy sięgającej nawet 450 kW, ładowanie jest bardzo szybkie i ograniczony zasięg przestanie być istotną wadą. Coraz mniejszym problemem są wyeksploatowane akumulatory, które można przerobić na domowe magazyny energii bez nadmiernej szkody dla środowiska naturalnego[1], pamiętając oczywiście o niemałym śladzie ekologicznym powstającym przy ich produkcji. Ślad ten będzie niestety coraz większy ze względu na szybko rosnący popyt na akumulatory i konieczność wydobywania coraz większej ilości niezbędnych surowców, zwłaszcza litu, kobaltu i metali ziem rzadkich. Ograniczona podaż tych pierwiastków i ich geograficzne skupienie w zaledwie kilku państwach będzie rodzić polityczne tarcia istotnie wpływające na poziom ich cen.

Choć zmienia się obraz światowej energetyki i produkcja energii elektrycznej staje się coraz niżej emisyjna, to jednak wciąż, zwłaszcza w odniesieniu np. do Polski ostatni zarzut pozostaje w mocy. Dlatego też coraz częściej uwagę kieruje się na kolejne alternatywne paliwa i napędy. Niektórzy optują za większym wykorzystaniem gazu ziemnego w postaci LNG i CNG lub biogazu, jednak znacznie większe zainteresowanie budzi wodór, który dla bardzo wielu wydaje się być wymarzonym paliwem przyszłości. Wielu komentatorów wskazuje, że podobnie przełomowa, jak Tesla dla aut elektrycznych, dla pojazdów zasilanych wodorem okaże się Toyota Mirai.

Zalety wykorzystania wodoru

Wodór jest najbardziej rozpowszechnionym pierwiastkiem we wszechświecie, mimo to na Ziemi nie występuje w stanie wolnym i chcąc go wykorzystać w ogniwach paliwowych[2] do produkcji prądu zasilającego silniki samochodów (FCEV – Fuel Cell Electric Vehice), należy go wytworzyć. Niemal całość współczesnej produkcji wodoru szacowanej na nieco ponad 40 mln t rocznie pochodzi z przerobu paliw kopalnych, głównie gazu ziemnego. Pomijając oczywisty fakt, że proces reformingu parowego metanu uszczupla i tak coraz uboższe zasoby paliw kopalnych, wymaga on znacznych ilości energii, a co najgorsze –  wyprodukowanie każdego kilograma wodoru pociąga za sobą emisję 5,5 kg CO2. W przypadku wykorzystania węgla jako surowca wsadowego emisja gazów cieplarnianych jest dwukrotnie wyższa.

Możliwe jest znacznie mniej emisyjne uzyskiwanie wodoru na drodze hydrolizy (rozbijania prądem cząsteczek wody), ale jest to sposób jeszcze bardziej energochłonny niż reforming parowy. Przemysłowe stosowanie hydrolizy wymaga zużycia co najmniej dwa razy więcej energii niż zawiera otrzymany wodór, który prawdę powiedziawszy, jest nie tyle źródłem, co nośnikiem energii. Stąd też planuje się stosowanie hydrolizy na szerszą skalę jedynie przy wykorzystaniu okresowych nadwyżek taniej energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych, głównie wiatru i słońca. Jest to bardzo dobra koncepcja, tylko… ma dwie wady. Po pierwsze wydaje się, że lepiej w takich warunkach kierować prąd wprost do pojazdów elektrycznych lub ładować stacjonarne magazyny energii, a po drugie wciąż poziom nasycenia energetyki OZE jest niski i takie okresy nadpodaży pojawiają się rzadko.

Uzyskany wodór trzeba zmagazynować i przetransportować. I tu pojawiają się kolejne problemy. Wodór jest silnie wybuchowy, a jego cząsteczki są bardzo małe, dlatego zbiorniki muszą być wyjątkowo szczelne i wyposażone w specjalne powłoki. Ponadto aby cieszyć się jego wysoką zawartością energetyczną (prawie trzy razy większą niż benzyna lub olej napędowy na jednostkę masy), należy go skompresować pod wysokim ciśnieniem, zazwyczaj 350 lub 700 barów, przez co zbiorniki stają się bardzo ciężkie i ze względu na użyte materiały (np. włókno węglowe) znacznie droższe niż typowe zbiorniki na paliwa ropopochodne. Zbiornik w Toyocie Mirai waży aż 87 kg, a zatankować do niego można tylko 5 kg wodoru.

Stąd też budowa stacji wodorowych jest droższa niż konwencjonalnych. IEA (International Energy Agency) w 2015 r. szacowała, że postawienie nawet niewielkiej stacji o możliwościach zatankowania 200 kg wodoru dziennie (ekwiwalent 40 Toyot Mirai zatankowanych do pełna) kosztuje od 1,5 do 2,5 mln dolarów. W przypadku większych koszt ten szybko rośnie, ponieważ sam zbiornik mieszczący 1000 kg ciekłego wodoru to wydatek około 1 mln dolarów. Nawet upowszechnienie się stosownych technologii i rosnąca dojrzałość rynku nie spowoduje drastycznego spadku tych kwot.

Także dystrybucja wodoru jest znacznie bardziej wymagająca i kosztowna, chociażby z powodu wspomnianej masy zbiorników na wodór, które sprawiają, że typowa cysterna do jego przewozu zabiera tylko 400 kg (tankowanie około 80 aut), podczas gdy jej odpowiedniczka do przewozu paliw płynnych dostarcza paliwo dla około 700 aut osobowych.

Z powyższych względów, mimo dużego przyspieszenia rozwoju tego rynku w UE w 2019 r., kiedy w ciągu zaledwie trzech kwartałów powstało 78 nowych stacji wodorowych, jest ich w sumie zaledwie 125 na obszarze blisko 4,5 mln km2. Najwięcej w Niemczech – 75, następnie w Wielkiej Brytanii – 14 i we Francji – 12. W Europie Środkowej i Wschodniej jest tylko jeden taki punkt w Neratovicach niedaleko czeskiej Pragi (ryc. 3). W Polsce istnieją jedynie plany rozwoju sieci tankowania wodoru. W 2018 r. Instytut Transportu Samochodowego ogłosił zamiar wybudowania 30 stacji do 2030 r. Nie jest to wiele w porównaniu do wciąż nielicznych punktów ładownia prądem, których jest w Polsce blisko 850, w tym 265 szybkich, nie wspominając już o konkurowaniu z tradycyjnymi stacjami paliw, których jest w naszym kraju około 6000.

Ile jest pojazdów na wodór w Europie

Ubogość sieci do tankowania wodoru nie powinna dziwić, kiedy zestawi się te dane z liczbą modeli aut zasilanych wodorowymi ogniwami paliwowymi i całkowitą liczbą takich pojazdów eksploatowanych w UE. Według European Alternative Fuel Observatory na europejskim rynku są dziś dostępne jedynie cztery modele – Toyota Mirai, Hyundai ix35 FCEV, Hyundai Nexo oraz Honda Clarity FCEV, a całkowita ich liczba w drugiej połowie 2019 r. wynosiła nieco ponad 800. Najwięcej, bo aż 358, zarejestrowano Toyot Mirai. Drugi pod względem popularności był Hyundai ix35 FCEV (275 sztuk). W bieżącym roku największym zainteresowaniem cieszył się Hyundai Nexo, którego nabyto 139 sztuk (wszystkich sprzedanych w tym roku aut tego typu było 275).

Hyundai Nexo to średniej wielkości SUV zastępujący przestarzały już model ix35 FCEV, który wprowadzono do sprzedaży w 2013 r., choć prace nad nim trwały od 1998 r. Podobnie było w przypadku Toyoty Mirai, która zadebiutowała w grudniu 2014 r. po aż 22 latach prac wdrożeniowych. Hyundai Nexo wyposażony jest w silnik elektryczny o mocy 120 kW, przyspieszający do 100 km/h w nieco ponad 9 s, a jego prędkość maksymalna to 179 km/h przy masie własnej nieco ponad 1,8 t. Nie są to porywające parametry. Hyundai chwali się natomiast zasięgiem wynoszącym 666 km (wg WLTP). Nie można tego jednak uznać za wielki wyczyn. Wynik ten jest porównywalny z zasięgiem Toyoty Mirai (do 500 km), jeśli weźmie się pod uwagę, że zbiornik Toyoty mieści 5 kg wodoru, a Hyundaia – 6,5 kg. To oznacza, że oba modele zużywają przynajmniej 1 kg wodoru na 100 km przebiegu.

Ceny i koszty aut wodorowych 

Czy zakup takiego samochodu może być opłacalny? Niestety Hyundai wciąż jest nie do kupienia w Polsce, a jego cena mocno różni się na poszczególnych rynkach, na co wpływ mają m.in. krajowe dopłaty do pojazdów niskoemisyjnych. Niemniej jednak jego zakup w Niemczech pociąga za sobą wydatek co najmniej 64 000 euro, czyli około 280 000 zł. Sporo, zważywszy, że podobny gabarytowo spalinowy Hyundai Santa Fe jest o 110 000 zł tańszy, nie wspominając nawet o nieco mniejszym modelu Tucson, tańszym nawet o 200 000 zł. Nie sposób porównać wszystkich kosztów serwisu i eksploatacji tych modeli, bowiem brakuje szczegółowych danych. Niemniej jednak warto zwrócić uwagę, że koszty ubezpieczenia AC będą wyższe dla wersji wodorowych, ze względu na ich znacznie wyższą wartość. Koszty tankowania będą natomiast dość podobne, ponieważ koszt zatankowania 1 kg wodoru w Niemczech wynosi ok. 10 euro, co pozwala jak już ustaliliśmy przejechać do 100 km (zużycie paliwa spalinowego Santa Fe wynosi od 7 l/100 km w górę).

Należy również uwzględnić żywotność ogniw paliwowych. Nie jest ona zbyt wysoka, podobnie jak akumulatorów litowo-jonowych w autach elektrycznych. Te stosowane w modelu Mirai powinny pracować przez 5000 h. Wydaje się to dużo. Warto jednak pamiętać, że typowy samochód osobowy użytkowany przez osobę fizyczną eksploatowany jest średnio przez około 1,5 h dziennie, czyli przez około 550 h rocznie. A zatem konieczność ich wymiany nastąpi po nie więcej niż 10 latach eksploatacji, to tylko nieco dłużej niż obiecują producenci znacznej części aut z akumulatorami litowo-jonowymi.

Co może zatem skłonić do zakupu auta na wodór? Z pewnością troska o stan środowiska naturalnego, bowiem są to auta znacznie mniej emisyjne niż spalinowe. Przyjmując podane wcześniej wartości emisji przy produkcji wodoru z gazu ziemnego uzyskujemy co najmniej 55 g CO2/km dla Nexo, i około trzy razy wyższą emisję a w przypadku spalinowego Santa Fe. Samochody zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi nie emitują żadnych innych szkodliwych substancji, są też znacznie cichsze, podobnie jak wszystkie auta elektryczne. Niemniej jednak ich pasjonaci będą musieli jeszcze poczekać z zakupem i jazdą po Polsce, ponieważ otwarcie dwóch pierwszych stacji wodorowych w Gdańsku i Warszawie Lotos zaplanował najwcześniej na 2021 r.

Autorem tekstu jest dr Hubert Igliński. Artykuł ukazał się w Magazynie Flota 10/2019.

 


[1] H. Igliński, Drugie życie baterii samochodów elektrycznych, „Flota” lipiec–sierpień 2018, s. 56–59.

[2] Można go też spalać w komorze silnika jak inne paliwa ciekłe, ale jest to metoda mniej efektywna niż ogniwa paliwowe.

patroni merytoryczni
  • ITS
  • SKFS
  • PZWLP
  • Piszcz i Wspolnicy
  • PZPM
  • PGM
  • PZPO
  • GFP Legal
  • PSPA
  • SPRM
  • ZPL
  • Partnerstwo dla bezpieczenstwa drogowego
ZNAJDŹ NAS: