Wyruszamy na wodorową autostradę

-- piątek, 28 listopad 2008

Otwory wentylacyjne w Equinox firmy Chevy wyposażonym w ogniwo paliwowe wodoru służą do chłodzenia (u dołu z lewej i z prawej) i zastępują światła przeciwmgielne w Equinox produkowanym przez GM.

Na początku maja spędziłem słoneczny ranek na przedmieściach Nowego Jorku, prowadząc pojazd wyposażony w ogniwo paliwowe (Fuel Cell Vehicle - FCV) czwartej generacji firmy General Motors. Przy rosnących cenach benzyny i zwiększającym się nagromadzeniu gazów cieplarnianych wprowadzenie choćby eksperymentalnych pojazdów FCV nie mogłoby odbyć się w bardziej dogodnej chwili. Jak dotąd, przedstawionych zostało ok. 45 modeli, wszystkie z nich eksperymentalne.

Wybrałem się do Centrum Szkoleniowego GM w Ardsley, NY, mieszczącego się nieco na północ od New York City. Samochód, o którym mówimy, to SUV Equinox firmy Chevrolet z 2008 r. wyposażony w ogniwo paliwowe 400, które zapewnia 93 kW mocy, zasilające trójfazowy napędowy silnik elektryczny o mocy 123 KM. Ze zbiornikiem pełnym wodoru — tak naprawdę Equinox posiada trzy zbiorniki — ten pojazd FCV posiada określony zasięg, wynoszący ponad 250 km, a czasem osiąga nawet 320 km. Byłem bardzo podekscytowany, że mogę prowadzić samochód przyszłości, który zapowiada uwolnienie nas od baronów ropy i który nie wytwarza CO2 ani NOx. Zanim ogłosimy uniezależnienie się od ropy, potrafię jednak realistycznie spojrzeć na podstawowe i powiązane ze sobą problemy techniczne i ekonomiczne, jakie pozostają nierozwiązane.

GM jest na dobrej drodze do opracowania pojazdów wodorowych. Firma ta zbudowała samochód 100 FCV Equinox we wspólnej z Suzuki fabryce w Ingersoll, Ontario, jako część operacji Operation Driveway, która ma na celu umożliwienie konsumentom, osobom znanym i mediom dostępu do pojazdów FCV. Połowa samochodów znajduje się w obszarze Los Angeles, a pozostała część została rozdzielona pomiędzy Ardsley i Washington. Pojazdy FCV firmy GM, które powstały przed modelem Equinox wyposażonym w ogniwo paliwowe, to EVI, FCV Zafira firmy Opel i Sequel firmy Chevy.

Equinoxa wyposażonego w ogniwo paliwowe prowadziło się doskonale i z przyjemnością przyjrzałem mu się z bliska. Wiele lat temu byłem właścicielem Blazer S-10, surowego, podobnego do ciężarówki pojazdu będącego dalekim przodkiem Equinox.

FCV Equinox posiada bezpośredni napęd z silnika na koła, bez przekładni. Wytwarza moment obrotowy o wartości 311 Nm. Oficjalnie GM twierdzi, że samochód przyspiesza od 0 do 100 km/godz w czasie krótszym, niż 12 sek. i osiąga maksymalną prędkość 160 km/ godz. Faktycznie tak jest, ale ten FCV przekraczał prędkość 160 km/ godz, a przyspieszenie od 0 do 100 km/godz zajmowało mu, według moich szacunków, 5 sek. Silniki elektryczne są bardzo potężne i ten zainstalowany w Equinox nie stanowi wyjątku. Przyspieszanie jest jednostajne i płynne. Wydaje się, że odbywa się w taki sam sposób przy 8 km/godz jak i przy 80 km/godz. Osobiście osiągnąłem maksymalną prędkość 136 km/godz, jadąc wraz z inżynierem GM Chrisem Colquitt i Lynch. Pomyślałem, że żaden policjant nie zatrzyma samochodu, który z zewnątrz udekorowany jest grafiką ogłaszającą, że posiada czysty mechanizm działający z wykorzystaniem wodoru.

Otwory, przez które wydostają się ekologiczne spaliny w postaci pary wodnej.

Equinox generuje znaczny hałas podczas jazdy, prawdopodobnie dlatego, że nie posiada silnika ze spalaniem wewnętrznym (ICE), który by go tłumił. Podczas pracy bez obciążenia słychać było jednostajny furkot powietrza i klikanie w momencie hamowania. Colquitt z firmy GM stwierdził, że furkotanie może być powodowane wodorem przemieszczającym się w przewodach, ze zbiorników umieszczonych z tyłu do ogniwa paliwowego, znajdującego się pod pokrywą komory silnikowej samochodu. W krótkim czasie, przez jaki mogliśmy korzystać z pojazdu, wymienione różnice pomiędzy modelem Equinox wyposażonym w ogniwo paliwowe i jego odpowiednikiem zasilanym benzyną nie były niczym więcej jak tylko drobnostkami. Poza mniejszym zasięgiem, uzupełnianiem paliwa i niepewnością co do niezawodności, zauważyć można jedynie kilka różnic. GM mówi, że okres eksploatacyjny ogniw paliwowych Equinox wynosi ok. 80 500 km. Jest to wynik, który będzie musiał być podniesiony do ponad 240 000 km, by model mógł wejść na rynek komercyjny. Equinox, którym jechaliśmy, miał na liczniku jedynie 4300 km.

Oprócz płynnej, niestopniowanej mocy skierowanej do przednich kół, najbardziej zauważalną różnicą w porównaniu z pojazdem napędzanym benzyną, którym przyjechaliśmy do Nowego Jorku, były hamulce. 75 procent zdolności hamującej w Equinox to hamowanie odzyskiem energii, co oznacza, że jest ono zapewniane przez opór silnika elektrycznego. Hamowanie z odzyskiwaniem energii przekazuje również moc z powrotem do akumulatora z wodorku niklu, służącego ogniwu paliwowemu 400 jako rezerwowy. Pedał wydawał się bardziej miękki, niż w przypadku konwencjonalnych hamulców ze wspomaganiem do chwili, aż wcisnąłem go mocno, by docisnąć płytki cierne do tarcz.

Łącznie przejechaliśmy ok. 110 km tym modelem Equinox, osiągając średni przejazd 75 km na jednym kilogramie paliwa, co stanowi równoważnik galona (3,78 l.) benzyny znany jako GGE. Nie jest to zły wynik dla 2,7-tonowego, czteroosobowego pojazdu zapewniającego obszerne miejsce na bagaż, jak na mały SUV. Departament Energii celuje w cenę 2-3 USD na kilogram bez opodatkowania.

Uruchamianie pojazdu odbywa się w taki sam sposób, jak w przypadku pojazdu konwencjonalnego. Kierowca obraca kluczyk i musi odczekać kilka sekund, by wodór zaczął być dostarczany ze zbiorników do ogniwa paliwowego. Wskaźniki na dwóch największych instrumentach — kilowaty x 10 oraz km/godz — wykonują szybki obrót o 180 stopni, i powracają do zera. Następnie można usłyszeć przemieszczanie się gazu poprzez przewody do ogniwa paliwowego. Pozostałe przyrządy to wskaźnik ilości paliwa, w tym przypadku wodoru, nie mający większego znaczenia wskaźnik temperatury, który stanowi pozostałość po masowo produkowanym modelu Equinox, typowy, cyfrowy licznik przebiegu samochodu oraz dane takie, jak mile na kilogram. Znajdujący się pośrodku deski rozdzielczej ekran LCD wyświetla typowe szczegóły stacji radiowej, elementy sterowania klimatyzacją i GPS, ale również animację wodoru przemieszczającego się do ogniw paliwowych, przekształcania wodoru z powrotem w wodę oraz elektronów przenoszonych do silnika.

Kolejną różnicę w wyglądzie zewnętrznym stanowią wloty powietrza umieszczone w miejscu, gdzie w modelu konwencjonalnym znajdują się światła przeciwmgielne. Mają one za zadanie chłodzić zespół silnikowy, który pracuje przy znacznie niższych temperaturach (60oC – 80oC), niż silnik spalania wewnętrznego. Chłodzenie stanowi techniczne wyzwanie, kiedy silnik pracuje przy temperaturze znacznie bliższej temperaturze powietrza otoczenia, mówi Colquitt.

Sposób działania ogniw paliwowych jest prosty. Najpierw cząsteczki wodoru pochodzące z wody są przekształcane w gaz, z wykorzystaniem elektryczności oddzielającej je od cząsteczki tlenu (H2O). Proces ten, znany jako elektroliza, może być przeprowadzany bezpośrednio na stacji paliw, w pracującej na dużą skalę fabryce lub nawet w garażu użytkownika, kiedy zostaną stworzone domowe urządzenia do takiej elektrolizy. Wewnątrz pojazdu gaz jest podawany do części anodowej ogniwa paliwowego, gdzie elektrony wodoru wytwarzają prąd elektryczny. W tym samym czasie protony wodoru przechodzą przez powleczoną platyną membranę do części katodowej ogniwa paliwowego, mieszają się z tlenem i zamieniają w parę wodną, która jest wypuszczana poprzez wydech pojazdu. Elektrony wodoru nie mogą przedostać się przez membranę i pozostają w części anodowej, by wytworzyć prąd. (Formalnie rzecz biorąc wodór nie jest paliwem. Jest to raczej nośnik energii, który może wytworzyć elektryczność).

Innymi słowy, ogniwa paliwowe w Equinox odwracają proces, który został rozpoczęty w urządzeniu do elektrolizy firmy Shell. Gdy większość gazu wodorowego pozyskiwana jest z gazu naturalnego z wykorzystaniem procesu znanego jako rozpad wody w reakcji SMR (steam methane reforming), może on zostać wyprodukowany praktycznie wszędzie, z zastosowaniem elektrolizy, przy użyciu wody i elektryczności pochodzącej z sieci lub źródła odnawialnego, takiego jak silnik wiatrowy. Urządzenie do elektrolizy firmy Shell wymaga od 55 do 80 kWh i ok. 2 l wody, by wyprodukować 1 kg wodoru, co równa się 1 galonowi benzyny (3,78 l.) jako gęstości energii.

Kilowaty x 10 stanowiłyby pożądany, nowy element zestawu przyrządów i wskaźników tablicy rozdzielczej każdego pojazdu.

Jednak urządzenia do elektrolizy na skalę masową w chwili obecnej są nieekonomiczne i zużywają masę energii. Mało prawdopodobne jest, by produkcja wodoru na miejscu w stacji paliwowej poradziła sobie z przewidywanym dla typowej stacji sprzedającej wodór na rynku masowym zapotrzebowaniem dziennym wynoszącym 1 500 kG.

Po usunięciu plastikowego panelu znajdującego się z prawej strony ogniwa paliwowego zobaczyć można nieprzebraną ilość kabli elektrycznych.

„Zatankowaliśmy” pojazd do 48,2 MPa, przy czym zbiornik był jeszcze wypełniony w połowie, w czasie 6-7 minut. Im wyższe ciśnienie, tym większa ilość wodoru może zostać sprężona w zbiornikach pojazdu. Ponadto pompa działa przy ciśnieniu 20,6 MPa w przypadku zbiorników o niższych wartościach znamionowych, niż zastosowane w samochodzie, ale opracowywane już są pompy pracujące przy ciśnieniu 68,9 MPa. Zbiorniki w Equinox mieszczą ok. 4,5 kG wodoru. Kabel elektryczny podłączany jest do gniazda tuż pod klamką tylnej klapy i przesyła dane na temat poziomu paliwa w zbiorniku do pompy. Podczas napełniania zbiornika czujnik podczerwieni bezustannie skanuje w poszukiwaniu obłoków wycieku lub gorąca. W przypadku wykrycia wycieku wodoru, natychmiast wyłączyłby on pompę.

Zamocowanie dyszy pompy okazało się pestką! Operator zdejmuje plastikową nasadkę z wlewu gazu podobnego do tego, jaki znajduje się na zbiornikach propanu wykorzystywanego do grillów. Następnie zatrzaskuje dyszę na zaworze wlewu i zabezpiecza ją na miejscu za pomocą kołnierza. Żeby było jasne, jest to strefa, w której nie wolno palić, ale pomimo że benzyna jest bardziej lotna, łatwiej ją również dostrzec i wykryć. Wodór jest bezbarwny, trudny do utrzymania w zamknięciu i bezzapachowy. Podczas nagrywania video Lynch musiała stanąć za szarą linią oddaloną o ok. 3,6 m, ponieważ w pobliżu otworu do tankowania nie mogą być używane urządzenia elektroniczne.

Pomimo wszystkich jeszcze nierozwiązanych kwestii, dobrze by było, żeby pojazdy FCV stały się rzeczywistością, szczególnie z powodu spalin. W chwili, gdy na emisje gazów cieplarnianych nakładane są obowiązkowe limity, pojazdy FCV staną się bardziej atrakcyjne i mogłyby zacząć pojawiać się na rynku w latach 2010 – 2012. Equinox posiada cztery otwory w tylnej części u dołu, poprzez które wydostają się spaliny z jednostki silnikowej w postaci pary wodnej. Jest to podobny kondensat, jaki wytwarzamy oddychając w zimnym powietrzu. Pojazdy FCV w ogóle nie wytwarzają NOX ani CO2, pomimo że podczas wykonywania obliczeń całkowitego bilansu emisji dwutlenku węgla od produkcji do spalenia w silniku auta otrzymuje się względnie niewielkie zanieczyszczenie. Na przykład, jeśli elektryczność jest pobierana z sieci, wiąże to wodór ze śladową ilością węgla.

Jestem wielkim entuzjastą idei pojazdów FCV i mam nadzieję, że producentom samochodów i elektrowniom uda się wprowadzić je w życie. Zakładając niezawodność, wygodę, dostępną cenę i kilka kompromisów względem pojazdów, zdecydowałbym się na zakup takiego pojazdu w jednej chwili.

dn


Płynna zmiana

Redaktorka strony internetowej Regina Lynch również wzięła udział w jeździe próbnej FC Equinox — oto jej wrażenia.

Pierwszą rzeczą, o jaką John Dodge zapytał mnie, kiedy usiadłam za kierownicą Equinox, było: jaką różnicę dostrzegam — i pierwsza rzecz, jaka przyszła mi do głowy, to „nic”. Oczywiście technologia i źródło zasilania pojazdu są rewolucyjne, a korzyści dla środowiska naturalnego niewiarygodne — ale prowadzenie z nastawieniem, z jakim przeciętny kierowca jedzie do pracy lub by obejrzeć mecz dzieci, nie było trudnym zadaniem.

Aby technologia ogniw paliwowych mogła przyjąć się na rynku samochodów, pojazd będzie musiał zająć miejsce wśród aut należących do głównego nurtu. Wybór GM, by wykorzystać uznany SUV Equinox, jako kandydata do zainstalowania ogniwa paliwowego, był trafiony. Podejmując decyzję dotyczącą zakupu pojazdu FCV, klienci będą brać pod uwagę nie tylko wartości ekologiczne czy ekonomiczne, ale również praktyczność pojazdu. Dla jednych, w samochodzie nadal pomieścić się musi sprzęt sportowy czy kampingowy. Inni, potrzebujący mniej miejsca, uważają, że skoro tę technologię można zastosować w pojeździe typu SUV, to na pewno uda się ją także dopasować do mniejszego samochodu. A przejście z benzyny na wodór musi być jak najbardziej płynne.

I taki właśnie jest ten wóz. Od razu zauważyłam niezwykłe przyspieszenie — a układ hamowania z odzyskiwaniem energii daje trochę inne odczucia, niż konwencjonalny. Ale jeśli chodzi o pozostałe kwestie, nie było konkretnej, wyróżniającej się cechy, która bezustannie przypominałaby mi, że prowadzę pojazd FCV. Uważam, że to wspaniałe, gdyby przystosować go do głównego nurtu na rynku.

Proces uzupełniania paliwa generalnie również jest podobny — zdjąć nasadkę, podnieść dyszę i napełnić. Jedno, co zauważyliśmy z Johnem podczas jazdy próbnej Equinox FC, to satysfakcja, z jaką śmigaliśmy obok stacji benzynowych w wozie napędzanym wodorem.

 

 

Więcej artykułów na temat wodoru jedynie na stronie internetowej

  • Czemu poza nielicznymi przedsiębiorstwami wydobycia ropy wszystkie pozostałe petrochemie stoją z boku?
  • Tworzenie rynku: DOE intensywnie angażuje się w wyzwania techniczne.
  • Jak wytwarza się wodór?
  • Video Equinox firmy Chevy napędzanego wodorowym ogniwem paliwowym
  • Fotografie
  • Ekskluzywne wpisy w blogu DN i kolumnach dotyczących wodoru