Najpierw nadejdą samochody na wodór

-- czwartek, 07 maj 2009

W drugiej kolejności pojawi się infrastruktura uzupełniania paliwa

Wózki widłowe, autobusy, ciągniki lotniskowe i automatyczne pojazdy magazynowe wykorzystują wodór już od lat. W rzeczywistości gigant gazu przemysłowego Air Products and Chemicals zaczął tankować wodór do autobusów w 1993 r. i od długiego czasu służy on posiadaczom pojazdów: od skuterów po łodzie podwodne.

Obecnie cała uwaga skupia się na samochodach napędzanych wodorem. Niewesołe perspektywy dotyczące taniej energii sprawiły, że na producentów samochodów wywierany jest duży nacisk, by opracowali pojazdy napędzane czystymi, wygodnymi w eksploatacji paliwami. Wodór jest mocnym zawodnikiem w tym wyścigu. Podczas gdy przedsiębiorstwa energetyczne nie przewidują powstania dla tych pojazdów realnego rynku co najmniej do 2015 r., producenci pojazdów napędzanych wodorem chcą rozpocząć ich sprzedaż, kiedy tylko usunięte zostaną możliwe do pokonania przeszkody techniczne i ekonomiczne. W końcu Henry Ford zaczął sprzedawać automobile na kilka lat przed zbudowaniem pierwszej stacji paliw w St. Louis w roku 1905.

Taki samochód wzbudzi w ludziach zainteresowanie, a to z kolei przyspieszy budowę stacji tankowania wodoru. Trudno zrobić interes na sprzedaży samochodów napędzanych wodorem, jeśli nie ma na nie popytu. Wszystko zależy od ilości – twierdzi Catherine Dunwoody, dyrektor wykonawczy California Fuel Cell Partnership (CFCP), grupy wsparcia. Bardzo ważne jest, by klienci zdobyli pozytywne doświadczenia i mogli wygodnie tankować pojazdy. Jak na razie, producenci pojazdów budują niewielkie parki aut przeznaczone do wypożyczania lub wynajmowania pionierskim klientom, osobowościom medialnym, czy osobom znanym.

Pojazdy FCV, podobnie jak Chevy Equinox, Honda Clarity, Hyundai Tuscon, czy Hydrogen 7 firmy BMW, znajdują się wśród ok. 45 samochodów zbudowanych do chwili obecnej. Pomimo głosów klientów domagających się tańszych i bardziej czystych alternatyw benzyny, wprowadzenie całkowicie nowej technologii potrwa lata, jeśli nie dziesięciolecia potrzebne do pokonania ogromnych technicznych i ekonomicznych przeszkód.

Przedsiębiorstwa samochodowe inwestują w to znaczne sumy pieniędzy, ale nadal nie zaangażowały się w temat w pełni, ani nawet nie uważam, że powinny – stwierdza David Greene, pierwszy autor wyczerpującej analizy zatytułowanej „Transition to Hydrogen FCVs & the Potential Hydrogen Energy Infrastructure” (Przejście na FCV napędzane wodorem i potencjalne wymagania związane z infrastrukturą energii wodorowej), wydanej w marcu. Raport podaje trzy scenariusze rynkowe (patrz tabela) obejmujące lata 2012 – 25 i zakładające, że wszystkie cele odnośnie kosztów i technologii wytyczone przez Departament Energii zostaną spełnione w odpowiednim czasie, co na razie nie ma miejsca.

DOE ze swojej strony przeprowadza badania techniczne, ale powstrzymuje się od wydawania zbyt daleko idących sądów dotyczących wodoru. Dostrzegamy sposoby przezwyciężenia wciąż istniejących przeszkód, ale nasza opinia na ten temat to nie gotowa recepta. Nie ma jednego właściwego rozwiązania – twierdzi JoAnn Milliken, dr i kierownik programu wodoru DOE.

Każdy ze scenariuszy uwzględnionych w raporcie Oak Ridge obejmuje m. in. również założenia dotyczące dotacji, ulg podatkowych i premii na FCV, sam wodór i infrastrukturę uzupełniania paliwa. Innym katalizatorem mogłoby być zobowiązanie do ustawowych limitów emisji gazów cieplarnianych. Kongres oraz kandydaci na prezydenta zapewniają o swoim poparciu, podczas gdy prezydent Bush wezwał jedynie do ustanowienia dobrowolnych limitów.

Wygląda na to, że zobowiążemy się do 70-procentowego ograniczenia emisji do 2050 roku, a to będzie wymagało zmiany na wodór lub elektryczność podstawowego źródła zasilania lekkich samochodów. Kto wygra wyścig — ogniwo paliwowe, czy akumulator? Oba te sposoby zasilania mają jeszcze przed sobą długą drogę, zanim będą mogły konkurować z silnikiem hybrydowym wewnętrznego spalania. Jeśli nastąpi przełom w zakresie akumulatorów, pojawią się pojazdy podłączane do sieci. To nie zawody – dodaje Greene. W każdym ze scenariuszy — dotyczącym akumulatorów i wodoru — poczyniono następne istotne i ryzykowane założenie: wykorzystywana w nich elektryczność pochodzić miałaby z odnawialnych i nie zanieczyszczających źródeł.

Producenci samochodów muszą również stawić czoło wyzwaniom spoza obszaru technicznego. Na przykład, trzeba będzie stworzyć całkowicie nowy i wydajny łańcuch zaopatrywania. Koszty spadną, kiedy dojdzie do produkcji masowej, ale należy rozwiązać kwestie zaopatrzeniowe. Należy zbudować całą bazę zaopatrywania – stwierdza Dunwoody. Obecnie wielu dostawców podstawowych komponentów to małe firmy, które nie mogłyby sprostać produkcji milionów części bez poniesienia dużych inwestycji i ogromnego rozwoju.

Zauważyła ona również, że pierwsi odbiorcy musieliby zostać przeszkoleni w zakresie dynamiki wodoru. CFCP „przeszkoliło” 1 700 pierwszych odbiorców w Kalifornii na temat wodoru, a DOE ustanowił program, w toku którego mają oni być szkoleni. Pomimo przeszkód producenci samochodów nie rezygnują z pojazdów wodorowych. Poniżej opisane zostały trzy różne FCV (Equinox firmy Chevy uwzględniony został szczegółowo w osobnym artykule Design News Polska).

Clarity firmy Honda

Honda zbudowała Clarity od podstaw i przedstawiła go na Detroit Auto Show w styczniu. Firma planuje przeznaczyć 200 pojazdów do wynajmowania w południowej Kalifornii za 600 USD miesięcznie, w związku z czym Clarity może być postrzegany jako model ograniczony komercyjnie. Zastosowany silnik elektryczny generuje 134 KM i jest zasilany ogniwem paliwowym V-Flow firmy Honda wytwarzającym moc 100 kW. Samochód ten ma jedne z bardziej imponujących osiągów, np. zasięg do 450 km. Firma Honda twierdzi, że jest on dwukrotnie bardziej wydajny niż silnik hybrydowy i trzykrotnie wydajniejszy od silnika benzynowego.

Obecne silniki hybrydowe są świetne, ale nie jest to sposób na zapewnienie sobie bezpieczeństwa energetycznego. Ropę trzeba zastąpić alternatywami – twierdzi kierownik programu Clarity, Steve Ellis. Kluczową kwestią jest to, że nawet w przypadku wodoru uzyskiwanego z gazu naturalnego otrzymujemy 60-procentową redukcję emisji CO2 w całym procesie pozyskiwania i wykorzystania.

Podobnie jak GM, Honda musi zmniejszyć koszty produkcji FCV i zwiększyć jego wytrzymałość. Prezes zarządu firmy Honda, Takeo Fukui, niedawno powiedział w Wall Street Journal, że w chwili obecnej konstrukcja samochodu kosztuje dziesiątki milionów jenów, a musi ona spaść poniżej 10 milionów jenów, czyli 92 000 USD.

Pojazd jest zbyt drogi, a klient firmy Honda byłby rozczarowany, gdyby samochód zdolny był do przejechania jedynie 160 000 km. Musi on być co najmniej tak dobry, jak tradycyjne pojazdy i oprócz tego posiadać oszałamiający wygląd – dodaje Ellis.

Tankowanie do pełna zajmuje jedynie kilka minut, podczas gdy uzupełnienie połowy zbiornika Equinox FCV firmy Chevy zajmowało ok. 7 min. Czas potrzebny do napełnienia zbiornika paliwa może wystawić na próbę cierpliwość klienta. Na pytanie o to, kiedy utworzy się rynek masowy, Ellis wypowiedział się z taką samą ostrożnością, co pozostali udziałowcy.

Jest to pytanie za 48 miliardów dolarów. Przejście na całkowicie nową technologię to ryzykowany interes – nadmienia Ellis. Rewolucja przemysłowa rozpoczęła się 150 lat temu i dopiero teraz dobiega końca. Każda nowa technologia potrzebuje czasu. Wszystko trwa. Wodór przeszedł większy rozwój, niż ktokolwiek mógłby przypuszczać 10 lat temu.

Hydrogen 7 firmy BMW

W przypadku Serii 7 BMW obrała inną drogę w dwóch kwestiach. Inżynierowie BMW zdecydowali się na silnik wewnętrznego spalania oraz na ciekły wodór jako paliwo, podczas gdy większość producentów samochodów wykorzystuje ogniwa paliwowe i wodór w postaci gazu. Samochód może być również napędzany benzyną, a jeśli rynek okazałby się gotowy, można szybko uruchomić jego produkcję.

Uważamy, że konieczna jest możliwość korzystania z istniejących paliw w połączeniu z wodorem. Drugim powodem jest bardzo dobre dopracowanie silników spalania wewnętrznego. Ich produkcja, naprawa, konserwacja i wydajność są dobrze znane w przemyśle samochodowym – stwierdza Tom Baloga, wiceprezes działu technicznego firmy BMW North America. Silnik wodorowy może zostać tak dopracowany że stanie się niewiarygodnie wydajny.

Inną kluczową kwestią konstrukcyjną dla firmy BMW jest sposób przechowywania wodoru. Zbiornik pojazdu Hydrogen 7 obecnie mieści 10 kg, zapewniając silnikowi o mocy 260 KM zasięg jedynie 200 km w porównaniu z 250, które stanowią cel postawiony przez DOE na przyszły rok. Samochód wyposażony jest również w zbiornik 74-litrowy przeznaczony na benzynę oraz w zbiornik o pojemności 8 kg przeznaczony na ciekły wodór.

Najbardziej znaczącą kwestią, jeśli chodzi o koszty, jest superizolowany zbiornik (na wodór). Jeśli do zbiornika włożymy filiżankę gorącej kawy, po trzech miesiącach wciąż będzie ciepła. By zapobiec wzrostowi temperatury płynnego wodoru, konieczna jest superizolacja. Jest on przechowywany w temperaturze -268º C – dodaje.

Zbiornik ma płaszcz ze stali nierdzewnej z otworem o średnicy 25 mm utrzymującym folię ze stali nierdzewnej w próżni, która według Baloga jest równoważna 15 m izolacji styropianowej. Wodór jest pobierany z górnej części zbiornika, gdzie zaczął już zamieniać się w gaz, a następnie jest on podgrzewany w szeregu przewodów w drodze do silnika.

Uszczelnienie jest istotne, ponieważ wodór ciężko utrzymać w zamknięciu, ale przechowywanie go nie jest bardziej niebezpieczne od przechowywania benzyny – twierdzi Baloga.

BMW pracuje nad ogniwami paliwowymi, pomocniczymi urządzeniami zasilającymi i dostarczającymi elektryczności, gdy na przykład silnik jest wyłączony. Baloga niechętnie zgaduje, która technologia wygra, czy podstawowym źródłem zasilania stanie się znany już rodzaj energii, czy ogniwa paliwowe. Nie powinniśmy wybierać wygranych i przegranych, ponieważ nie chcemy wykluczać innych technologii.

Dostępne są komputery Mac i PC, kable i anteny satelitarne, odtwarzacze iPod i MP3. Ale wodór wydaje się najbardziej obiecującym nośnikiem energii w przyszłości.

Infrastruktura wodorowa zaopatrująca FCV często jest postrzegana podobnie jak problem jajka i kury: które z nich pojawi się pierwsze. Baloga ujmuje to nieco inaczej. Tak naprawdę chodzi o kurę i jedzenie.

Podobnie jak BMW, Mazda nie ma pewności co do FCV i zamiast tego zdecydowała się na zastosowanie wodoru w silnikach wewnętrznego spalania. Obrotowy silnik w samochodzie sportowym Hondy RX-8 może być napędzany wodorem lub benzyną.

Tuscon i i-Blue firmy Hyundai

We wrześniu zeszłego roku Hyundai pokazał swój pojazd FCV i-Blue, który został przez firmę zbudowany od podstaw i przypomina Clarity firmy Honda. Jedną z najbardziej charakterystycznych cech samochodu jest jego niesamowity zasięg 595 km – dwukrotnie większy od zasięgów większości pozostałych pojazdów FCV. Ponadto, obiecuje on jazdę z prędkością do 160 km/godz.

Projektowanie pojazdu od podstaw pozwala na dużą elastyczność konstrukcji. Można niemal wybebeszyć przednią część samochodu – twierdzi Todd Suckow, starszy inżynier firmy Hyundai America Technical Center.

Hyundai wykonał również udoskonalenia w małym parku pojazdów SUV Tucson, które będą działać na małych obszarach wokół Kalifornii w ramach drugiej generacji FCV. Hyundai nawiązał współpracę z firmą UTC Fuel Cells, która zbudowała ogniwo paliwowe zastosowane w pojeździe, firmą Chevron, która jest dostawcą wodoru, oraz z firmą Dynetek Industries, która zbudowała mieszczący 40 galonów zbiornik na wodór wykorzystany w pojeździe. Pojazd pochwalić się może zasięgiem do 300 km i górną prędkością wynoszącą prawie 150 km/godz.

Wielkie wyzwanie stanowiło zbudowanie samochodu od podstaw, ale z wykorzystaniem przy tym istniejącej platformy – dodaje Suckow. Dopasowanie trzech zbiorników wodoru do miejsca przeznaczonego na jeden zbiornik benzyny, to wyzwanie. Podobnie jak i chłodzenie zbiornika paliwa, który wymaga większej chłodnicy.