Na podstawie artykułu N. G. Kiryłłow „Wodorod – motornoje topliwo XXI wieka”, Energetika i Promyszlennost Rossii

Wyczerpywanie zasobów ropy naftowej na świecie zmusza odbiorców tego surowca do stopniowego zastępowania go innymi rodzajami paliw. Tendencja ta w pierwszym rzędzie dotyczy motoryzacji, która coraz śmielej przechodzi na gaz ziemny. Już teraz skroplony gaz ziemny jest znacznie tańszy od benzyny i w przyszłości różnica ta będzie się powiększać. Mimo wyraźnych ekologicznych i ekonomicznych korzyści ze stosowania paliwa gazowego, konstruktorzy samochodów prowadzą zaawansowane badania nad jego zastąpieniem przez jeszcze czystszy nośnik, jakim jest wodór. Pomyślne perspektywy utylizacji paliwa wodorowego w wielu gałęziach gospodarki, wynikające również z przewidywanego wyczerpywania ziemskich zasobów gazu ziemnego po 2070 r., sprawiły, że obecnie najbardziej rozwinięte kraje wydają miliardy dolarów na badania naukowe i doświadczalne w tym zakresie.

Poważnym problemem zastosowania wodoru do napędu pojazdów jest wybór sposobu jego przechowywania przy silniku. W normalnych warunkach wodór zajmuje około 3 tysiące razy większą objętość niż benzyna o tej samej wartości energii spalania. Dlatego na pokładzie samochodu nośnik ten można wykorzystać jako gaz pod wysokim ciśnieniem, w postaci skroplonej w bardzo niskiej temperaturze lub używać w ogniwach paliwowych. Jednak nawet sprężony do 700 atm wodór nadal zajmuje 7,5 raza większą objętość od równoważnej mu energetycznie ilości benzyny, a przy tym wzrasta masa pojazdu. W stanie ciekłym w temperaturze 20 K jego objętość jest kilkukrotnie mniejsza – w dostępnych aktualnie zbiornikach o pojemności odpowiadającej bakowi na benzynę mieści się ilość skroplonego wodoru zapewniająca przebieg 500 km.

Właśnie dlatego konstruktorzy pojazdów skłaniają się ku takiemu wariantowi wykorzystania tego nośnika napędowego. Z roku na rok w krajach uprzemysłowionych zapotrzebowanie na ciekły wodór wzrasta o około 5%; w USA wytwarza się go blisko 120 tys. ton rocznie z przeznaczeniem dla napędu rakiet (15%), chemii (37%), metalurgii (21%), elektroniki i innych branż. Powszechnie stosuje się przechowywanie wodoru w postaci związków tj. wodorków metali, jednak sposób ten ustępuje wyraźnie pod względem objętości właściwej jego skroplonej postaci. W prototypach samochodu przyszłości firmy „Ford” siedem kilogramów ciekłego wodoru zapewnia pokonanie trasy 500 km (model „Ford U” z silnikiem 4-cylindrowym o pojemności 2,3cm sześc.). Zbiornik z paliwem nie zajmuje więcej miejsca niż w innych pojazdach tego wytwórcy, a samochód rozwija dostateczną moc 118 KM.

W połowie lat 90. ubiegłego wieku duże nadzieje wiązano z wykorzystaniem ogniw paliwowych w pojazdach o napędzie elektrycznym. Duża atrakcyjność koncepcji wynikała z szeregu zalet tej technologii, m.in. braku części ruchomych i wyeliminowania spalania (jedynym produktem przemiany energetycznej jest para wodna). Dopiero później ujawniły się istotne wady ogniw paliwowych, a mianowicie - oprócz znacznej masy - są nimi: wysoki koszt i relatywnie krótki czas pracy (niedostateczna żywotność). Dla przykładu amerykański prototyp samochodu dostawczego „HydroGen3” kosztował około 1 mln dolarów. Ponadto w żadnej aplikacji nie udało się osiągnąć nawet połowy teoretycznej sprawności ogniw paliwowych wynoszącej 70%. Ekonomiści oceniają, że dla powszechnego zastosowania tych elementów w transporcie samochodowym ich cena powinna zmniejszyć się z obecnego przedziału 5-10 tys. USD/kW do poziomu 200 USD/kW. Dalszy rozwój tej technologii zależy od obniżenia zużycia kosztownych metali (platyny) koniecznych do wyrobu katalizatorów, a także drogich błon perforowanych (membrany). Ponieważ pokonanie tych barier będzie wymagać nowych, przełomowych odkryć i wynalazków, wielu amerykańskich naukowców kwestionuje celowość przyjętego przez rząd tego kraju kursu na opracowanie i realizację serii samochodów o tym napędzie. Sceptycy utrzymują nawet, że technologia ogniw paliwowych zbliża się do kresu swych możliwości oraz że obecnie rozwija się ona jedynie ze względu na swe unikalne walory ekologiczne.

Większe szanse przyznaje się innemu sposobowi wykorzystania wodoru w transporcie, a mianowicie jego użyciu w silnikach wewnętrznego spalania. Tacy producenci jak „BMW”, „Ford” i „Mazda” - zamiast stosować kosztowne ogniwa paliwowe - starają się przystosować istniejące silniki do pracy na bazie wodoru. W pierwszej z tych firm skonstruowano model „745H”, w którym wodór spalany jest tak jak propan-butan czy gaz ziemny w silnikach gazowych. Wodór, przez specjalne palniki sterowane elektronicznie, dostarczany jest do cylindrów. Dzięki użyciu zubożonej (2,5-krotnie) mieszanki wodorowo-powietrznej, w komorze spalania praktycznie nie powstają tlenki azotu; poza tym oczywiście w ogóle nie tworzą się żadne inne zanieczyszczenia. Tak więc z rury wydechowej tego modelu sedana do atmosfery wydalana jest tylko para wodna – marzenie ekologów zostało zatem urzeczywistnione. Firma BMW zbudowała także najszybszy - jak na razie - samochód wodorowy: model „H2R” przekracza prędkość 300 km/godz.

Chociaż obecnie tradycyjne silniki wewnętrznego spalania nie mają żadnej liczącej się alternatywy, to prawdopodobnie już wkrótce pojawi się nowe perspektywiczne rozwiązanie oparte na paliwie wodorowym. Silniki Stirlinga, bo o nich mowa, nie znalazły do końca ubiegłego wieku zastosowania w środkach transportu z powodu bardziej złożonej budowy, większego zużycia materiałów i wyższej ceny. Od niedawna jednak specjaliści dostrzegają w nich największe możliwości realizacji napędu samochodowego na wodorze. Niski poziom emitowanego hałasu, korzystne charakterystyki momentu obrotowego przy porównywalnych wymiarach i masie stwarzają przesłanki zastąpienia silników wewnętrznego spalania i ogniw paliwowych w pojazdach bazujących na wodorze. Dobitnym potwierdzeniem tej tezy stało się wdrożenie generatorów elektryczności napędzanych silnikami Stirlinga w miejsce ogniw paliwowych na statkach kosmicznych i w łodziach podwodnych niektórych krajów.

Silnik Stirlinga – omawiany już na łamach miesięcznika – jest unikalną maszyną cieplną choćby z uwagi na fakt, iż jego teoretyczna sprawność równa się maksymalnej sprawności wszelkich maszyn cieplnych tj. sprawności cyklu Carnot. Zalicza się do silników zewnętrznego spalania, ponieważ proces spalania przebiega poza cylindrami. Z kolei czynnik roboczy ulega przemianom w zamkniętym układzie przy powolnych zmianach ciśnienia w cylindrach, w sposób płynny bez użycia kłopotliwej w eksploatacji armatury zaworowej. Szereg firm dostarcza silniki Stirlinga o możliwościach technicznych przewyższających tradycyjne silniki wewnętrznego spalania. Najlepsze modele tych produkowanych seryjnie maszyn odznaczają się sprawnością bliską 45% oraz masą jednostkową w przedziale 1,2–3 kg/kW.

Wkroczenie silników Stirlinga do technologii wodorowych powoli staje się faktem. Prace badawczo rozwojowe w tym zakresie prowadzą wiodące koncerny jak Philips, General Motors, Ford, Mitsubishi czy Toshiba oraz amerykańskie laboratoria NASA i Los Alamos. Natomiast w Rosji w latach 90. zaniechano badań realizowanych głównie w placówkach wojskowych i przemysłu rakietowego. Mimo to znów planuje się tam perspektywiczne przedsięwzięcia rozwoju tych technologii dla potrzeb nie tylko motoryzacji, lecz i innych gałęzi gospodarki, w tym zwłaszcza energetyki. Przejście gospodarki rosyjskiej na skroplony wodór, co miałoby nastąpić do 2050 r., poprzedzi budowa infrastruktury wytwarzania, gromadzenia, przesyłu, dystrybucji i utylizacji ciekłego gazu ziemnego. Innymi słowami Rosja, podobnie jak inne uprzemysłowione kraje, przygotowuje się do utworzenia „kriogenicznej” infrastruktury najpierw dla skroplonego gazu ziemnego, który docelowo zostanie zastąpiony skroplonym wodorem.

Głównym warunkiem przestawienia transportu na płynny gaz w Rosji jest brak dostatecznej liczby stacji do tankowania tego wciąż mało popularnego tam paliwa. Stacje te należy tak budować, aby można je potem łatwo bez nadmiernych nakładów przystosować do skroplonego wodoru. Zdaniem specjalistów, będzie to możliwe tylko przy wykorzystaniu kriogenicznych tłokowych maszyn Stirlinga. Na ich bazie ma zostać utworzona infrastruktura obejmująca zarówno duże miejskie i przemysłowe centra dystrybucji skroplonego gazu (wodoru) oraz sieć licznych niewielkich agregatów tankowania. Taka uproszczona struktura jest zdeterminowana przez szczególne skłonności kriogenicznych paliw do odparowania, a także ryzyko ich dużych strat przy transporcie i tankowaniu. Użycie kriogenicznych chłodziarek Stirlinga, napędzanych silnikami elektrycznymi w wykonaniu przeciwwybuchowym ma zdecydowanie obniżyć ubytki skroplonych paliw, które obecnie z reguły przekraczają wszelkie dopuszczalne wartości (np. straty ciekłego tlenu i azotu w technologiach rakietowych sięgają 50%!).

Jeszcze w 2006 r. w Moskwie zostanie uruchomiona pierwsza instalacja dystrybucji skroplonego gazu ziemnego dla miejskiego transportu na bazie wspomnianych maszyn Stirlinga. Stanie się ona prototypem przyszłych małogabarytowych stacji tankowania ciekłego wodoru rozmieszczanych w garażach odbiorców

Dokończenie znajdziesz w wydaniu papierowym. Zamów prenumeratę miesięcznika ENERGIA GIGAWAT w cenie 108 zł za cały rok, 54 zł - za pół roku lub 27 zł - za kwartał. Możesz skorzystać z formularza, który znajdziesz tutaj

Zamów prenumeratę