WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Prof. dr hab. inż. Kazimierz LEJDA Mgr inż. Paweł WOJEWODA Politechnika Rzeszowska Zakład Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych

Wodór jest powszechnie uważany za „najczystsze” ekologicznie i najbardziej przyjazne środowisku paliwo, gdyż w wyniku jego spalania w powietrzu lub tlenie produkowana jest wyłącznie woda. Jednak na razie wodór nie jest wcale paliwem „czystym”. Dzieje się tak, dlatego że największe ilości taniego wodoru produkowane są w reakcji metanu lub węgla kamiennego z wodą. A w reakcji tej wydziela się dwutlenek węgla, czyli sławetny „gaz cieplarniany”. Dla atmosfery ziemskiej jest oczywiście obojętne, czy emitowany CO 2 pochodzić będzie bezpośrednio z „nie-ekologicznego” tradycyjnego samochodu na benzynę lub gaz, czy też pośrednio z produkcji „czystego” paliwa wodorowego w fabryce. Dlatego rozwijane są metody produkcji wodoru prosto z wody (z wykorzystaniem energii słonecznej bądź wiatru) tak, by zamknąć obieg wodoru i tlenu w przyrodzie. I by motoryzacja oparta o samochody na ogniwa paliwowe wodór/tlen była niemal 100% „zielona”. WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 1.WPROWADZENIE

2. ZASTOSOWANIE WODORU DO NAPĘDU SAMOCHODÓW gazowym przy wysokim, dochodzącym do 700 barów ciśnieniu, co wymaga stosowania zbiorników w postaci butli stalowych lub innych,gazowym przy wysokim, dochodzącym do 700 barów ciśnieniu, co wymaga stosowania zbiorników w postaci butli stalowych lub innych, płynnym przy ciśnieniu prawie atmosferycznym, jednak w bardzo niskich temperaturach (-253°C), a więc w zbiorniku o szczególnym rodzaju izolacji,płynnym przy ciśnieniu prawie atmosferycznym, jednak w bardzo niskich temperaturach (-253°C), a więc w zbiorniku o szczególnym rodzaju izolacji, w postaci chemicznie związanej, jako związki wodoru z metalami, czyli wodorki (zbiorniki są jednocześnie wymiennikami ciepła).w postaci chemicznie związanej, jako związki wodoru z metalami, czyli wodorki (zbiorniki są jednocześnie wymiennikami ciepła). Zastosowanie wodoru jako paliwa silnikowego stanie się coraz powszechniejsze. Z pewnością będą prowadzone coraz szersze badania nad skonstruowaniem bezpiecznych zbiorników, z co najmniej dwóch powodów: zasoby wodoru są nieograniczone,zasoby wodoru są nieograniczone, wodór jest najbardziej czystym paliwem pod względem ekologicznym.wodór jest najbardziej czystym paliwem pod względem ekologicznym. WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Powodzenie zastosowania wodoru do napędu samochodów zależy w głównej mierze Powodzenie zastosowania wodoru do napędu samochodów zależy w głównej mierze od pomyślnego rozwiązania problemu jego tankowania i przewozu w zbiornikach pojazdów. Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że wodór może być gromadzony w trzech następujących stanach: Z dotychczasowych doświadczeń wynika, że wodór może być gromadzony w trzech następujących stanach:

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 2. ZASTOSOWANIE WODORU DO NAPĘDU SAMOCHODÓW cd. Produktami spalania wodoru są para wodna i pewna ilość tlenków azotu. Paliwo wodorowe ma wiele cech, które będzie można wykorzystać przy przystosowywaniu tego paliwa do ogólnego stosowania. Należą do nich: duży współczynnik dyfuzji H 2 w powietrzu, dzięki czemu łatwo można tworzyć jednorodną mieszankę,duży współczynnik dyfuzji H 2 w powietrzu, dzięki czemu łatwo można tworzyć jednorodną mieszankę, duża zdolność do zapłonu ze względu na małą energię potrzebną do zapłonu,duża zdolność do zapłonu ze względu na małą energię potrzebną do zapłonu, duża szybkość spalania mieszanki wodorowej,duża szybkość spalania mieszanki wodorowej, szerokie granice palności mieszanki (0,14 ≤ λ ≤ 9,9), dzięki czemu można regulować obciążenie silnika przez zmianę składu mieszanki, czyli stosować regulację jakościową (jak w silnikach ZS).szerokie granice palności mieszanki (0,14 ≤ λ ≤ 9,9), dzięki czemu można regulować obciążenie silnika przez zmianę składu mieszanki, czyli stosować regulację jakościową (jak w silnikach ZS). Niestety wodór jako paliwo posiada istotne wady, które należy zaznaczyć: dużą skłonność do spalania stukowego ze względu na małą liczbę oktanową ma,dużą skłonność do spalania stukowego ze względu na małą liczbę oktanową ma, wykazuje silne oddziaływanie chemiczne na metale, szczególnie w podwyższonych temperaturach,wykazuje silne oddziaływanie chemiczne na metale, szczególnie w podwyższonych temperaturach, ma zdolność do rozkładu chemicznego olejów smarujących, przez co tworzą się agresywne związki oddziałujące negatywnie na elementy silnika,ma zdolność do rozkładu chemicznego olejów smarujących, przez co tworzą się agresywne związki oddziałujące negatywnie na elementy silnika, ma małą gęstość energetyczną nawet w stanie skroplonym,ma małą gęstość energetyczną nawet w stanie skroplonym, stwarza duże trudności z przechowywaniem.stwarza duże trudności z przechowywaniem.

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH Prowadzone są obecnie badania nad wykorzystaniem do produkcji wodoru energii ze źródeł odnawialnych (głównie energii promieniowania słońca, wiatru i spadku wód) oraz reaktorów jądrowych. Ich wprowadzenie na rynek zależy przede wszystkim od wysokości kosztów produkcji wodoru, których głównym składnikiem jest koszt energii elektrycznej zużytej na elektrolizę wody. 2. ZASTOSOWANIE WODORU DO NAPĘDU SAMOCHODÓW cd. Wytwarzanie oraz zastosowanie wodoru Model pozyskiwania wodoru za pomocą energii słonecznej Obecnie najtańsza jest energia elektryczna uzyskiwana w elektrowniach wodnych. Przy wykorzystaniu pozostałych pierwotnych źródeł energii, koszt jednostkowy produkcji wodoru znacznie przekracza obecną cenę rynkową wodoru i gazu ziemnego. Przewiduje się, że wodór uzyskany ze źródeł odnawialnych stanie się konkurencyjny w stosunku do gazu ziemnego i wodoru produkowanego metodami tradycyjnymi dopiero po roku 2020.

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3. RÓŻNE KONCEPCJE WYKORZYSTANIA WODORU W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3.1. Koncepcja firmy Renault Procesy chemiczne wewnątrz reformera firmy Renault Koncern Renault przedstawił stan zaawansowania swoich prac badawczych nad ogniwami paliwowymi. Przedstawione elementy obrazują przyjęte przez Renault rozwiązanie wykorzystania wodoru w motoryzacji w oparciu o urządzenie do reformacji. Technologia ta pozwala na produkcję wodoru w samochodzie w ilości uzależnionej od potrzeb, eliminując tym samym problem składowania wodoru pod bardzo wysokim ciśnieniem lub w niskiej temperaturze. Rozwiązanie opiera się na czterech elementach: Urządzeniu do reformowania (tzw. reformerze), które zamienia paliwo płynne w reformowane, o dużej zawartości wodoru, umożliwiające pracę ogniwa paliwowego. Reformer może pracować zarówno na benzynę, jak i na olej napędowy czy etanol.Urządzeniu do reformowania (tzw. reformerze), które zamienia paliwo płynne w reformowane, o dużej zawartości wodoru, umożliwiające pracę ogniwa paliwowego. Reformer może pracować zarówno na benzynę, jak i na olej napędowy czy etanol. Ogniwo paliwowe wytwarza prąd poprzez reakcję łączenia wodoru i tlenu. Produktem tej elektrochemicznej reakcji jest wyłącznie woda, która jest przesyłana do obiegu zamkniętego w reformerze, który potrzebuje wody do pracy. Reformer również wytwarza wodę, która także jest odprowadzana do obiegu zamkniętego.Ogniwo paliwowe wytwarza prąd poprzez reakcję łączenia wodoru i tlenu. Produktem tej elektrochemicznej reakcji jest wyłącznie woda, która jest przesyłana do obiegu zamkniętego w reformerze, który potrzebuje wody do pracy. Reformer również wytwarza wodę, która także jest odprowadzana do obiegu zamkniętego. Silnik elektryczny zasilany prądem wytwarzanym przez ogniwo paliwowe po jego uzyskaniu odpowiedniego napięcia w przetwornicy,Silnik elektryczny zasilany prądem wytwarzanym przez ogniwo paliwowe po jego uzyskaniu odpowiedniego napięcia w przetwornicy, Zbiornik wielopaliwowy.Zbiornik wielopaliwowy.

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3.2. Koncepcja firmy Fiat Panda Hydrogen jest prawdziwym prototypem samochodu na paliwo wodorowe charakteryzującym się mocnym systemem napędowym i, przede wszystkim, osiągami i przestronnością wnętrza porównywalnymi do standardowych modeli. Jest ona wynikiem wspólnej pracy Fiat Auto, Centro Ricerche Fiat oraz Fiat Powertrain Research & Technology wspieranych przez Ministerstwa Badań i Środowiska. W przeciwieństwie do prezentowanych w przeszłości prototypów samochodów Fuel Cell, Panda Hydrogen jest przykładem systemu typu "Full Power" charakteryzującym się brakiem akumulatorów tradycyjnych służących do gromadzenia energii elektrycznej. Nowy system Fuel Cell jest w stanie wytworzyć całą niezbędną dla elektrycznego silnika trakcyjnego moc. Ta nowa generacja systemu Fuel Cell odznacza się bardzo wysoką wydajnością. 3. RÓŻNE KONCEPCJE WYKORZYSTANIA WODORU W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH cd. Fiat Panda Hydrogen - prototyp samochodu na paliwo wodorowe

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3.3. Koncepcja firmy Mazdy Mazda RX-8 Hydrogen RE z wodorowo – benzynowym napędem Historia samochodów marki Mazda napędzanych paliwem wodorowym sięga 1991 roku, kiedy to pojawił się pierwszy taki model - HR-X. Już po dwóch latach pojawił się jego następca - HR-X2, na podstawie którego powstała testowa wersja MX 5 z tego typu napędem. W 1997 r. pojawił się model Demio (Mazda 2) FC-EV, a w 2001 Premacy FC-EV. Wodorowa Mazda RX-8 pierwsze testy odbywała już w 2003, jednak od 2004 r. dysponuje mieszanym napędem wodorowo-benzynowym. Mazda RX-8 Hydrogen RE, która pozwala kierowcy na wybór pomiędzy zasilaniem benzynowym a wodorowym, ma zasięg ok. 650 km. Mazda RX-8 Hydrogen RE, została dopuszczona do ruchu w Japonii. Pierwsze dwa egzemplarze trafiły do klientów pod koniec marca 2006 roku Mazda RX-8 Hydrogen RE, została dopuszczona do ruchu w Japonii. Pierwsze dwa egzemplarze trafiły do klientów pod koniec marca 2006 roku 3. RÓŻNE KONCEPCJE WYKORZYSTANIA WODORU W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH cd.

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3.4. Koncepcja firmy BMW Nieco inną możliwość wykorzystania wodoru zaprezentowała firma BMW w limuzynie serii 7. W samochodzie tym jest zainstalowany silnik spalinowy, ale jako paliwo wykorzystywany jest właśnie wodór. Silnik ten ma dobre osiągi, mniejszą masę i jest prostszy w obsłudze w porównaniu do benzynowego odpowiednika. Samochody takie mają się pojawić na drogach już w przyszłym roku. Nieco inną możliwość wykorzystania wodoru zaprezentowała firma BMW w limuzynie serii 7. W samochodzie tym jest zainstalowany silnik spalinowy, ale jako paliwo wykorzystywany jest właśnie wodór. Silnik ten ma dobre osiągi, mniejszą masę i jest prostszy w obsłudze w porównaniu do benzynowego odpowiednika. Samochody takie mają się pojawić na drogach już w przyszłym roku. BMW rezygnuje z montowania silników „czysto- wodorowych” opartych na technologii ogniw paliwowych. Silniki jakie będzie posiadać seria 7 będą mogły jako źródło napędu wykorzystywać tradycyjną benzynę. BMW rezygnuje z montowania silników „czysto- wodorowych” opartych na technologii ogniw paliwowych. Silniki jakie będzie posiadać seria 7 będą mogły jako źródło napędu wykorzystywać tradycyjną benzynę. BMW serii 7 z widoczną jednostką wodorową i zbiornikiem na wodór 3. RÓŻNE KONCEPCJE WYKORZYSTANIA WODORU W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH cd. Koncepcja silnika wodorowego zastosowanego w BMW serii 7

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 3.4. Koncepcja firmy BMW cd. 3. RÓŻNE KONCEPCJE WYKORZYSTANIA WODORU W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH cd. Stacja w Berlinie, na której można tankować wodór Firma BMW w ramach porozumienia CEP (Clean Energy Partnership) między kilkoma koncernami (Ford, GM/Opel, DaimlerChrysler, BMW), firmami paliwowymi (Aral, Total) oraz niemieckim i francuskim ministerstwem wybudowała w Berlinie także stację, na której tankować można właśnie alternatywny surowiec, jakim jest wodór. Również Volkswagen AG przystąpił do porozumienia Clean Energy Partnership (CEP), które zostało utworzone przez firmy z branży motoryzacyjnej w celu promowania czystych źródeł energii. Po przystąpieniu do tego projektu niemieckiej firmy, liczba partnerów zwiększyła się do 11 koncernów, które w ramach współpracy testują już 17 pojazdów napędzanych paliwem wodorowym. M.in. w tym celu uruchomione zostały w Berlinie dwie stacje, na których można tankować właśnie paliwo wodorowe.

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH 4. PODSUMOWANIE Wodór uważany jest jako źródło napędu pojazdów samochodowych w przyszłości. Kadry naukowców i inżynierów czeka dużo wysiłku, aby mogło dojść do seryjnej produkcji samochodów zasilanych wodorem. Na razie są dużo droższe i stać na nie tylko najbogatszych. Składają się na to dwie przyczyny: droższy "silnik" i droższy bak (tj. magazyn wodoru). "Silnik" zawiera dwa drogie elementy: elektrody platynowe oraz membranę. Nauka pracuje nad zastąpieniem aktualnie używanych materiałów (szczególnie platyny) nowymi tańszymi substytutami. Na razie powszechnie używa się sprężonego lub ciekłego wodoru. Szczególnie ten drugi rodzaj dużo kosztuje, bo choć sam wodór - gazowy - można dość tanio otrzymać, to jego skroplenie i utrzymywanie w tym stanie, w temp. poniżej -2500C, kosztuje bardzo drogo i wymaga wysokiej klasy "termosów". Ponadto, wodór to pierwiastek o najmniejszej cząsteczce chemicznej, jaką znamy, która bardzo łatwo przenika przez ścianki termosu. W rezultacie, nawet z grubego i ciężkiego baku zrobionego ze specjalnych stopów metali ucieka nam około 1.5% paliwa na dobę. Problem z bakiem polega głównie na bezpieczeństwie tego rozwiązania i problemach z dostosowaniem istniejącej infrastruktury (w Kalifornii, Japonii, na lotnisku w Monachium i w Berlinie istnieją już osobne stacje "wodorowe"; jednak adaptacja do tego celu istniejących stacji benzynowych jest kosztowna). Pomimo istotnych problemów związanych z tankowaniem i składowaniem wodoru, nieustanne prace wielu ośrodków badawczych na świecie świadczą o tym, że jest to paliwo przyszłości. Wodór jako paliwo zapewni nam bezpieczne ekologicznie źródło energii odnawialnej.

WODÓR JAKO PALIWO W POJAZDACH SAMOCHODOWYCH DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ