Amerykanie lubią nowoczesne samochody zasilane alternatywnymi źródłami napędu wpływającymi na osłabienie efektu cieplarnianego, choć zaliczani są do największych trucicieli atmosfery. Akceptując ekologiczne nowinki techniczne mogące zahamować emisję CO2 godzą się z faktem, że nie mają mocy radzieckiej lokomotywy i ulubionych 8 cylindrów pod maską.
fot. Honda
W Europie (Rzym, Mediolan, Berlin, Amsterdam, Goeteborg) też zaczęto doceniać zieloną energię, ba, podniesiono nawet myto za wjazd dymiącym samochodem do centrum miasta. Również elity i dumni jak paw politycy oraz gwiazdy z Hollywood lubią pokazywać się w ekologicznych zabawkach. Każdy jest "trendy", mają o czym pisać tabloidy. Wszyscy się cieszą, a ekolodzy zacierają ręce.
Sposób na bogatego klienta
Wizja gwałtownego ocieplenia klimatu (już 0,7 stopnia Celsjusza), przy tak ekspansywnej dominacji człowieka jest bardzo realna. Potwierdzają to badania amerykańskich i europejskich naukowców. Dlatego ograniczanie produkcji CO2 do atmosfery wydaje się być nadrzędnym celem koncernów produkujących samochody, ciągniki siodłowe i pojazdy specjalne zasilane dotąd paliwami kopalnymi (głównie benzyną i olejem napędowym).
fot. Honda \ Honda FCX Clarity (ang. klarowność, czystość) - schemat funkcjonalny na którym uwzględniono silnik elektryczny główny (bez dodatkowych silników osi tylnej dla napędu AWD), zbiornik wodoru 171 litrów, wydajny stos ogniw paliwowych V-Flow PEMFC, akumulator litowo-jonowy
W niektórych krajach (USA, Chiny, Argentyna czy Niemcy) największą karierę już robią auta zasilane alternatywnymi źródłami napędu (CNG, biopaliwa czy etanol E85). Coraz chętniej akceptowane są także auta hybrydowe (Toyota Prius, Lexus LS 600h/hL, Honda Insight, Honda Civic IMA, Toyota Supra HV-R czy Honda CR-Z), a ostatnio pojawiają także się perełki zasilane ogniwami paliwowymi fuel cell (Toyota FCHV, Honda FCX, najnowsza Honda FCX Clarity czy Honda PUYO).
Choć Japończycy najszybciej wprowadzają nowe technologie ogniw paliwowych w życie i mają największe osiągnięcia w tej dziedzinie, to tego typu samochody są ciągle nowinką techniczną.
- Od wielu lat mówi się, ze technologia pozyskiwania energii elektrycznej z reakcji chemicznej wodoru i tlenu stanie się powszechna. Niestety zbyt duże różnice w kosztach wytwarzania energii w stosunku do rozwiązań tradycyjnych, powodują, że masowe zastosowanie technologii ogniw paliwowych jest nadal tematem przyszłości. Aczkolwiek dostęp firm do coraz nowszych technologii sprawia, że systemy zasilanie w oparciu o ogniwa paliwowe stają się coraz efektywniejsze i tańsze - powiedział Dariusz Drabiuk, dyrektor APS Energia
Jednak Honda pokazuje, że można znacznie więcej
Honda od kilkunastu już lat pracuje nad systemami ogniw paliwowych, od 1999 roku nad modelami FCX, od dwóch nad FCX Clarity. Ponadto wymiana doświadczeń ze znaną kanadyjską firma Ballard Power Systems, potentata w dziedzinie ogniw paliwowych, spowodowała dominację nad całą konkurencją (Toyota, GM, Opel, Ford czy PSA) - pracując nad tymi kosmicznymi technologiami.
Najnowszy model Hondy FCX Clarity, pokazany podczas ubiegłorocznych targów IAA we Frankfurcie, przeszedł już ostatnie testy drogowe (na Gotlandii i w Kalifornii) i homologacyjne pozwalające na uruchomienie seryjnej produkcji (wcześniej niż początkowo zakładano). Bardzo pochlebnie wypowiadali się też o tym ekologicznym liftbacku dziennikarze motoryzacyjni zaproszenie pod koniec grudnia 2007 roku na testy do Japonii.
fot. Honda\ Silnik elektryczny-generator ze skrzynią biegów. Moc 96 kW i moment obrotowy 258 Nm pozwala na bardzo sprawne operowanie zarówno w mieście jak i na dalszej trasie. Bezszelestna praca, bez szarpnięć i dziury na najniższych obrotach.
- Zapłon włączony, dźwignia ustawiona na D silnika elektrycznego nie słychać. Odnoszę wrażenie, że startuję hybrydowym Lexusem. Wciskam niepewnie gaz, samochód zaczyna się toczyć. Wnętrze wypełnia charakterystyczny dźwięk przypominający wirówkę. To efekt pracy silnika elektrycznego i kompresora karmiącego powietrzem ogniwa paliwowe. Nie czuję żadnych wibracji i mam wrażenie, że auto jedzie popychane niewidzialną siłą - opisywał jeden z europejskich dziennikarzy
Biorąc pod uwagę okoliczności tankowania sprężonym wodorem, największe zainteresowanie tymi ekologicznymi pojazdami spodziewane jest w kilku stanach USA, Kanady i Japonii. W Europie nie należy spodziewać się boomu, z uwagi na małą sieć stacji napełniania i dość zawiłe procedury homologacyjne (szczególnie w Polsce; badania techniczne zbiorników, bezpieczeństwo i przechowywanie sprężonego do 350 barów wodoru).
Kosmiczny napęd
Druga generacja Hondy FCX Clarity, to zgrabny liftback klasy średniej. Napęd zapewnia silnik elektryczny prądu przemiennego o mocy 95 kW o bardzo dużym momencie obrotowym 258 Nm dostępnym już na samym starcie. W przypadku wersji z napędem AWD, dwa tylne silniki elektryczne o mocy 27 kW każdy, dodają wigoru w trudniejszym terenie.
Podstawowym źródłem energii elektryczne są ogniwa paliwowe fuel cell najnowszego typu PEMFC (Proton Exchange Membrane Feel Cell; z polimerową membrana do pozyskiwania protonów) do których za moment wrócimy. Energię elektryczna podczas uruchamiania dostarcza wydajna bateria litowo-jonowa Li-ion (sem 288 V) odporna na rozładowania i ewentualne przeładowania.
Honda podaje, że zużycie sprężonego wodoru odpowiada spaleniu benzyny na poziomie 3,5 l/100 km a 171-litrowy zbiornik wystarcza na pokonanie 470-570 km przy prędkości 120 km/h. Zaczyna być ciekawie, jeśli dodamy, iż ogniwa paliwowe nowego typu PEMFC mogą pracować nawet przy temperaturze dochodzącej do minus 30 st. Celsjusza a chwilowa prędkość FCX może oscylować w granicach 160 km/h.
Ogniwa paliwowe - technologia prosto z kosmosu
fot. Honda \ Hondę FCX Clarity wyposażono w platformę nowoczesnych (kompaktowych) ogniw paliwowych typu V Flow, o pionowym przepływie gazów (cząsteczki wodoru pomiędzy anodą i katoda poruszają się zgodnie z siłą grawitacji), z centralno-tunelowym układem zabudowy ułatwiającym bezproblemowe upakowanie w podłodze. Zastosowany układ paneli ogniw paliwowych pozwolił też na wyjątkowo korzystne spożytkowanie przestrzeni i zaprojektowanie nisko osadzonego środka ciężkości. W przypadku ogniw innego typu (PEM, DMFC) byłoby to niemożliwe.
Stos ogniw paliwowych jest teraz o 20 proc. mniejszy i o 30 proc. lżejszy od poprzedniej generacji FCX FC Stack. Jednak jego moc jest obecnie o 14 kW większa (ponad 100 kW) i, jak zapewnia Honda, wystarcza na 5-7 lat pracy.
Dzięki tym nowatorskim rozwiązaniom i współpracy ze wspomnianą firmą Ballad Power Systems, Honda FCX Clarity z ogniwami V Flow staje się małym perpetuum mobile. Wydajność energetyczna wzrosła do 60 proc. tzn. jest o ponad 25 proc. większa niż przy zasilaniu jednostką benzynowa i 10 proc. efektywniejsza w porównaniu z napędem hybrydowym.
Zasada działania w pigułce
fot. Honda \ (FC Stack ) Nowy zespół baterii ogniw paliwowych V Flow PEMFC umożliwiający maksymalne wykorzystanie tunelu w płycie podłogowej, moc powyżej 100 kW, jak zapewnia Honda czas pracy zwiększono do 40 tys. godz. co daje 5-7 lat bezawaryjnej pracy. Producent ogniw FC Stack nie podaje ceny zestawu
W dużym uproszczeniu wygląda to nieskomplikowanie. Zmagazynowany sprężony wodór jest pompowany do "stosu" PEMFC (do anody), który składa się z kilku warstw chemicznego paliwa, jak kanapka sandwicza. Utleniacz, tj. tlen w stanie czystym lub w mieszaninie (powietrze) podawany jest do katody. Chodzi o to, że przy ciągłym dostarczaniu sprężonego wodoru i powietrza reakcja chemiczna powoduje wytwarzanie prądu elektrycznego tak długo, jak trwa pompowanie obu składników. Można zatem przyjąć, iż ten proces jest znacznie efektywniejszy, a w porównaniu ze zwykłym ogniwem Leclanchego wręcz niewyczerpalny.
To czyni ogniwa paliwowe tak atrakcyjnym i czystym źródłem alternatywnego napędu silników samochodowych nowej generacji (a także innych odbiorników energii elektrycznej np. laptopy, komórki).
Wróćmy jednak do naszej "kanapki". W środku znajduje się anoda i katoda. Elektrody, zgodnie ze sztuką elektrochemicznej magii muszą być odseparowane elektrolitem występującym w formie płynnej (lub jako ciało stałe). Dlaczego, bo elektrolit umożliwia przepływ kationów, natomiast uniemożliwia przepływ elektronów.
Teraz robi się gorąco, ale jeśli nie uciekaliście z lekcji chemii w szkole podstawowej, przebrniecie i ten trudniejszy fragment pracy ogniwa paliwowego. W wyniku reakcji katalitycznej cząsteczka wodoru ulega rozbiciu na dodatni proton i ujemny elektron na anodzie. Ale polimerowa membrana stanowi zaporę dla elektronów, które zmuszone są płynąć na zewnątrz ogniwa od anody do katody. I w ten prosty sposób powstaje prąd elektryczny, zwykle o małym natężeniu i bardzo małej sile elektromotorycznej sem (0,8-1,5 V). Zatem, aby zasilić silnik elektryczny o znacznie wyższym napięciu (poprzez falownik lub przetwornicę) takie "sandwicze" łączy się w stosy.Ale to nie koniec reakcji chemicznej. Przepuszczone przez membraną substraty (protony po rozpadzie atomu wodoru na anodzie) łącza się z tlenem na katodzie. Tak powstaje woda i ciepło, które są ubocznymi składnikami reakcji elektrochemicznej. Czy zatem należy je odrzucić jak zepsute jabłko w koszyku? Nie. W pierwszych załogowych statkach kosmicznych serii Apollo właśnie ogniwa paliwowe służyły do produkowania wody pitnej.
Skąd pozyskiwać wodór
Dociekliwi zapytają o paliwo do ogniw paliwowych, skąd brać wodór? Można go pozyskiwać praktycznie z większości paliw kopalnych (gazu ziemnego, metanu a nawet biomasy). Ale jest to proces dość skomplikowany, dlatego na potrzeby naszego ogniwa PEMFC wodór tankowany jest ze stacji sprężarkowej do zbiornika w samochodzie. Z kolei utleniacz, czyli tlen w stanie czystym lub mieszaninie (powietrze) - podawany jest w sposób ciągły do katody. Jedyny problem w tym, że takich stacji wodorowych jest mało, zbyt mało, by mówić o boomie na samochody zasilane ogniwami paliwowymi. Przynajmniej na razie.
Czy jesteśmy skazani na hybrydy i ogniwa paliwowe?
Alternatywne źródła zasilania kojarzą nam się z fantastyką naukową, tak niedostępną, jak japońska kultura. Jednak najwyższy czas, by do nich przywyknąć, zwłaszcza w obliczu ekspansywnie eksploatowanych złóż ropy naftowej. Ogniwa paliwowe, to według Hondy klucz do sukcesu nowej ery motoryzacji.
Dziś już mało kto kupuje auto, jako kolejną zabawkę małego Jasia. Korki, ograniczenia prędkości, radary i coraz bardziej wyśrubowane normy spalin zmieniają sposób myślenia i radość z prowadzenia. W tym kontekście nowa Honda FCX Clarity może stać się hitem za oceanem i panaceum na choroby globalizacji.
Malkontenci czy oponenci?
Specjaliści jednak wysuwają armaty przeciw czołgom i przebąkują o kosztach. Pozyskiwanie wodoru jest znacznie droższe niż produkcja konwencjonalnych paliw. Według firmy Frost & Sullivan koszt generatora o mocy przeliczeniowej równiej 1 kW, w przypadku ogniw paliwowych to około 700 dolarów, podczas gdy w przypadku silników spalinowych wynosi on zaledwie 20 dolarów. To przemawia do kieszeni. Czy zatem przygodę z ogniwami paliwowymi musimy odłożyć na lepsze czasy?
Niekoniecznie, przypomnijmy sobie jakie trudności i argumenty rzucały firmy (GM, Ford, Chrysler, a także BMW) niechętne napędom hybrydowym. I co, dziś zmieniają tok myślenia. Skoro ludzie chcą kupować takie samochody, to firmy muszą je produkować.
Zanim pod maskę elektrycznych silników wejdą ogniwa paliwowe napędy hybrydowe przetrwają okres świetlanego rozwoju, stając się awangardą jeszcze czystszych, wydajniejszych, a przede wszystkim sprawniejszych ogniw wynalezionych, nomen omen, jeszcze w 1838 roku przez Chrystiana Schonbeina.
Krzysztof Golec, AutoFlesz | Źródło: zdjęcia Honda | 2008-02-12 22:19