Płynny wodór najlepszym paliwem dla samolotów

Profesor fizyki Jo Hermans z Huygen’s Laboratory na Uniwersytecie Leiden w Holandii opublikował raport MRS Energy and Sustainability - A Review Journal (MRS E&S), w którym przedstawił wyniki badań nad wydajnością energetyczną różnych sposobów transportu - od rowerów po autobusy i od samolotów rejsowych po statki. Holenderski fizyk doszedł do wniosku, że najlepszym rozwiązaniem dla transportu samolotowego jest ciekły wodór. Odkrycie to ma duże znaczenie, jeśli wziąć pod uwagę, że transport lotniczy jest najbardziej problematyczny pod względem ochrony środowiska.

Wnioski ze swoich badań Hermans opublikował w MRS Energy and Sustainability - A Review Journal. Naukowiec zauważył, że benzyna, olej napędowy i nafta oczyszczona mają bardzo dobry stosunek dostarczanej energii do objętości, ale "biorąc pod uwagę poważne ograniczenia dotyczące masy paliwa, które samolot może unieść, ciekły wodór stanowi atrakcyjną alternatywę na długich dystansach" - skomentował Jo Hermans.

Do dziś powstało już kilka projektów samolotów na ciekły wodór. Ponaddźwiękowy samolot pasażerski A2 opracowany przez brytyjską firmę Reaction Engines Limited jest realizacją pomysłu na przyjazny dla środowiska środek transportu dla dużej liczby pasażerów na dystansach do 20 tys. km. Zgodnie z założeniami zespołu projektowego, model A2 napędzany silnikiem Scimitar będzie się wykazywał niskim zużyciem paliwa zarówno podczas lotu poniżej prędkości dźwięku, jak i z prędkością ponaddźwiękową. Jego projektanci zakładają, że samolot będzie w stanie rozpędzić się do prędkości Mach 5. Reaction Engines Limited planuje rozpocząć komercjalizację tego projektu w ciągu 25 lat.

Własny samolot napędzany ciekłym wodorem skonstruował Boeing Phantom Works. Bezzałogowy prototyp Boeing Phantom Eye powstał z myślą o amerykańskiej armii. Był to model demonstracyjny, mniejszy od docelowego produktu, który jednak nigdy nie powstał ze względu na brak zamówień. Według założeń producenta 4 produkcyjne Phantom Eye miały zapewnić obserwowanie danego terenu bez przerwy 24 godziny na dobę przez całe lata.

Technologia wodorowa stanowi centralny punkt koncepcji społeczeństwa nieemitującego spalin Toyoty. Japoński koncern rozpoczął prace nad seryjnym samochodem na wodorowe ogniwa paliwowe ponad 20 lat temu i w grudniu 2014 roku wprowadził do sprzedaży sedana Mirai z takim napędem. Obecnie firma pracuje nad dalszym udoskonalaniem tego rozwiązania, kolejnymi modelami z napędem na ogniwa paliwowe i rozbudową infrastruktury tankowania wodoru w wielu miejscach na świecie. Toyota jest zdania, że współpraca odnawianych źródeł energii z instalacjami do produkcji wodoru to prosty sposób na znaczne zwiększenie wydajności elektrowni słonecznych czy wiatrowych, rezygnację z paliw kopalnych i ograniczenie niemal do zera emisji spalin przez nowoczesne społeczeństwa. Firma konsekwentnie realizuje ten program we współpracy z rządem Japonii oraz władzami publicznymi w innych częściach świata, m.in. Unii Europejskiej i stanu Kalifornia.

Toyota Mirai ma właściwości jezdne i użytkowe typowego auta z segmentu D - tankuje się tylko w 3 minuty, ma zasięg do 700 km, dysponuje przestronnym wnętrzem i bagażnikiem. Silnik elektryczny o mocy 154 KM zapewnia dynamiczne przyspieszenie - auto rozpędza się do 100 km/h w 9 sekund. Charakterystyczne dla silnika elektrycznego jest korzystanie z maksymalnego momentu obrotowego w pełnym zakresie prędkości, co czyni Mirai samochodem bardzo elastycznym. Auto zużywa energię odpowiadającą spalaniu 4.2 l benzyny na 100 km.

Obecnie na rynku są dostępne także dwa inne modele na ogniwa paliwowe - Hyundai ix35 Fuel Cell i Honda Clarity. Pierwszy z nich to crossover skonstruowany na bazie spalinowego modelu. Auto o mocy 136 KM przyspiesza do 100 km/h w około 12 s. Zbiorniki mieszczące maksymalnie 5.64 kg zapewniają zasięg do 600 km. Honda Clarity zadebiutowała w 2015 roku jako średniej wielkości sedan o mocy 177 KM. Auto ma zasięg ponad 700 KM.

W Europie transport publiczny odpowiada za 40% zanieczyszczeń emitowanych przez motoryzację, dlatego wiele miast szuka sposobów na poprawę jakości powietrza. Autobusy napędzane ogniwami paliwowymi są już oferowane przez wielu producentów, w tym Solaris i lubelski Ursus. Władze miast na całym świecie biorą udział w pilotażowych programach włączania autobusów na ogniwa paliwowe do sieci transportu publicznego. Na przykład w programie CHIC (Clean Hydrogen in European Cities) bierze udział 8 miast w Europie i Kanadzie. W Japonii władze Tokio rozpoczęły program zakupu 100 autobusów FC Bus produkcji Toyoty. Z kolei niemiecka firma Alstom opracowała pierwszy pociąg na ogniwa paliwowe. Pierwszy skład ma się pojawić już w tym roku na lokalnych trasach Dolnej Saksonii.

Wodór może oczywiście służyć także za paliwo do pojazdów i maszyn przemysłowych. Dla przykładu, prototypowy TIR z napędem wodorowym opracowała amerykańska firma Nikola. Model o nazwie Nicola One o zasięgu 1900 km ma być gotowy do produkcji seryjnej w 2020 roku. Prace nad adaptacją napędu z Toyoty Mirai i FC Bus do ciężarówki rozpoczęła także Toyota.

W kontekście transportu lądowego profesor Jo Hermans zwraca uwagę, że komplementarnym sposobem na ograniczenie emisji spalin jest takie planowanie rozwoju miast, aby skrócić dojazdy do pracy i zachęcać do wybierania transportu publicznego. Służy temu bardziej zwarta zabudowa oraz zapobieganie niekontrolowanej rozbudowie przedmieść, które utrudniają dostarczanie wysokiej jakości usług miejskich ich mieszkańcom.

Wodór jest najbardziej powszechnym pierwiastkiem na świecie i można go pozyskiwać z wielu różnych źródeł kilkoma metodami. Jako gaz przemysłowy jest już powszechnie produkowany i wykorzystywany m.in. w zakładach chemicznych. W obliczu wyczerpujących się złóż naftowych przyszłość motoryzacji zależy od alternatywnych sposobów zasilania samochodów. Wodór stanowi bardzo korzystną i uniwersalną alternatywę dla ropy. Może być produkowany lokalnie w każdym kraju z wykorzystaniem surowców kopalnych, energii odnawialnej oraz odpadów.

Wodór można produkować z wody, metanu, biomasy oraz odpadów komunalnych i rolnych. Do jego produkcji można wykorzystać energię z dowolnego źródła, także odnawialną lub geotermalną, a instalacje do produkcji wodoru wraz ze zbiornikami stanowią bardzo wygodny sposób na przechowywanie nadwyżek energii w czasie spadku zapotrzebowania oraz łatwe jej odzyskanie w okresach szczytu - wystarczy niewielki elektrolizer wody, aby zmagazynować ją w formie wodoru. Potem w razie potrzeby można go zatankować do samochodu lub przy pomocy niewielkiego generatora z ogniwami paliwowymi pozyskać energię. Rozwiązanie to jest w pełni skalowalne, dlatego mogą z niego korzystać duże zakłady produkcyjne, farmy wiatrowe i fotowoltaiczne, jak i gospodarstwa domowe wyposażone w wiatrak lub zestaw paneli słonecznych na dachu.

Co więcej, każdy samochód na ogniwa paliwowe może pełnić rolę przydomowej elektrowni, stanowiąc doskonałe źródło zasilania podczas awarii sieci energetycznej nawet przez tydzień. Japonia zamierza korzystać z tego rozwiązania na dużą skalę do zasilania biur i mieszkań, zaś duże pojazdy na ogniwa paliwowe, np.  autobusy miejskie, będą pełniły rolę akumulatorów zasilających centra zarządzania kryzysowego, ośrodki ewakuacji oraz szpitale w razie naturalnych katastrof.

Realizacja wizji społeczeństwa opartego na wodorze pozwala uniezależnić państwo od ropy i gazu oraz od zewnętrznych dostawców źródeł energii. Państwa, które oprą swoją gospodarkę na wodorze, staną się samowystarczalne energetycznie. Będzie to dla nich ogromny krok naprzód, tak pod względem gospodarczym, jak i politycznym.