Wodór jak LPG. Tak Toyota próbuje ratować silniki spalinowe

Japończycy nigdy nie byli hiperoptymistami w kwestii elektryfikacji. Owszem, byli pionierami w zakresie budowy napędów hybrydowych - Toyota i Honda pierwsze takie auta wprowadziły na rynek dziesiątki lat temu, na długo przed konkurencją z Europy. Ale w przeciwieństwie do marek ze Starego Kontynentu, nigdy nie zwiastowali szybkiej przesiadki do aut elektrycznych. I to nie dlatego, że nie uważają, że warto walczyć o redukcję emisji CO2. Wręcz przeciwnie - ale są przekonani, że do zeroemisyjności można się zbliżyć korzystając z różnorodnych rozwiązań.

Gill Pratt, Szef naukowców z Toyota Motor Company opowiadał o zasadzie 1:6:90, według której, w uproszczeniu, materiałem z jednej baterii samochodu elektrycznego można obdzielić 6 hybryd plug-in i 90 aut ze zwykłem napędem hybrydowym. Według Toyoty te 90 hybryd palących mniej niż ich odpowiedniki ze zwykłym napędem, będzie w stanie oszczędzić 35 razy więcej CO2 niż jeden samochód elektryczny, jeżdżący zupełnie bezemisyjnie.

Dlatego Toyota dążąc do zeroemisyjności, do której w Europie chce dotrzeć w 2040, a globalnie - 10 lat później, będzie dalej rozwijać napędy wysokoprężne wzbogacając je o układy hybrydowe typu mild (które po prawdzie dają tyle co nic, ale dobrze wyglądają na papierze) i równocześnie dalej pracować nad hybrydami szeregowymi, plug-inami, ale również rozwijać silniki spalinowe spalające e-paliwa. A do tego chce na dwa sposoby wykorzystać wodór.

Pierwsza opcja to korzystanie z niego jako źródła energii do silnika elektrycznego, przetwarzanego w systemie wodorowego ogniwa paliwowego - tak jak to dzisiaj robi w modelu Mirai. Ogniwo wykorzystując wodór ze zbiorników produkuje energię, która trafia do silnika elektrycznego napędzającego koła. 

Druga opcja to po prostu spalanie wodoru w silniku spalinowym.  Tak, zamiast robić z niego prąd, można wodór po prostu spalić w cylindrze, tak jak benzynę, albo LPG. Miałem nawet okazję zobaczyć taki samochód - dział sportowy GR w Wielkiej Brytanii przystosował do spalania wodoru silnik GR Yarisa. Jak tego dokonał? Niestety, inżynierowie, z którymi rozmawiałem odpowiadali bardzo wymijająco zasłaniając się tajemnicą firmy. Potwierdzili tylko, że auto dostało nowe wtryskiwacze pozwalające na wykorzystanie wodoru, ale poza tym sama jednostka jest taka sama jak w wersji benzynowej. Największą rolę odgrywa optymalizacja oprogramowania. No i oczywiście zbiorniki z wodorem.

I dziś to jest one stanowią największy problem - przynajmniej w niewielkich autach. Objętość zbiorników i w konsekwencji przestrzeń, jaką muszą zająć razem z całą konstrukcją zabezpieczającą, by nie stanowić zagrożenia w przypadku kolizji i zagwarantować bezpieczne ciśnienie w wewnątrz (do 875 barów w czasie tankowania), przekreśla możliwość adaptacji tego rozwiązania w niewielkich autach. Dziś w autach korzystających z wodoru zbiorniki stanowią punkt wyjścia dla inżynierów - to wokół nich buduje się podwozie auta. Dołożenie ich do GR Yarisa, którym zostałem przewieziony po torze, wymagało zajęcia całej przestrzeni za przednimi fotelami. Jednak efekt jest niesamowity - sprawdziłem, ten samochód oferuje wrażenia z jazdy porównywalne z oryginałem.

Zapytałem więc inżynierów działu GR czy na ich stan wiedzy możemy oczekiwać, że w przyszłości da się ograniczyć wielkość zbiorników i np. zwiększyć ciśnienie stłoczonego wewnątrz gazu by zachować sensowny zasięg - stwierdzili, że nie, ale odesłali mnie do namiotu z inżynierami odpowiedzialnymi za rozwój projektów wodorowych w centrali firmy.

Tam usłyszałem, że na obecnym etapie trudno o tym myśleć, bo dodatkowe stłoczenie wodoru wymagałoby zastosowania szeregu zmian, które dodatkowo podrożyłyby cały projekt. Nie bez powodu dziś operuje się dwoma standardami - 350 lub 700 bar. Mój rozmówca wspomniał jednak o jednym teoretycznym rozwiązaniu - zastosowaniu wodoru w stanie płynnym. Wówczas z tej samej objętości dałoby się wykrzesać o wiele więcej energii, albo zmniejszając objętość zbiorników, osiągnąć zasięgi porównywalne z obecnymi.

Połączyłem więc kropki: skoro silnik spalinowy po niewielkich modyfikacjach może pracować zużywając wodór, a korzystając z niego w płynnej formie można zmniejszyć ilość tego pierwiastka potrzebną do uzyskania sporej dawki energii, można by sobie wyobrazić, że po 2035 r. będziemy jeździć do warsztatów i montować gotowe instalacje - wymieniać wtryskiwacze i zbiorniki paliwa, a resztę załatwi wymiana oprogramowania, prawda?

Usłyszałem, że teoretycznie byłoby to możliwe. Ale to nie takie proste. Po pierwsze, przechowywanie wodoru w stanie ciekłym wymaga bardzo niskiej temperatury, poniżej -240 stopni Celsjusza (zwykle jest to około -253 stopni Celsjusza). A do tego potrzeba odpowiedniej instalacji utrzymującej takie warunki, która zajmie miejsce i będzie zużywać energię. Do tego spalanie wodoru nie emituje CO2, ale za to wiąże się z emisją tlenków azotu, więc w układzie wydechowym trzeba by stosować jeszcze wydajniejsze (czyt. droższe) katalizatory. W efekcie taka instalacja, choć teoretycznie możliwa do zbudowania, byłaby nieuzasadniona ekonomicznie.

Według Japończyków w dobie zeroemisyjności będziemy raczej poruszać się po miastach małymi elektrykami, a napęd wodorowy, ale w formie z ogniwami paliwowymi, będzie służył w samochodach wykorzystywanych w dalszych podróżach i w ciężkim transporcie.

Gdzie zatem sprawdzi się spalanie wodoru? Istnieje ryzyko, że nigdzie. Sprawność silnika spalinowego, oceniana w porywach na 40 proc., oznacza konieczność marnowania dużej części nietaniego paliwa. Znacznie praktyczniejsze, nawet w ciężkim transporcie, ma być korzystanie z ogniw paliwowych, które będą produkować prąd z wodoru zgromadzonego w zbiornikach i napędzać z jego pomocą dużo bardziej wydajne od spalinowych silniki elektryczne.

Tak czy inaczej - Toyota pracuje równolegle nad różnymi rozwiązaniami i to klienci z czasem wybiorą, które będzie dla nich najlepsze. Bezpośrednio - w salonach i pośrednio - swoimi politycznymi wyborami. Bo w końcu to nie napędy spalinowe są problemem, a emisja CO2. A Toyota jest jednym z producentów, który pokazuje, że można ją ograniczać inaczej niż ograniczając wybór do aut elektrycznych.