Samochody na wodór. Dlaczego producenci nie spełniają swoich obietnic? [MOTO 2030]

Łukasz Kifer
Od wielu dekad producenci samochodów opowiadają nam, że wodór jest przyszłością motoryzacji. Dlaczego wciąż nie mamy takich aut? Czy kiedykolwiek nadejdzie czas ogniw paliwowych? Czy powstanie polski samochód z ogniwem paliwowym?

MOTO 2030 to copiątkowy cykl Gazeta.pl, w którym poruszamy najważniejsze tematy dotyczące przyszłości motoryzacji, transportu, technologii. Samochody, drogi i miasta bardzo dynamicznie zmieniają się na naszych oczach. Co piątek dziennikarze Moto.pl będą o tych zmianach pisać. Tutaj znajdują się wszystkie artykuły z cyklu MOTO 2030.

Przede wszystkim trzeba pamiętać, że samochody wodorowe są tak naprawdę na prąd. Moment obrotowy jest wytwarzany przez silnik elektryczny, wodór to jedynie nośniki energii. Ich konstrukcja jest zbliżona do zdobywających szturmem rynek samochodów elektrycznych. Wydaje się, że w porównaniu z nimi mają wiele zalet, a jednak wciąż przegrywają.

Najważniejszą różnicą pomiędzy samochodem elektrycznym i "wodorowym" jest źródło prądu. W tak zwanym samochodzie EV (Electric Vehicle) energia elektryczna jest czerpana z akumulatorów zwanych popularnie bateriami, a naukowo: ogniwami galwanicznymi.

Zobacz wideo

Jak działa samochód na wodór?

W samochodzie wodorowym określanym skrótem FCV (Fuel Cell Vehicle) prąd wytwarza na bieżąco ogniwo paliwowe. Takie auta również są wyposażone w akumulatory, ale o małej pojemności. Pełnią podobną funkcję jak w autach hybrydowych. Pośredniczą w przekazywaniu energii elektrycznej i dostarczają prąd od razu po uruchomieniu auta, zanim ogniwo paliwowe zdąży się rozgrzać.

Schemat działania ogniwa paliwowego i galwanicznego (akumulatora) też jest podobny. W jednym i drugim prąd jest generowany w efekcie przez uwolnienie elektronów z anody, które swobodne przepływają do drugiej elektrody, czyli katody.

Podstawowa różnica jest taka, że w akumulatorach trzeba zgromadzić energię wcześniej, ładując je zewnętrznym źródłem prądu, a w ogniwie paliwowym jest wytwarzana na bieżąco. Katalizator na anodzie rozbija dostarczany wodór na protony i elektrony, które przemieszczają się do katody.

Gumpert NathalieGumpert Nathalie fot. Gumpert

Tam wodór łączy się z tlenem i tworzy jedyny produkt uboczny tej reakcji - wodę. Ogniwo paliwowe generuje elektryczność bez spalania paliwa i utleniacza, dlatego nie wytwarza żadnych szkodliwych dla ludzi i środowiska substancji. Genialne, prawda?

Większość ogniw paliwowych jest zasilana wodorem, bo ten gaz ma najwyższy współczynnik przewodzenia ciepła, ale zdarzają się również takie, w których paliwo stanowi metan albo metanol. Prototyp samochodu sportowego Nathalie z ogniwem zasilanym metanolem pokazał niemiecki niszowy producent Gumpert.

Największy problem tkwi w tym, że samochodów na ogniwa paliwowe wciąż jest bardzo niewiele. Modele znajdujące się w sprzedaży na całym świecie można policzyć na palcach jednej ręki.

Jakie samochody z ogniwem paliwowym można kupić?

W Polsce niestety żadnego. Toyota zapowiada, że sprzedaż najbardziej znanego auta na wodór, czyli modelu Mirai najnowszej generacji, rozpocznie się w 2021 roku. Mirai jest jednym z najpopularniejszych aut tego typu na świecie. Pierwsza generacja trafiła do oferty japońskiego producenta w 2015 roku. Teraz mamy do czynienia z drugą.

Mirai długo był najpopularniejszym autem tej kategorii na świecie, ale ostatnio skutecznie podgryza go Hyundai ze swoim modele Nexo. Wodorowy SUV był w 2019 roku najlepiej sprzedającym się samochodem klasy FCV na całej planecie. Wprawdzie 90 proc. z ponad 4800 egzemplarzy trafiło na drogi Korei Południowej, ale mimo wszystko - rekord to rekord. W tym samym roku Toyota sprzedała nieco ponad 2400 sztuk starzejącego się Miraia. Wkrótce zastąpi go zupełnie nowy model.

Hyundai NexoHyundai Nexo fot. Hyundai

Pozostałe auta nie mają szans z tą dwójką. Honda oferuje w Japonii i Kalifornii model Clarity Fuel Cell, ale całkowita sprzedaż osiągnęła zaledwie 349 sztuk. Mercedes przez dwa lata miał w gamie bardzo ciekawy model GLC F-Cell skonstruowany na bazie SUV-a GLC, ale wiosną 2020 roku zdecydował się zakończyć jego wytwarzanie ze względu na zbyt wysokie koszty. W podjęciu tej decyzji na pewno miała udział pandemia i lawinowo rosnąca popularność samochodów EV.

Szkoda, bo Mercedes GLC F-Cell był jedynym samochodem z podwójnym źródłem energii elektrycznej. Silnik mógł być zasilany prądem z akumulatora trakcyjnego (jak klasyczny samochód EV) albo ogniwa paliwowego (jak auto klasy FCV). Na samym akumulatorze, dzięki jego sporej pojemności, dawało się przejechać około 50 km. Na zbiorniku, w którym mieściło się 4,4 kg wodoru, ponad 400 km.

Mercedes się poddał, za to BMW ma plan wprowadzić w 2022 roku do sprzedaży model X5 iHydrogen Next zasilany ogniwem paliwowym, opracowanym dzięki technologii Toyoty. Z kolei Audi już w 2016 roku ogłosiło partnerstwo z Hyundaiem. Ciągle czekamy na jego komercyjne efekty. Również Jaguar i Land Rover poinformowali o pracach nad samochodami z ogniwami paliwowymi. Współpraca z kilkoma brytyjskimi firmami ma kryptonim Zeus, ale to odległa przyszłość.

W teorii auta na wodór mają same zalety

No właśnie, w takim razie dlaczego samochody na ogniwa paliwowe nie zyskują na popularności? Całkowita sprzedaż takich aut do końca 2019 roku wynosiła mniej niż 10 tys. sztuk. A przecież teoretycznie rozwiązują wszystkie problemy związane z autami elektrycznymi na akumulatory. Chodzi o niski zasięg, długi czas ładowania, wysoką masę oraz nieobojętną dla środowiska produkcję akumulatorów.

Samochód z ogniwem paliwowym można zatankować w kilka minut i przejechać nim nawet ponad 600 km. W dodatku ogniwa wodorowe nie ważą wiele i starzeją się znacznie wolniej niż akumulatory, a jedyną wytwarzaną w czasie jazdy substancją jest woda. W czym tkwi problem?

Jest ich niestety więcej, niż chcieliby widzieć propagatorzy takich samochodów. Najważniejsze to: wysokie ceny, niska efektywność energetyczna w porównaniu z autami EV, brak infrastruktury i mało ekologiczny sposób przemysłowego pozyskiwania wodoru.

Dwa pierwsze utrudnienia wiążą się z pionierskim etapem wprowadzania tej technologii i można by je pokonać, zwiększając skalę produkcji. Wtedy spadłby koszt wykonania ogniw i pojawiłaby się sieć stacji paliwowych. Taki sam problem miały auta elektryczne na akumulatory w przeszłości.

Tylko że nowe technologie trudno jest spopularyzować. Nie można wygodnie używać samochodu na wodór, bo nie ma sieci stacji tankowania tym paliwem (w Polsce pierwsza ma powstać w 2021 roku). A stacji nie ma, bo niska liczba aut nie daje uzasadnienia ekonomicznego do ich zbudowania. Koszt jednej to ponad milion euro. Bez wspomagania rządowego takie zapętlenie może trwać wiecznie.

Mercedes GLC F-CellMercedes GLC F-Cell fot. Łukasz Kifer

Boom na samochody elektryczne odwraca uwagę od ogniw paliwowych

W pokonaniu problemów wieku dziecięcego przeszkadza nagły wzrost popularności samochodów EV, które są coraz lepsze i mają coraz większy zasięg. Rosnąca skala sprzedaży sprawia, że spadają ich ceny i poprawia się infrastruktura ładowania. Poza tym samochody elektryczne w przeciwieństwie do "wodorowych" można ładować również w domu lub pracy.

Kolejny kłopot to niska efektywność samochodów na ogniwa paliwowe. Wodór jest bardzo dobrym nośnikiem energii, ale sprawność ogniw na wodór wynosi w tej chwili około 60 proc. To i tak dwa razy więcej niż najlepszych silników spalinowych, ale nic w porównaniu ze sprawnością samochodów na akumulatory, gdzie w grę wchodzą właściwie tylko straty silnika elektrycznego, które wynoszą 5-10 proc.

Sprawa wygląda jeszcze gorzej, jeśli przyjrzymy się całemu procesowi przekształcania energii w łańcuchu zasilania wodorem. Jeśli chcemy uzyskać ten pierwiastek w sposób ekologiczny, konieczna jest elektroliza, która zużywa prąd. Potem ten proces odwracamy w ogniwie paliwowym. Całkowita sprawność takiej operacji to 25-35 proc., podczas gdy w samochodach elektrycznych wymagane jest tylko pozyskanie energii i jej składowanie, dzięki czemu efektywność pozostaje na poziomie 70-90 proc., zgodnie z danymi przedstawionymi przez koncern Volkswagen.

Skąd się bierze wodór?

Tak wygląda sytuacja, jeśli chcemy, żeby cały proces był przyjazny dla środowiska, wykorzystywał energię odnawialną, a jej pozyskanie odbywało się w zrównoważony sposób. W tej chwili około 90 proc. wodoru jest wytwarzane inną metodą zwaną reformingiem parowym metanu. Wodór zostaje oddzielany od głównego składnika gazu ziemnego w procesie, który zużywa dużo energii i zwiększa emisję CO2. Na każdą cząsteczkę wodoru H2 przypada jedna dwutlenku węgla CO2.

W ten sposób jest wytwarzany wodór na całym świecie. W Polsce przekształca się go rocznie około miliona ton. Rynek samochodów wodorowych byłby szansą dla polskiego przemysłu wydobywczego, ale stosowana metoda, choć znacznie tańsza od elektrolizy, nie jest obojętna dla środowiska. Inną przeszkodą może być niewystarczająca czystość wodoru uzyskanego w procesie reformingu metanu.

Ostatnio mówi się o innych sposobach. Wodór da się pozyskiwać z węgla, efektywny sposób wymyślili Australijczycy. Ale wciąż jesteśmy uzależnieni od paliw kopalnych. Bardzo obiecujące wydaje się wytwarzanie wodoru z biomasy odpadowej, bo dzięki temu rozwiązujemy dwa problemy jednocześnie: pozbywania się odpadów i produkcji energii. To na razie pieśń przyszłości.

I tak samo w tej chwili jest z samochodami wyposażonymi w ogniwa paliwowe. Najwięksi sceptycy twierdzą, że ze względu na powyższe wady nigdy nie zdobędą popularności. Zalicza się do nich Elon Musk, który nazywa je "fool cells" (ang. głupie ogniwa) i twierdzi, że niska efektywność skazuje je na porażkę już na starcie.

Nie wszyscy tak uważają. Dlatego wiele koncernów motoryzacyjnych inwestuje w rozwój ogniw paliwowych, licząc, że związane z tym koszty zwrócą się w przyszłości. Takie źródło zasilania prądem najprędzej sprawdzi się w ciężkich pojazdach: autobusach, ciężarówkach i maszynach budowlanych. Tam, gdzie wysoka masa akumulatorów staje się dużym kłopotem.

Toyota MiraiToyota Mirai fot. Toyota

Polski samochód wodorowy

Potencjalnie samochody na ogniwa paliwowe mogłyby być też szansą dla polskiego przemysłu wydobywczego i motoryzacyjnego. Ryzykowną i kosztowną, ale w przeciwieństwie do polskich samochodów elektrycznych nieskazaną z góry na porażkę. W podobną stronę patrzy między innymi rząd Wielkiej Brytanii.

Zamiast wspierać produkcję samochodu na akumulatory dla milionów Polaków, można by spróbować wypełnić niewielką, ale istniejącą i niezagospodarowaną niszę. Opracować auto na ogniwa paliwowe w oparciu o dostępne technologie i rozwinąć infrastrukturę dystrybucji i sprzedaży pozyskanego w Polsce paliwa.

Podobny program pod nazwą Polska Strategia Wodorowa niedawno ruszył pod egidą Ministerstwa Klimatu. Za jakiś czas pewnie poznamy jego szczegóły, a kiedyś może nawet ujrzymy efekty.

Jaka przyszłość czeka samochody na wodór? W uproszczeniu można napisać, że auta spalinowe są przeszłością motoryzacji, hybrydowe to jej teraźniejszość, a najbliższą przyszłość stanowią samochody elektryczne na akumulatory. Popularne pojazdy z ogniwami paliwowymi to na razie pieśń przyszłości. Jak odległej, okaże się za pewien czas. Nie skazujmy ich na porażkę, bo postęp techniczny już wielokrotnie zaskoczył naszą cywilizację, zmieniając ją nie do poznania.

Honda Clarity Fuel CellHonda Clarity Fuel Cell fot. Honda