211service.com
Prowadzenie „eko-luksusowego” samochodu na wodór
W zeszłym tygodniu należałem do grupy dziennikarzy, którzy jako pierwsi pojechali gotowym do produkcji samochodem BMW Hydrogen 7 w Berlinie. Samochód dwupaliwowy, który może przełączać się między spalaniem benzyny a wodorem za naciśnięciem jednego przycisku, jest bezsprzecznie niezwykłym osiągnięciem inżynieryjnym. I tak, emituje głównie parę wodną. Gdyby tylko rzeczy były takie proste; gdyby tylko wodór był rzeczywiście praktycznym paliwem.
Największym wyzwaniem dla BMW było zaprojektowanie zbiornika do przechowywania ciekłego wodoru w temperaturze –253°C. Pomiędzy dwiema warstwami zbiornika ze stali nierdzewnej znajduje się próżnia i kilka warstw aluminium i włókna szklanego. Grafika przedstawia dyszę ze stacji napełniania wodorem przymocowaną do portu zbiornika. (Źródło: BMW)
BMW od kilku lat produkuje prototypowe samochody na spalanie wodorowe. Firma pracuje również nad wodorowymi ogniwami paliwowymi do samochodów z napędem elektrycznym, ale okazało się, że nie może uzyskać takiej samej mocy silnika, jaka jest możliwa podczas spalania wodoru. (Dostajesz samochód, ale to nie jest BMW, wącha Thomas Melcher, szef działu inżynierii układów napędowych w BMW.)
Multimedialne
POKAZ SLAJDÓW: Zobacz zdjęcia samochodu
Teraz BMW reklamuje wersję, która przeszła rygorystyczne etapy rozwoju produktu i teoretycznie mogłaby być produkowana masowo. W praktyce jednak firma wyprodukuje tylko 100 samochodów i zacznie je wynajmować w przyszłym roku starannie wybranym i jeszcze nienazwanym osobom w ramach masowej akcji reklamowej na całym świecie.
BMW nazywa to eko-luksusem: samochód, który twierdzi, że jest przyjazny dla środowiska, ale ma dużą moc i wszystkie dodatki. BMW określa wysiłki jako szlachetne, pionierskie dążenie do przyjęcia technologii wodorowej. Zdarza się również, że podwaja się jako ekologiczny wysiłek marketingowy w czasach rosnącego zaniepokojenia globalnym ociepleniem napędzanym spalaniem paliw kopalnych.
Jadąc autostradą A-10 z prędkością 200 kilometrów na godzinę, nacisnąłem przycisk na desce rozdzielczej, który przełączył samochód z benzyny na wodór. Jedyne, co zauważyłem, to dźwięk: silnik przeszedł w wyższy skowyt. Zaświecił się czerwony symbol H2. Samochód bez żadnej czkawki spalał teraz wodór w tych samych butlach, które jeszcze przed chwilą spalały benzynę. Ale masywny 12-cylindrowy, 6-litrowy silnik wytwarza tylko 260 koni mechanicznych podczas spalania wodoru. Dlatego inżynierowie BMW zmniejszyli wydajność spalania benzyny, aby zapewnić porównywalną wydajność obu paliw. (Zwykle 12-cylindrowy silnik na benzynie wytwarza około 400 koni mechanicznych.)
Mimo to firma poszła dalej niż jakakolwiek inna w regulacji spalania wodoru. Zaledwie trzy lata temu silnik pracował przez kilka minut, a następnie zepsuł się z wielkim hukiem, mówi Melcher. Bum. Kochamy eksplozje! śmieje się. Okazało się, że trochę wodoru przeciekało przez tłoki, mieszając się z olejem i eksplodując. Ten problem został rozwiązany poprzez modyfikację pierścieni tłokowych, aby zapobiec wyciekom. Systemy sterowania silnikami również musiały zostać zmodyfikowane, aby radzić sobie ze znacznie szybszym spalaniem wodoru – spala się on 100 razy szybciej niż benzyna – i regulować go w taki sposób, aby utrzymać emisje produktów ubocznych spalania, takich jak tlenki azotu, na śladowych poziomach.
Jazda samochodem była fajna, ale głównie dlatego, że pochodził z BMW serii 7. Fakt, że spalał wodór, nie był niczym niezwykłym z punktu widzenia kierowcy. To, co znajdowało się w bagażniku, było znacznie ciekawsze: zdjęcie filcowego panelu odsłoniło lśniący, stalowy zbiornik na wodór, który był wielkości pełnowymiarowej beczki piwa i pochłaniał połowę przestrzeni bagażnika.
Ten czołg wprawił w zakłopotanie inżynierów BMW bardziej niż cokolwiek innego. Bardzo chcieli pokazać, że wodór może być następną benzyną – po prostu kolejną cieczą, którą można wlać do baku. Ale wodór chce być gazem. Aby stał się płynem, musisz go schłodzić do mroźnej -253 °C. Utrzymanie tak niskiej temperatury w zbiorniku samochodowym przez dowolny okres czasu jest niezwykle trudne.
W rzeczywistości nikt jeszcze do końca nie rozwiązał problemu. BMW zaprojektowało dwuścienny zbiornik ze stali nierdzewnej o wadze 129 kilogramów. Pomiędzy dwiema stalowymi warstwami znajduje się próżnia i wielowarstwowa izolacja zaprojektowana do odbijania ciepła. BMW chwali się, że gdyby wsadzić do baku śnieżkę, nie stopiłaby się ona przez 13 lat. Niestety, wlej do zbiornika ciekły wodór, a po kilku godzinach zacznie się gotować.
Gdy wodór przechodzi w stan gazowy, wewnątrz zbiornika wzrasta ciśnienie. W pewnym momencie otwiera się zawór bezpieczeństwa. Ulatnia się niewielka ilość wodoru (około 10 do 12 gramów na godzinę), przechodzi przez katalizator, zamieniając go w wodę, i wychodzi z samochodu przez specjalną rurkę w tylnym zderzaku. Jeśli nie prowadzisz samochodu, to upłynie tylko 17 godzin, zanim rozpocznie się odpowietrzanie. Napełniony do połowy zbiornik prawie całkowicie wygotuje się w ciągu dziewięciu dni.
Jeśli zbiornik jest w jakiś sposób uszkodzony i gotowanie następuje znacznie szybciej, otwiera się drugi zawór i surowy wodór jest doprowadzany do portu w dachu. Ponieważ te procesy ucieczki wodoru są wciąż w fazie rozwoju i budzą potencjalne obawy dotyczące bezpieczeństwa, BMW nalega, aby użytkownicy nie parkowali samochodu w zamkniętym garażu. Firma pracuje nad zbiornikami nowej generacji przy użyciu lżejszych materiałów, jednocześnie obserwując materiałoznawstwo pod kątem możliwych nowych metod przechowywania, takich jak przechowywanie wodoru w materiałach nanoinżynieryjnych.
Mimo to fajnie było zaparkować na stacji benzynowej Total pod Berlinem – jednej z kilku demonstracyjnych stacji tankowania samochodów wodorowych w Europie, wraz z kilkoma innymi rozsianymi po całym świecie – i napełnić smukłą maszynę ciekłym wodorem. Napełnienie zajmuje około ośmiu minut. Cena detaliczna wynosiła 8 euro (około 10,60 USD) za kilogram wodoru, którego zawartość energetyczna odpowiada w przybliżeniu jednemu galonowi benzyny.
Klaus Draeger, kierownik badań BMW, sugeruje, że wodór jest dziś tam, gdzie benzyna była 100 lat temu. Sto lat temu, mówi, kto mógłby sobie wyobrazić, że będzie ogólnoświatowa sieć stacji benzynowych? Tylko nieliczni wizjonerzy mogliby sobie to wyobrazić. Wielu inżynierów BMW unoszących się nad dziennikarzami zauważyło, że radykalne zmiany infrastruktury nie są dużym wyzwaniem. I prawdopodobnie mają rację. Widziałem zdjęcia pokazujące, jak Berlin wyglądał 60 lat temu. Trudno nie zgodzić się, że infrastrukturę można całkowicie odbudować w ciągu kilkudziesięciu lat.
Ale tylko wtedy, gdy ma to sens. W tym przypadku infrastruktura nie jest największym problemem. Największym problemem jest wodór. Nie możesz go po prostu wykopać z ziemi i spalić. Musisz albo wydobyć go z paliw węglowodorowych, co jest sprzeczne z celem czystej energii, albo wydobyć go z cząsteczek wody, stosując elektryczność – co oznacza, że albo spalasz paliwo kopalne z powrotem w elektrowni, albo odbierasz bardzo potrzebną odnawialną energię elektryczną z sieci energetycznej.
Kiedy wydobywasz wodór z paliw kopalnych, w rzeczywistości emitujesz więcej dwutlenku węgla. W rzeczywistości prowadzenie samochodu, którego wodór został wyekstrahowany z gazu ziemnego, powoduje mniej więcej dwukrotne zwiększenie emisji dwutlenku węgla podczas jazdy samochodem, który po prostu spala gaz ziemny bezpośrednio. Aby wydobycie wodoru z paliw kopalnych miało kiedykolwiek sens z punktu widzenia ochrony środowiska, oddzielony dwutlenek węgla musiałby być sekwestrowany pod ziemią.
A jeśli używasz energii elektrycznej do rozdzielania wody, musisz upewnić się, że sama energia elektryczna nie pochodzi z paliw kopalnych. Energia elektryczna musiałaby pochodzić ze źródła odnawialnego, takiego jak wiatr czy słońce. Nie jest jasne, czy produkcja wodoru jest najrozsądniejszym sposobem wykorzystania energii odnawialnej, z wyjątkiem marginalnego: może pochłaniać energię elektryczną w bardzo wietrzne lub bardzo słoneczne dni, kiedy elektrownie odnawialne wytwarzają nadwyżkę podaży.
BMW utrzymuje, że gdy osiągniemy przełom w dostawach energii ze źródeł odnawialnych i przechowywaniu wodoru, samochody oparte na technologii Hydrogen 7 mogą zapełnić każdy podjazd – a być może nawet każdy garaż. Chcę, żeby firma miała rację. Pomysł na samochód o wysokich osiągach, który w zasadzie emituje tylko parę wodną, jest bardzo kuszący. Ale na razie Hydrogen 7 wydaje się być niezwykłym osiągnięciem inżynieryjnym na przyszłość, która może nigdy nie nadejść.