Od ponad stu lat rządzą samochody z silnikami spalinowymi. Widzimy je w autobusach, ciężarówkach, maszynach budowlanych, statkach i samolotach. Ten układ napędowy zapewnił rozwój transportu na całym świecie, ale generuje duże emisje dwutlenku węgla i innych szkodliwych substancji. Presja na obniżenie emisji rośnie. Stąd pojawiają się koncepcje zmiany paliwa na coś bardziej przyjaznego środowisku. Najgłośniejsze stały się samochody elektryczne na baterie. Zyskują popularność, szczególnie w obszarze aut osobowych. Niestety, ograniczony zasięg, wysokie koszty baterii i słaba infrastruktura ładowania powodują opór w branży ciężkiej, dalekodystansowej i maszynach poza drogami.
Stąd pytanie: czy można zachować silnik spalinowy, a jednocześnie obniżyć emisje prawie do zera? Możliwe rozwiązanie oferują wodorowe silniki spalinowe. W literaturze branżowej występują jako H2ICE, czyli Hydrogen Internal Combustion Engine. W miejscu paliwa klasycznego pojawia się wodór. Nie ma w nim węgla, więc emisja CO₂ spada do zera. Co ważne, sama konstrukcja może przypominać obecny silnik tłokowy. Trzeba jednak uwzględnić różnice we wtrysku, układzie zasilania i przechowywaniu wodoru.
Na czym to polega
Technologia jest znana od dawna, ale wcześniej pozostawała na marginesie. Teraz pojawia się w centrum dyskusji o dekarbonizacji transportu. Eksperci z IDTechEx wskazują, że wodorowy silnik spalinowy to odwieczne zagadnienie, które nigdy na dobre nie trafiło do masowej produkcji. Jednak narastająca mobilizacja przemysłu i rządzie cele klimatyczne mogą dać H2ICE nowy impuls.
Podstawowy problem to emisja tlenków azotu (NOx). Wodór nie zawiera węgla, ale podczas wysokiej temperatury spalania azot z powietrza może reagować. Tworzą się NOx. Terapia polega na stosowaniu odpowiednich proporcji powietrza, tak zwanej mieszanki ubogiej, i specjalnych systemów oczyszczania spalin (EATS). IDTechEx przeanalizowało takie instalacje w silnikach diesla. Można przenieść tę wiedzę na grunt wodoru. Chodzi o katalizatory, pułapki NOx lub selektywną redukcję katalityczną.
Wyzwanie z magazynowaniem wodoru
Nawet jeśli uda się efektywnie spalać wodór z minimalną emisją NOx, pozostaje kwestia przechowywania paliwa. Wodór to najlżejszy pierwiastek, ale jego gęstość energetyczna objętościowa jest bardzo niska. Aby uzyskać realny zasięg, stosuje się wysokie ciśnienie, np. 350 albo 700 bar. Alternatywnie, można przechowywać wodór w postaci ciekłej, co pozwala zagęścić energię, lecz wymaga utrzymywania niskiej temperatury, a to z kolei generuje koszty i ryzyko odparowania (boil-off).
Trzeba też pamiętać, że H2ICE zużywa więcej wodoru niż napęd ogniwem paliwowym (FCEV). Silnik spalinowy nie jest tak wydajny. Dlatego, by przejechać ten sam dystans, bak musi być większy. Rozwiązaniem bywa jeszcze wyższe ciśnienie albo chłodzenie kriogeniczne. To wszystko podnosi złożoność systemu i wymaga rozbudowanej infrastruktury.
Możliwe sektory zastosowań
IDTechEx rozważa różne rynki. W autach osobowych wodorowy silnik spalinowy raczej przegra z bateriami lub ogniami paliwowymi. Jednak w maszynach budowlanych, rolnictwie czy górnictwie może być inaczej. Tam łatwość adaptacji klasycznego silnika i nieco mniejsze wymagania co do gęstej sieci ładowania mogą mieć znaczenie. Nie wszędzie akumulatory albo ogniwa paliwowe są optymalnym rozwiązaniem. Silniki spalinowe potrafią pracować w ciężkich warunkach. Jeśli zastąpimy diesel wodorem, eliminujemy CO₂, a masowy problem smogu może być złagodzony poprzez zaawansowane systemy redukcji NOx.
W transporcie ciężarowym na długich dystansach pojawia się konkurencja z ogniwami wodorowymi (FCEV). One zapewniają wyższą sprawność, ale wymagają skomplikowanego zestawu ogniwa i elektrycznego układu napędowego. Silnik wodorowy, choć mniej wydajny, wykorzystuje znaną technologię spalinową. Firmy z wielkim zapleczem produkcji silników mogą traktować to jako mniejszą rewolucję i szybsze wdrożenie. W lotnictwie podobne spory wciąż są na etapie koncepcji. Duże samoloty pasażerskie raczej zyskują nadzieje na ogniwa paliwowe lub paliwa syntetyczne. Ale niewielkie maszyny, np. rolnicze czy cargo, mogą kiedyś testować H2ICE, jeśli okaże się to tańsze lub prostsze.
Koszt i dostępność wodoru
Sam wodór musi być zielony, by miało to sens ekologiczny. Produkcja wodoru z węglowodorów, np. z gazu ziemnego, mija się z celem. Zamiast tego przyda się zielona energia i elektrolizery. To wciąż drogie rozwiązanie. Rozwój sieci stacji wodorowych także dopiero raczkuje. W efekcie pojazdy wodorowe – spalinowe czy w technologii ogniw paliwowych – wciąż pozostają niszą. W najbliższych latach kluczowe będą dotacje, inwestycje w infrastrukturę i spadające koszty zielonej energii.
Analiza perspektyw
Przyszłość H2ICE zależy w dużej mierze od tego, czy kluczowe sektory przemysłu i transportu upewnią się, że dopracowane są sposoby na obniżanie NOx i magazynowanie wodoru. Jeśli takie technologie staną się powszechnie dostępne, koszty spadną. Może wtedy doczekamy się realnego renesansu silnika spalinowego, tylko napędzanego wodorową mieszanką. Niektórzy uważają, że to mrzonka i lepiej skupić się na elektryfikacji opartej na akumulatorach lub ogniwach paliwowych. Inni widzą plus w łatwej adaptacji fabryk i warsztatów, co daje szanse skrócenia czasu przejścia na bezemisyjne warianty.
Trudno dziś jednoznacznie przesądzić, czy wodór w silnikach spalinowych stanie się kluczowym trendem. IDTechEx przewiduje, że pewne rynki niszowe mogą sięgnąć po tę technologię. W innych zastosowaniach rodzi się konkurencja z wydajniejszymi systemami wodorowymi (FCEV) i z akumulatorami (BEV).
Czy według Was to cudowny ratunek dla branży spalinowej, czy raczej krótkotrwała próba uniknięcia nieuchronnej elektryfikacji? Zapraszam do dyskusji. Wodorowe silniki spalinowe mają swoje plusy: wykorzystują istniejącą infrastrukturę silnikową, a emisja CO₂ może spaść do zera. Mają też poważne minusy, głównie w kwestii przechowywania paliwa i nieco niższej sprawności. Czas pokaże, czy ta technologia zdobędzie wystarczającą popularność, czy pozostanie ciekawostką w cieniu ogniw paliwowych i baterii. Istotne będzie też, jak dynamicznie rozwinie się rynek zielonego wodoru. Bez taniego i łatwo dostępnego paliwa wodorowego trudno oczekiwać, że H2ICE wyjdzie poza wąskie branżowe zastosowania. A może pewne obszary, takie jak górnictwo lub rolnictwo, wkrótce zyskają nowego ulubieńca? Wspólnie poczekajmy na dalszy rozwój i obserwujmy kolejne ruchy producentów, regulatorów i operatorów energii. Tylko wtedy dowiemy się, czy wodór naprawdę odrodzi silniki spalinowe.
Dołącz do dyskusji