Podstawowym współczesnym źródłem energii, służącym do napędu pojazdów samochodowych są paliwa na bazie ropy naftowej - benzyna i olej napędowy. Paliwa te z punktu widzenia bliższej lub dalszej przyszłości będą zastąpione ich substytutami. Ich szkodliwość dla środowiska z jednej strony, a z drugiej ograniczone zasoby spowodowały konieczność poszukiwania paliw alternatywnych.

Zakłada się, że do 2020 roku minimum 20% paliw zużywanych na cele transportowe będą stanowiły paliwa alternatywne. Ważną rolę odgrywać będzie strategia polityczna, zakładająca celowość i konieczność chociażby częściowego uniezależnienia się od ropy naftowej. Wśród paliw alternatywnych dotychczas szerokie zastosowanie w praktyce osiągnął gaz propan-butan, a ostatnio preferuje się gaz ziemny, natomiast wodór, pomimo trudności technicznych związanych z jego zastosowaniem, może stać się paliwem najbliższej przyszłości. Obecnie wodór jest powszechnie używany w przemyśle rafineryjnym w procesach chemicznych dotyczących pozyskiwania benzyn silnikowych i olejów napędowych. Prognozuje się, że po wyczerpaniu się zapasów ropy naftowej wodór stanie się jednym z podstawowych paliw silnikowych. Zasoby wodoru są praktycznie nieograniczone, gdyż jest to paliwo odnawialne, a produktem spalania jest woda. Należy dodać, że wodór, podobnie jak prąd elektryczny, nie jest źródłem energii, lecz nośnikiem energii. Praktycznie występuje w stanie wolnym, lecz w postaci związków chemicznych zawierających wodór.
Problemem jest jednak otrzymywanie wodoru, gdyż z racji bardzo wysokiej reaktywności wodór występuje w postaci związków chemicznych: wody, węglowodorów, wodorków itp. Otrzymanie wodoru wymaga dostarczenia energii; mogą być do tego stosowane niektóre rodzaje czystej energii jak energia wodna, energia wiatru czy też energia słoneczna.
Przyszłość należy do wodoru pozyskiwanego z energii słońca w procesie dwustopniowym. Pierwszy stopień to przemiana światła słonecznego w energię elektryczną za pośrednictwem rozbudowanego systemu baterii ogniw słonecznych. Drugi, wykorzystujący tę energię, pozwalałby na wykorzystanie wodoru w procesie elektrolizy, powodującym rozpad wody. Wymaga to jednak zastosowania bardzo wysokiej temperatury. Bezpośredni rozpad wody na wodór i tlen następuje w temperaturze 2730OC. Taką temperaturę można uzyskać w reaktorze jądrowym lub w kolektorze słonecznym, w którym soczewki skupiają światło w ognisku. Koszty produkcji tymi metodami są obecnie stosunkowo wysokie w porównaniu z najtańszą metodą wytwarzania wodoru z gazu ziemnego. Metody te jednak zapewniają długotrwałą perspektywę wykorzystania wodoru i są metodami przyjaznymi dla środowiska.
Spore nadzieje wiąże się także z wytworzeniem wodoru przy wykorzystaniu biomasy, przy czym biomasa stanowi produkt wyjściowy w procesach termochemicznych lub biologicznych. Jako biomasę traktuje się wszystkie produkty odpadowe w rolnictwie, jak również specjalnie hodowane rośliny dające duże przyrosty. Należy dodać, że energia otrzymana z biomasy musi być jednak większa niż energia potrzebna do jej wyprodukowania.

Właściwości wodoru jako paliwa silnikowego
Wodór charakteryzuje się unikalnymi właściwościami z punktu widzenia paliwa silnikowego. Właściwości te obejmują: duże ciepło spalania, szerokie granice palności, małą energię zapłonu, wysoką temperaturę samozapłonu, wysoką prędkość spalania, dużą dyfuzyjność, małą odległość gaszenia od ścianki, bardzo małą gęstość, dużą objętość gazowego wodoru w mieszance stechiometrycznej. W tabeli 1 zamieszczono najważniejsze właściwości wodoru, benzyny i metanu jako paliw silnikowych (tab. 1).
Należy przypomnieć, że wytworzenie wodoru wymaga dostarczenia energii, która musi być doprowadzona z innego źródła. Efektywność wodoru jako paliwa silnikowego trzeba więc oceniać, uwzględniając ilość energii możliwą do wykorzystania w porównaniu z ilością energii, która musi być dostarczona do uzyskania paliwa. Każde z paliw stosowanych do zasilania silników spalinowych wymaga dostarczenia pewnej ilości energii, która jest zużywana w procesie przeróbki, transporcie i dystrybucji paliw.
Z punktu widzenia energii jednostkowej odniesionej do 1dm3 benzyny lub paliwa węglowodorowego w różnych stanach wynika, że benzyna jest paliwem zdecydowanie korzystniejszym od wodoru, natomiast spośród trzech stanów tego paliwa najkorzystniejszy jest wodór w stanie płynnym (skroplonym) - rys. 1.
Wodór w stanie gazowym ustępuje wszystkim pozostałym jego stanom pod względem wartości energetycznej, uzyskiwanej z jednostki objętości. Produktami spalania wodoru są para wodna i pewna ilość tlenku azotu. Zasilanie silnika wodorem powoduje istotne zmniejszenie emisji podstawowych związków toksycznych do atmosfery. W tabeli 2 zamieszczono wyniki emisji składników toksycznych z pojazdów zasilanych różnymi źródłami energii (tab. 2).
Ze względu na brak w paliwie węgla w spalinach silnika zasilanego wodorem praktycznie nie występuje dwutlenek węgla, odpowiedzialny w dużym stopniu za efekt cieplarniany. Występują natomiast pewne ilości tlenków azotu (NOX) oraz śladowe ilości tlenków węgla (CO) i węglowodory (HC), powstające w wyniku spalania oleju silnikowego.

Możliwości rozwojowe pojazdów samochodowych zasilanych paliwem wodorowym
Przyszłościowe wymagania dla producentów samochodów o zerowej emisji, jak również wymagania Unii Europejskiej dotyczące obligatoryjnego wykorzystania paliw alternatywnych, pochodzących ze źródeł odnawialnych, stwarzają perspektywy dla wdrożenia być może w niedługim czasie pojazdów zasilanych wodorem. Droga zastosowania wodoru nie jest jednak prosta, ponieważ wymaga nie tylko stworzenia odpowiednich podstaw technicznych do zasilania konwencjonalnych silników, ale także rozwoju odpowiedniej infrastruktury, która musi pochłonąć bardzo duże środki materialne.
Długotrwałe badania w dziedzinie zastosowania wodoru do napędu pojazdów samochodowych wskazują, że docelowym źródłem napędu będą baterie paliwowe, które charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością w stosunku do silników spalinowych.
Dotychczas nie opanowano ekonomicznej i powtarzalnej produkcji wieloseryjnej ogniw paliwowych, co będzie wymagało wielu lat pracy. Istnieje natomiast możliwość zastosowania wodoru do zasilania silników spalinowych, które jest o wiele łatwiejsze do wprowadzenia w sensie technicznym. Zasilanie silników spalinowych wodorem wymusi powstanie infrastruktury dla produkcji, dystrybucji, magazynowania wodoru, co jest niezbędne przy szerokim zastosowaniu wodoru.

Sposoby przystosowania i zasilania silników spalinowych wodorem
Do zasilania wodorem przystosowuje się silniki o zapłonie iskrowym, jak również silniki o zapłonie samoczynnym. Silniki o ZS mają na ogół stopień sprężania duży, toteż wymagają jego zmniejszenia, natomiast silniki o ZI mają zbyt mały i wymagają jego zwiększania, aby uzyskać odpowiednią efektywność procesu spalania. Wodór może być wykorzystywany również do zasilania silników dwupaliwowych, zarówno benzynowych, jak i o zapłonie samoczynnym. Silniki przystosowane do zasilania wodorem nie zapewniają optymalnych charakterystyk jego parametrów roboczych w stosunku do silników fabrycznie skonstruowanych w tym zakresie. Moc silnika zasilanego wodorem jest mniejsza o około 40% w porównaniu z silnikami seryjnymi, co wynika z mniejszej o 35% wartości opałowej mieszanki zgromadzonej w komorze spalania, jak również z faktu, że dwupaliwowego zasilania nie można wysterować na optymalne spalanie wodoru.
W praktyce rozpatrywane są dwie możliwości zasilania silników spalinowych wodorem:
- zasilanie sprężonym wodorem (gazowe);
- zasilanie ciekłym wodorem (skroplonym).
Zasilanie wodorem w postaci gazowej wymaga zastosowania naczyń wysokociśnieniowych o przewidywanym ciśnieniu 60 MPa i więcej; obecnie stosowane są ciśnienia 30 MPa. Zbiorniki paliwowe są ciężkie i z tego powodu ich zastosowanie ogranicza się do ciężkich pojazdów, głównie w samochodach ciężarowych i autobusach. Wprowadza się nowe technologie przewidujące zastosowanie stopów aluminium i włókien węglowych, które pozwalają na zmniejszenie masy całej instalacji zasilania wodorem.
Jedną z firm europejskich, zajmujących się badaniami silników zasilanych sprężonym wodorem, jest firma MERCEDES, która wyposażyła kilka sztuk autobusów w układ zasilania wodorem pod ciśnieniem 30MPa. Dla porównania na tych samych pojazdach są prowadzone równoległe badania zasilania benzyną. Zasilanie silników ciekłym wodorem stwarza bardzo ostre wymagania dotyczące zbiorników kriogenicznych z uwagi na temperaturę skroplenia wodoru, która wynosi -253OC. W silnikach zasilanych ciekłym wodorem podstawowym problemem jest opracowanie konstrukcji zbiornika paliwa z odpowiednią izolacją cieplną, która eliminowałaby przekazywanie ciepła do wodoru i zapobiegałaby jego odparowywaniu, oraz konstrukcja pompy wysokiego ciśnienia, pracującej w warunkach temperatury ciekłego wodoru. W celu zmniejszenia strat wodoru są stosowane dodatkowo, oprócz izolacji cieplnej zewnętrznej, ekrany termiczne, umieszczone między ciepłą a zimną ścianką zbiornika z wodorem.
Przy zastosowaniu ciekłego wodoru masa instalacji paliwowej staje się tylko niewiele większa od masy instalacji zasilania benzyną czy olejem napędowym, natomiast problemem jest bardzo duża objętość. Ponadto pojazd taki musi być przechowywany w pomieszczeniu bardzo dobrze wentylowanym, ponieważ wodór w sposób naturalny paruje, mniej więcej w ilości około 2% na dobę. Parametry porównawcze układu paliwowego w przypadku zasilania w różny sposób magazynowanym wodorem oraz benzyną, zapewniające pojazdowi jednakowy zasięg, podano w tabeli 3.
Bezpieczeństwo stosowania wodoru w stanie ciekłym wymaga, aby cały układ był w pełni szczelny, a zbiornik wyposażony w urządzenie umożliwiające dopalenie części wodoru w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia w zbiorniku. Najlepiej do zasilania wodorem nadają się silniki typu Wankla, nazywane silnikami z wirującym tłokiem. Głównym uzasadnieniem jest obecność wyraźnego rozdziału zimnej strefy ssania od gorących stref spalania ładunku i wydechu spalin, co powoduje wyeliminowanie niekorzystnych zjawisk, jakimi są przedwczesne zapłony, czy cofanie ładunku do układu ssącego w silniku klasycznym.
W praktyce stosowane są cztery systemy (sposoby) zasilania silników wodorem:
- zasilanie gaźnikowe;
- wtrysk wodoru do układu dolotowego;
- wtrysk do kanału dolotowego przed zaworem ssącym;
- wtrysk bezpośredni do komory spalania.
Najłatwiejszym sposobem zasilania silnika spalinowego wodorem jest system gaźnikowy, natomiast najbardziej skomplikowany jest system wtrysku bezpośredniego wodoru do komory spalania. System bezpośredniego wtrysku pozwala całkowicie wyeliminować zjawisko cofania się płomienia do układu dolotowego lub przedwczesny zapłon. Wadą tego systemu jest krótki czas tworzenia mieszanki w cylindrze i brak możliwości dobrego wymieszania wodoru z powietrzem.
System wtrysku bezpośredniego wodoru jest szeroko rozwijany w Japonii, w Mushashi Institute of Technology, gdzie osiągnął najwyższy poziom rozwoju. W Mushashi Institute of Technology powstało już kilkanaście prototypowych samochodów, zarówno osobowych, jak i ciężarowych, w których testowano różne silniki i różne systemy zasilania. Prace w zakresie wtrysku bezpośredniego wodoru do komory spalania są także realizowane w Europie przez firmę BMW.
Ciekawym rozwiązaniem europejskim jest wspólna konstrukcja autobusu, którego silnik jest zasilany gazowym wodorem. Jest to wspólny projekt kilku krajów europejskich, który jest zgodny z tendencjami Unii Europejskiej, a dotyczący szybkiego wdrożenia zastosowań “czystych paliw”, które stanowią priorytet w VI Programie Ramowym. Autobus ma zamontowane na dachu butle ze sprężonym wodorem o ciśnieniu 30 MPa. Poważnym problemem jest masa butli, wynosząca około 2500kg, przy zawartości wodoru wystarczającej na jazdę w zakresie około 200 km. Wymienione przykłady świadczą o intensywności prowadzonych prac badawczych w tym zakresie. Do producentów pojazdów dołączył też koncern paliwowy Aral, budując na lotnisku w Monachium eksperymentalną stację oferującą wodór w postaci płynnej lub gazowej.
Wodór, mimo trudności technicznych związanych z jego zastosowaniem, może stać się paliwem przyszłości, ponieważ jego wykorzystanie odbywa się w zamkniętym obiegu. Zasoby wodoru są praktycznie nieograniczone.
Do najważniejszych zalet wodoru jako paliwa silnikowego należą: szeroki zakres granic palności, mała energia zapłonu, duży współczynnik dyfuzyjności, duże prędkości spalania, wysoka temperatura zapłonu. Podstawową cechą różniącą wodór od innych paliw jest skład spalin. Ze względu na brak w paliwie węgla, w spalinach silnika zasilanego wodorem praktycznie nie występuje dwutlenek węgla, odpowiedzialny za efekt cieplarniany. Toteż wodór uważany jest za najbardziej czyste paliwo pod względem ekologicznym. Głównym składnikiem spalin jest produkt spalania wodoru - para wodna. Ponadto występują tam pewne ilości tlenków azotu oraz śladowe ilości CO i HC, powstające w wyniku spalania oleju silnikowego. Niestety wodór jako paliwo posiada istotne wady, które należy zaznaczyć:
- ze względu na małą liczbę oktanową ma dużą skłonność do spalania stukowego;
- wykazuje silne oddziaływanie chemiczne na metale, szczególnie w podwyższonych temperaturach;
- ma zdolność do rozkładu chemicznego olejów smarujących, przez co tworzą się agresywne związki oddziaływujące negatywnie na elementy silnika;
- ma małą gęstość energetyczną, nawet w stanie skroplonym;
- stwarza duże trudności z przechowywaniem wytworzonego produktu;.
Istnieje kilka możliwych rozwiązań wykorzystania wodoru jako paliwa do silników spalinowych. Za najbardziej perspektywiczne wykorzystanie wodoru uznaje się zastosowanie go w ogniwach paliwowych ze względu na wyż-szą sprawność ogniw paliwowych niż silników spalinowych. Zadanie to trzeba traktować jako dalszoplanowe, gdyż stan opracowania ogniw paliwowych oraz ich koszty nie spełniają wymagań dla produkcji wieloseryjnej. Postęp technologiczny, jaki dokonuje się w tej dziedzinie, musi uwzględniać uzyskanie odpowiedniego poziomu osiągów pojazdu zasilanego wodorem, niezawodności, bezpieczeństwa oraz atrakcyjność handlową.
Wyrazem pewnego braku zaufania do wodoru jako przyszłościowego czynnika pędnego jest prognoza paliwowa na lata 2000-2030 dla Unii Europejskiej. Według materiałów źródłowych prof. Lentza H. P. (2003 r.) w 2030 roku ok. 6% energii będzie uzyskiwane z wodoru jako paliwa silnikowego. Tę ocenę należy wiązać z rezultatami ciągnionego bilansu energetycznego. Z licznych publikacji naukowych wynika, że ten bilans dla wodoru jest najbardziej niekorzystny ze wszystkich rozważanych paliw alternatywnych. Wydaje się więc, że dopiero zrealizowanie fuzji jądrowej, a następnie tanie produkowanie wodoru przez elektrolizę wody może prowadzić do powszechnego stosowania wodoru do zasilania ogniw paliwowych w samochodach. Wiązałoby się to z równoczesnym ograniczeniem emisji CO2, który wyzwala się w czasie pracy zlokalizowanych w samochodach reformatów, będących obecnie źródłem wodoru dla ogniw paliwowych. Należy zatem sądzić, że w perspektywie najbliższych kilkudziesięciu lat wodór nie będzie podstawowym paliwem służącym do zasilania pojazdów samochodowych.

Janusz Jakóbiec
Grzegorz Wysopal
Instytut Technologii Nafty - Kraków