Technologia samochodów na wodór już w Polsce. Toyota Mirai

Auta elektryczne to najbliższa przyszłość. Obecnie krystalizują się główne drogi dojścia do bezemisyjnej motoryzacji. Bezwzględnie grupę aut miejskich opanują elektryczne samochody akumulatorowe. Jednocześnie od kilku lat trwa w Europie ożywiona dyskusja nad równoległą technologią – produkcją prądu w czasie rzeczywistym na pokładzie auta w reakcji chemicznej wodoru z tlenem. To rozwiązanie pozbawia auto ciężkiej sekcji akumulatorów. Poprawia także funkcjonalność oraz skraca czas tankowania do zaledwie kilku minut, utrzymując zasięgi znane z aut konwencjonalnych. Ta bezemisyjna technologia wkracza też do Polski. W kwietniu zadebiutuje w salonach Toyoty wodorowy model Mirai. Do połowy roku pojawią się, zgodnie z zapowiadaną Narodową Strategią Wodorową, pierwsze stacje tankowania wodoru.

Samochody elektryczne na baterie

Rozwój aut elektrycznych postępował od początku 20. wieku. Choć samochody na baterię mają długą tradycję i dekady rozwoju za sobą, okazuje się, że postęp technologiczny w praktyce przyniósł ograniczone rezultaty. Na przykład model Detroit Electric z 1916 roku wyposażony w baterie niklowo-żelazowe miał zasięg 340 km. Co ciekawe, jego ładowanie trwało tylko 8 godzin. Dla porównania, jak podaje Electric Vehicle Database, w 2020 roku średni zasięg samochodów elektrycznych wynosił 313 km. Z kolei z raportu portalu pod-point.com dowiadujemy się, że średni czas ładowania samochodów elektrycznych w 2020 roku to 8 godzin. Dlatego poszukiwane są rozwiązania, które pozwolą korzystać z silnika elektrycznego, zastępując magazynowanie energii elektrycznej w ciężkich i wymagających czasochłonnego ładowania akumulatorach. Obecny poziom rozwoju technologii wodorowych ogniw paliwowych stwarza podstawy dla tej równoległej drogi elektryfikacji samochodów.

Toyota Mirai – elektryczny samochód z własną elektrownią wodorową

Toyota Mirai jest samochodem elektrycznym, który nie wymaga czasochłonnego ładowania baterii. Dzięki ogniwom paliwowym Mirai wytwarza energię potrzebną do zasilania silnika na bieżąco w czasie jazdy. Energia elektryczna powstaje na skutek reakcji chemicznej tlenu z wodorem w ogniwie paliwowym. Jedyną „spaliną” tej reakcji jest… woda.

Toyota rozwija technologię wodorową od 29 lat

Już w 1992 roku Toyota zaprezentowała pierwszy prototyp elektrycznego auta wodorowego – zbudowany na nadwoziu RAV4. Auto pokazano na paradzie w Osace. W 1996 roku Toyota zaprezentowała trzy równolegle rozwijane linie napędów alternatywnych – hybrydowy, elektryczny na baterię oraz elektryczny wodorowy. 1997 rok – hybrydowy Prius wszedł do produkcji seryjnej, a Toyota skupiła się na kolejnych etapach rozwoju elektrycznej technologii wodorowej. W efekcie kolejne prototypy FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) budowano już na nadwoziu większego modelu – Highlandera. Jedno z rozwiązań zakładało nawet bardzo skomplikowany projekt stworzenia auta, w którym wodór jest najpierw produkowany w procesie reformingu parowego etanolu lub węglowodorów, a następnie trafia do ogniw paliwowych, gdzie w reakcji z tlenem daje prąd napędzający silnik elektryczny.

Do 2001 roku powstały trzy kolejne wodorowe prototypy zbudowane na bazie Highlandera – FCEV-3, FCEV-4 i FCEV-5. Miały one 4 razy więcej mocy niż pierwszy FCEV i posłużyły do testów drogowych, a FCEV-4 otrzymał homologację. W tym samym czasie Toyota rozpoczęła prace nad wodorowym autobusem, czego efektem jest oferowany obecnie model SORA.

Licencja i pierwsza sprzedaż

W 2002 roku Toyota uzyskała licencję na sprzedaż samochodów napędzanych wodorem i dostarczyła pierwsze egzemplarze do klientów w Japonii i USA. Wodorowy samochód oparty na Highlanderze nie był jeszcze jednak produkowany masowo.

Kolejnym krokiem w rozwoju technologii ogniw paliwowych był koncepcyjny model FCHV-Adv z 2008 roku. W drugiej dekadzie wieku Toyota opracowała pierwszy model zaprojektowany od początku jako auto wodorowe. Był to koncepcyjny sedan FCV, którego rozwinięcie stanowił sedan Mirai. Konstrukcja ta była już na tyle dojrzała, że Toyota wdrożyła model Mirai do seryjnej produkcji. W grudniu 2014 roku rozpoczęła jego sprzedaż w Japonii, a w 2015 roku wprowadziła go także na rynki Europy i USA.

Mirai drugiej generacji wprowadził program rozwoju technologii elektrycznych aut na wodór na kolejny etap. W pełni funkcjonalny, komfortowy i stylowy Mirai 2 w niczym nie ustępuje samochodom konwencjonalnym, a jednocześnie zapewnia elektryczną bezemisyjność. I jest to pierwszy seryjny elektryczny samochód Toyoty oczyszczający powietrze w czasie jazdy.

Jak działa napęd Toyoty Mirai

Zestaw ogniw paliwowych Toyoty Mirai to generator prądu, wytwarzanego w reakcji wodoru i tlenu w obecności katalizatora. Energia elektryczna powstaje w nim na zasadzie odwróconej elektrolizy wody – procesu znanego od początku 19. wieku. Ogniwo paliwowe składa się z anody (elektrody ujemnej), katody (elektrody dodatniej) i membrany polimerowej. Wodór jest dostarczany do ogniwa po stronie anody, gdzie zostają od niego oddzielone elektrony. W ten sposób powstają jony wodoru, które przedostają się przez membranę polimerową do katody. Tam zaś łączą się z tlenem, tworząc cząsteczki wody. Przepływ elektronów uwolnionych w tej reakcji staje się energią elektryczną, która napędza silnik.

Napęd Mirai opiera się na technologiach hybrydowych Toyoty

Napęd wodorowy Toyoty ma wiele wspólnych elementów także z napędem hybrydowym czwartej generacji. Należą do nich m.in. silnik elektryczny z Lexusa UX 300e, bateria trakcyjna z hybrydowego Lexusa LS czy jednostka sterująca z inwerterem i konwerterem z Priusa 4. generacji. 80% komponentów napędu na ogniwa paliwowe nowy Mirai dzieli z hybrydami.

W nowej generacji Mirai ogniwa paliwowe zostały umieszczone z przodu, pod maską. Konstrukcja modułowej platformy TNGA umożliwiła zwiększenie liczby zbiorników wodoru do trzech. Mogą one pomieścić maksymalnie 5,6 kg tego gazu.

Energią elektryczną wytwarzaną w ogniwach paliwowych oraz przechowywaną w baterii zarządza jednostka sterująca PCU. Jest to to samo urządzenie, które Toyota opracowała do Priusa 4. generacji. To urządzenie które steruje pracą napędu we wszystkich nowych modelach hybrydowych marki. Dlatego Mirai 2. generacji otrzymuje bardzo zaawansowaną, dopracowaną i niezawodną jednostkę sterującą, dzięki której jego napęd jest tak wydajny.

Nowa Toyota Mirai ma znany z hybryd system odzyskiwania energii podczas hamowania. Energia ta trafia do baterii trakcyjnej, a następnie jest wykorzystywana m.in. przez silnik elektryczny.

Toyota Mirai oczyszcza powietrze

Nowy Mirai jest pierwszym samochodem Toyoty, który nie tylko nie emituje żadnych spalin, ale oczyszcza powietrze podczas jazdy. Samochód wykorzystuje filtry chemiczne, które oczyszczają powietrze ze szkodliwych substancji wyemitowanych przez inne pojazdy. Innowacyjny filtr katalityczny z włókniny wychwytuje mikroskopijne cząsteczki, w tym dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NOx) i również cząstki stałe PM 2.5. Rozwiązanie to usuwa od 90 do 100% zanieczyszczeń o średnicy od 0 do 2,5 mikronu z powietrza przelatującego przez system ogniw paliwowych.

Ogniwa paliwowe drugiej generacji

Zestaw ogniw paliwowych, zasilających nowego Mirai, został znacząco udoskonalony względem ogniw paliwowych z pierwszego modelu. Nowe urządzenie ma o 10% wyższą moc (182 KM) i efektywność większą o 10%. Zapewnia nowemu sedanowi o 30% większy zasięg (do 650 km) oraz większą elastyczność (przyspieszenie 40-70 km/h w 2,8 s). Przyspieszenie od 0-100 km/h w nowym Mirai trwa 9 s.

Bezpieczeństwo technologii wodorowej

O wysokim poziomie bezpieczeństwa Toyoty Mirai decydują cztery czynniki – właściwości fizyczne wodoru, konstrukcja samochodu, zabezpieczenia zbiorników wodoru oraz najnowocześniejsze systemy bezpieczeństwa czynnego Toyota Safety Sense.

Wodór jest substancją łatwopalną, podobnie jak paliwa węglowodorowe stosowane w motoryzacji, czyli benzyna, olej napędowy gaz LPG czy CNG. Jego właściwości fizyczne sprawiają jednak, że jest to paliwo bezpieczniejsze od innych. Jego temperatura samozapłonu jest wyższa w porównaniu do tradycyjnych paliw. Benzyna zapala się przy temperaturze 500 stopni Celsjusza, olej napędowy przy 345 stopni C, zaś wodór przy 575 stopni C. Jednocześnie wodór jest 14 razy lżejszy od powietrza, dlatego bardzo szybko ulatnia się do atmosfery.

Na bezpieczeństwo wodoru wpływa także to, że firmy paliwowe mają już duże doświadczenie w dystrybucji i tankowaniu łatwopalnych gazów LPG i CNG wykorzystywanych w gospodarstwach domowych i w motoryzacji.

Wzmocniona konstrukcja

Toyota dodatkowo zadbała o bezpieczeństwo Mirai, wzmacniając jego konstrukcję, aby chronić zbiorniki na wodór. Kabina pasażerska jest oddzielona od zbiorników, dlatego w razie ich (mało prawdopodobnego) mechanicznego uszkodzenia wodór ulotni się do atmosfery specjalnie zaprojektowanymi ścieżkami. Każdy z komponentów auta został przetestowany przez niemiecki instytut TUV.

Specjalnie opracowane przez Toyotę zbiorniki wodoru są zbudowane z materiałów kompozytowych, bardzo szczelnych i wytrzymałych na uszkodzenia mechaniczne. Są w stanie wytrzymać o 225% większe ciśnienie niż wynosi ciśnienie wodoru przy maksymalnym napełnieniu. Wyposażono je w zawory bezpieczeństwa, zatrzymujące w razie potrzeby wodór w środku. Zbiorniki zostały poddane wymagającym, zróżnicowanym testom – w ramach których strzelano nawet do nich z broni palnej.

Wodór spala się o wiele bezpieczniej od węglowodorów, np. propanu czy benzyny. Jest na tyle lekki, że w razie zapłonu tworzy wąski słup ognia z dala od kabiny pasażerskiej. Po zapaleniu się benzyny w baku ogień często obejmuje niemal cały pojazd. Stanowi to zagrożenie dla znajdujących się w nim osób.

Wodór jest ekologiczny i neutralny dla zdrowia

Wodór to pierwiastek najczęściej występujący na Ziemi – znajduje się w wodzie i we wszystkim co rośnie. Czysty wodór można produkować z różnych surowców i za pomocą różnych metod – to świetny sposób na dywersyfikację źródeł energii dla państw uzależnionych od importu ropy i gazu. Spalanie bądź utlenianie wodoru nie generuje zanieczyszczeń. Wodór ma wysoką wartość energetyczną – 3 razy wyższą od benzyny czy oleju napędowego i 4 razy wyższą od węgla kamiennego.

Wodór jest gazem, który nie szkodzi ludziom ani przyrodzie. Nie zanieczyszcza powietrza, nie jest toksyczny ani radioaktywny, nie powoduje chorób. Nie zapala się samoczynnie i nie zanieczyszcza wody, jak produkty ropopochodne. Jest bardzo dobrym nośnikiem energii, a przy tym może być produkowany bez śladu węglowego.

Strategia wodorowa UE

Z tych powodów wodór znajduje się w centrum zainteresowania Europy i rosnącej liczby państw na świecie. Swoje strategie wodorowe opracowały już Japonia, Francja, Niemcy, Niderlandy, Norwegia, Hiszpania i Portugalia oraz Korea Południowa i Australia. Ponadto podobny dokument przygotowała także Unia Europejska. W tym roku własne plany wdrażania technologii wodorowych ukończą Polska, Rosja i Chiny.

Europejska strategia wodorowa zakłada trzy fazy wdrażania technologii wodorowych w regionie. Do 2024 roku będą one rozwijane przede wszystkim transporcie, w tym w autobusach i ciężarówkach. Równocześnie Europa położy nacisk także na rozbudowę sieci tankowania. W drugiej fazie do 2030 roku sieć stacji tankowania wodoru powinna zapewnić swobodny transport drogowy w Europie, a technologie wodorowe wesprą dekarbonizację transportu kolejowego i morskiego. Po 2030 roku planowany jest rozwój produkcji neutralnych dla środowiska paliw syntetycznych na bazie wodoru oraz popularyzacja technologii wodorowych w lotnictwie i transporcie dalekomorskim.

Rozwój infrastruktury tankowania

Obecnie na świecie jest około 2000 stacji tankowania wodoru. Najwięcej, czyli 160 znajduje się w Japonii. Po około 100 stacji wybudowały do tej pory Niemcy, Korea, Chiny oraz USA. Do 2030 roku ma powstać łącznie 45 000 punktów tankowania. Według obecnych planów, kierowcy w Chinach mają mieć do dyspozycji 1000 stacji wodorowych, w Japonii 900, w Korei 800, w USA i w Niemczech po 500 i łącznie kilkaset w kolejnych krajach Europy. W Polsce do 2022 roku ma powstać 11 stacji, a do 2025 roku ich liczba ma sięgnąć 32. Budżet na rozwój infrastruktury tankowania w naszym kraju do 2025 roku wynosi 2 miliardy zł.

Zaangażowanie Toyoty w rozwój społeczeństwa wodorowego

Toyota nie tylko jest liderem wodorowego transportu, ale w pełni zaangażowała się w tworzenie społeczeństwa wodorowego, zgodnie ze strategią rządu Japonii. Toyota pracuje nad wdrożeniem technologii ogniw paliwowych do samochodów osobowych, autobusów, ciężarówek, jachtów i pociągów, a także do zasilania domów i miast. W strategię rządową wpisuje się także użycie technologii wodorowych do zapobiegania skutkom katastrof. Choć każdy pojazd wyposażony w ogniwa paliwowe może służyć jako awaryjne źródło prądu, Toyota opracowała także specjalne mobilne generatory prądu na bazie wodorowych autobusów i ciężarówek.

Autobusy na ogniwa paliwowe

W popularyzacji wodoru Toyota podejmuje także współpracę z partnerami na całym świecie. Na przykład, choć w Japonii firma opracowała własne wodorowe autobusy SORA, w Europie wspólnie z portugalskim producentem autobusów CaetanoBus stworzyła model H2.City Gold, do których dostarcza napędy na ogniwa paliwowe. Autobus miejski H2.City Gold ma zasięg 400 km, a jego tankowane trwa 9 minut.

Wodorowe autobusy wykazują się również funkcjonalnością konwencjonalnego pojazdu. Nie wymagają długotrwałego ładowania baterii, dlatego mogą pracować przez całą dobę. Ich napęd stanowi mocny silnik elektryczny zasilany ogniwami paliwowymi z Toyoty Mirai. Lekkie zbiorniki wodoru znajdują się również na dachu. Autobusy na wodór mają możliwość zasilania zewnętrznych urządzeń elektrycznych, służąc za mobilny generator prądu.

Transport ciężarowy

Innym projektem, który ma potencjał, by znacznie obniżyć emisyjność transportu, są duże ciężarówki na wodór. W Stanach Zjednoczonych Toyota najpierw uruchomiła program rozwojowy Project Portal, w ramach którego zbudowała prototypową ciężarówkę o zasięgu 480 km, testowaną obecnie w centrum logistycznym Toyoty w porcie Long Beach. Następnym krokiem była realizacja zamówienia na 10 wodorowych ciężarówek do transportu towarów na terenie portu Los Angeles. Pojazdy o zasięgu do 800 km powstają we współpracy z marką Kenworth. Niedawno jeden z nich pokonał słynną trasę wyścigu górskiego na szczyt Pikes Peak w Kolorado.

Inne zastosowania ogniw paliwowych Toyoty

Ogniwa paliwowe Toyoty znalazły zastosowanie także w transporcie morskim oraz w generatorach stacjonarnych. Toyota opracowała także specjalną wersję ogniw odpornych na trudne warunki na oceanie i wyposażyła w nie eksperymentalny, samowystarczalny energetycznie jacht Energy Observer, który jest w trakcie rejsu dookoła świata. To pozwoliło wprowadzić na rynek wodorowe generatory prądu nowej generacji do zastosowania na jachtach oraz na lądzie.

Spektakularnym projektem, który pokazuje możliwości technologii wodorowych, jest wspólny program Toyoty i Japońskiej Agencji Kosmicznej JAXA. W ramach współpracy powstaje załogowy ciśnieniowy łazik z napędem na wodorowe ogniwa paliwowe Toyoty o zasięgu ponad 10 000 km. Łazik posłuży do eksploracji powierzchni Księżyca z udziałem astronautów. Jego pierwsza misja jest zaplanowana na 2029 rok.

Informacja prasowa

Pozostałe wiadomości tutaj

---