Paliwa przyszłości


02-08-2022 20:15:03

Gdybyśmy wykonali krótką ankietę wśród znajomych, zaczynając od stwierdzenia, że w komunikacji drogowej wiek XX był wiekiem paliw ropopochodnych i pytając o paliwa wieku XIX i XXI, to większość respondentów odpowie, że wiek XIX, to wiek pary, a w XXI wieku już niedługo będziemy jeździć wyłącznie na prąd. Wiemy z historii motoryzacji, że pierwsza część tej odpowiedzi nie jest zupełnie prawdziwa, a możemy przypuszczać, że podobnie jest z jej częścią drugą.

Czy wiek XIX był wyłącznie wiekiem pary?

Parowe statki na wodzie, parowozy na szynach, a na ulicach i drogach konne zaprzęgi. Tak przeciętny współczesny człowiek wyobraża sobie komunikację w dziewiętnastowiecznej Europie. Ci bardziej obeznani z historią motoryzacji wiedzą, że pierwszy drogowy pojazd parowy wybudowany przez Nicolasa Josepha Cugnot, pojawił się już w 1771 roku, a więc w drugiej połowie XVIII wieku. Przez cały XIX wiek eksploatowano rozmaite parowe dyliżanse, powozy, omnibusy i platformy. Czy jednak zastosowanie silnika parowego było w tym czasie jedyną receptą na powóz bez koni?

Silnik spalinowy, czyli o spalaniu wewnątrz cylindra, znany był teoretycznie już od roku 1807, kiedy opisał go w swoich pracach Szwajcar Issac De Rivaz. Naukowcom pracującym nad tym pomysłem w różnych częściach świata nie udało się jednak wymyślić nic praktycznego aż do połowy XIX wieku, kiedy to Etienne Lenoir z Paryża wykorzystał istniejącą już konstrukcję silnika parowego, jako podstawę dla swojego silnika spalinowego o obiegu dwusuwowym, bez wstępnego sprężania mieszanki paliwowo-powietrznej. Silnik ten osiągał bardzo małą moc i z racji niekorzystnego stosunku mocy do masy, nadawał się wyłącznie do pracy stacjonarnej, ale mimo to istniały udokumentowane próby zastosowania go do napędu pojazdów. Dopiero opracowanie i skonstruowanie przez Nicolausa Otto w 1874 roku, silnika spalinowego z obiegiem czterosuwowym i udoskonalenie tego wynalazku przez Karla Benza i Gottlieba Daimlera w 1886 roku, pozwoliło na budowanie sprawnych i użytecznych samochodów z napędem spalinowym. Wszystko to działo się w XIX wieku, nazywanym powszechnie wiekiem pary. W tym samym czasie, gdy jedni wynalazcy próbowali budować samochody z napędem spalinowym, inni z równym powodzeniem eksperymentowali z napędem elektrycznym.

Ostatnie dwadzieścia lat XIX wieku, to okres burzliwego rozwoju pojazdów z napędem elektrycznym. Powstają linie trolejbusowe zasilane z sieci i samochody elektryczne z własnymi akumulatorami na pokładzie. Przeciętny samochód elektryczny z końca XIX wieku jeździł z prędkością 20 – 40 km/h i musiał być ładowany co 40 – 80 km. Pod koniec XIX wieku stosowano już wymienne baterie w pojazdach elektrycznych. Istniały też liczne stacje ładowania oraz firmy zajmujące się regeneracją baterii i długoterminowym wynajmem pojazdów elektrycznych. W 1899 roku wyczynowy elektromobil Janetzy’ego przekroczył barierę 100 km/h. Widzimy że napęd spalinowy i elektryczny istniał już w XIX wieku, a rozwiązania związane z eksploatacja pojazdów elektrycznych, które uznajemy dziś za nowoczesne, funkcjonowały już pod koniec XIX wieku.

Z elektrycznością w XXI wiek

Mamy rok 2022, a na ulicach oprócz pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi, jeżdżą samochody hybrydowe i elektryczne. Samochód hybrydowy wozi na pokładzie dwa różne silniki i pozyskuje energię z dwóch źródeł, a więc jest ciężki i drogi. Można więc uznać tą konstrukcję za etap przejściowy pomiędzy napędem spalinowym i całkowicie elektrycznym.

Większość producentów deklaruje, że do 2035 roku nie będzie już oferować pojazdów z silnikami spalinowymi, a więc napęd elektryczny zatriumfuje. Być może, że tak się stanie, ale nie będzie to napęd elektryczny w takiej formie, jaka znana jest z obecnie produkowanych pojazdów elektrycznych. Silnik elektryczny jest świetnym przetwornikiem energii elektrycznej na mechaniczną, a więc można go nadal używać, ale przechowywanie energii w akumulatorach elektrycznych, budzi duże zastrzeżenia. Akumulator ulega samorozładowaniu i aby naładować go do pełna, potrzebny jest czas. Poza tym akumulator się starzeje i wraz z wiekiem spadają jego możliwości magazynowania energii. Najwygodniej więc wrócić do rozwiązań opracowanych w XIX wieku i wypożyczać naładowany akumulator od właściciela stacji ładowania, a na kolejnej stacji wymieniać pusty akumulator na naładowany. Zasięg naszego pojazdu nie będzie wówczas malał wraz ze zużywaniem się akumulatora, a przygotowanie do dalszej drogi pojazdu elektrycznego z rozładowaną baterią, będzie trwało tyle, co jej wymiana. Może jednak czas porzucić pomysł magazynowania energii elektrycznej i zacząć magazynować energię w innej formie.

Czas na wodór

Wodór jest gazem lekkim i łatwopalnym, ale przy dzisiejszym stanie techniki z łatwością możemy go przechowywać i wykorzystywać. Łatwo można też wytwarzać wodór nawet z wykorzystaniem przydomowych instalacji fotowoltaicznych. Przy użyciu energii elektrycznej pozyskanej z takiej instalacji,  można przeprowadzać elektrolizę wody i sprężać w zbiornikach ciśnieniowych otrzymywany wodór, aby następnie używać go jako paliwo w silnikach spalinowych samochodów i w kotłach gazowych. Produktem spalania wodoru w tlenie jest woda, a więc jest to proces czysty ekologicznie. Ważne z ekonomicznego punktu widzenia jest też to, że na wodór mogą pracować zwykłe silniki spalinowe, wystarczy wyposażyć je w coś podobnego do instalacji LPG. Nasze zwykłe kotły gazowe też mogą być opalane wodorem, po dokonaniu niewielkich przeróbek. Problem stanowi tylko sprężenie wytwarzanego wodoru i przelanie gazu w stanie płynnym do zbiorników.

Obecnie te problemy przestają już być istotne, gdyż pojawiły się nowoczesne ogniwa wodorowe. Wielu producentów samochodów angażuje się w tą technologię, gdyż wygląda na to, że jest ona technologią przyszłości. Po pierwsze, proces wytwarzania wodoru przy użyciu energii elektrycznej jest w tym wypadku łatwy i całkowicie bezpieczny, bowiem odbywa się wewnątrz ogniwa zabezpieczonego wytrzymałą obudową. Po zamontowaniu ogniwa w pojeździe, można czerpać z niego energię elektryczną uzyskiwaną w następstwie procesu utleniania wodoru. Standardowe ogniwa mogą być ogniwami paliwowymi w pojazdach drogowych, pływających, latających, a także w gospodarstwach domowych, w których energia elektryczna pozyskiwana z ogniw może być wykorzystywana między innymi do ogrzewania i oświetlania. Równie wygodne i uniwersalne w użyciu mogą okazać się kartridże wodorowe, których największą zaletą jest mała masa w porównaniu z ilością magazynowanej energii.

Rafał Dmowski

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Rozmieszczenie podstawowych elementów napędu całkowicie elektrycznego we współczesnym samochodzie osobowym (fot. Continental)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wymienny kartridż wodorowy może być stosowany jako źródło energii nie tylko w pojazdach (fot. Toyota)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Poprzeczna przekładnia hybrydowa samochodu Toyota Prius III. Widoczne dwa generatory, reduktor i przekładnia mocy (fot. R. Dmowski)

Komentuje Waldemar Rukść

eNOT.pl - Portal Naczelnej Organizacji Technicznej | eNOT.pl