Pogonski sklopi pod drobnogledom – IV. del

Bencin, dizel, vodik ali elektrika? Štirje viri energije, ki jih najdemo v sodobnih vozilih. Nekateri našo mobilnost spremljajo že več kot stoletje, spet drugi v ospredje vstopajo šele zadnjih nekaj let. So fosilna goriva nujno zlo v odhodu in bo elektrika vodila mobilnost v prihodnjih desetletjih ali gre zgolj za muho enodnevnico? Kje vmes ima mesto vodik kot obljubljen vir čiste energije popolnoma brez emisij? Vse to bomo na kratek in poljuden način raziskali skupaj v seriji petih prispevkov. Sprva bomo spoznali vse štiri glavne pogonske zvrsti – klasično bencinsko oziroma dizelsko, hibridno, električno in na vodik ter jih na koncu brez lepotičenja primerjali z vsemi znanimi tehničnimi dejstvi. Pri vsaki bomo razkrili manj znano zanimivost ali dve in sleherno ovrednotili predvsem pri vplivu na okolje.

Kot pogonski medij prihodnosti je vodik zagotovo na prvem mestu. Če ne drugega kot vir proizvodnje električne energije, za kar so zadolžene vodikove gorivne celice (v nadaljevanju zgolj gorivne celice. Da niso sodobna rešitev pričajo njihovi tehnični zametki, ki segajo v davno leto 1801, ter nato kot prva uradna vodikova gorivna celica v letu 1838. V vozilih smo jih uradno povsem prvič srečali šele dobro stoletje kasneje, in sicer v letu 1959. Takrat je namreč na polje zapeljal Allis-Chalmersov kmetijski traktor z gorivnimi celicami, ki so zmogle 15 kW moči. Razvoj so pospešeno nadaljevali v okviru vesoljskih programov, kjer so tovrsten pogon namenili lunarnim modulom, medtem ko je prvo cestno vozilo z gorivnimi celicami na ameriške ceste poslal Chevrolet z modelom Electrovan. Sledilo je nekaj desetletij zatišja in šele po prehodu v 21. stoletje se je vodik znova pojavil kot pogon prihodnosti.

Vodikove gorivne celice

Vozila na pogon preko gorivnih celic krajše označujemo s kratico FCEV, kot Fuel Cell Electric Vehicle. Kot ime pove, gre za električna vozila, pri katerih se elektrika proizvaja neposredno v vozilu samem in sicer preko elektrokemične celice, v kateri se kemična energija ob reakciji vodika in kisika iz zraka pretvarja v električno energijo (obratno kot pri elektrolizi) . Ta se neposredno porablja za električni pogon vozila, morebitni višek elektrike pa se skladišči v manjši bateriji, ki služi tudi za shranjevanje regenerirane energije ob zaviranju. Vozila imajo tako nameščen rezervoar vodika, module z gorivnimi celicami v katerih se tvori elektrika ter že omenjen električni pogonski sklop.

Vodik in notranje zgorevanje

Vodik ni nujno zgolj energent za proizvodnjo električne energije temveč se lahko uporabi tudi kot pogonsko gorivo za motorje z notranjim zgorevanjem. Tako je, z določenimi prilagoditvami se lahko vodik vodi neposredno v valje motorja, kjer se v procesu zgorevanja tvori energija za pogon vozila. Glavna prednost vodika kot goriva je, da ne vsebuje ogljika, zato pri zgorevanju ne more priti do tvorjenja ogljikovih oksidov (CO in CO₂). Slabost vodika kot goriva je, da je to plin z zelo drobnimi molekulami. Torej je potrebno poskrbeti za odlično tesnenje in ga shranjevati pod visokim tlakom. V rezervoarju Toyote Mirai je tlak kar do 700 barov, med tem ko se v rezervoarjih tovornih vozil običajno uporablja tlak 350 barov.

Dodaten pomislek morda povzročijo emisije dušikovih oksidov oziroma NO_x, ki nastajajo zaradi visokih temperatur pri zgorevanju v valjih motorja. Pri vsem tem se je smiselno še vprašati kako vodik pridobivamo.

Proizvodnja vodika

V osnovi glede na izvor ločimo dve skupini proizvodnje vodika – iz fosilnih goriv (zemeljski plin, nafta in premog) ter iz obnovljivih virov (biomasa in voda).

Glede na delež proizvodnje si kot osnovna surovina sledijo zemeljski plin (48%), nafta (30%), premog (18) in voda oziroma elektroliza vode (4%). Če želimo preveriti celokupen vpliv vodika kot energenta je tako smiselno poznati in analizirati tudi njegovo proizvodnjo, ki je na kratko podana v spodnji preglednici.

Lastnosti vodika na kratko

Prednosti:

• Celokupno gledano je obnovljiv vir energije.
• V določenih procesih zgoreva brez emisij.
• Ima veliko gostoto energije na enoto mase.
• Ni strupen.

Slabosti:

• Ima majhno gostoto energije glede na volumen.
• Vnetljiv in povzroča eksplozivno mešanico.
• Ni neposredno dostopen v naravi.
• Skladiščenje zna biti kompleksno in drago.

Toyota in vodik

Pri Toyoti smo začeli razvijati vodikove gorivne celice v letu 1992 in štiri leta kasneje v številčno omejeni seriji na trg poslali prvi hibridno vozilo FCHV-1* na temeljih modela RAV4. Sledil je FCHV-2, ki je bil opremljen s sistemom za ekstrakcijo vodika iz metanola. Nadaljnji razvoj vodikovih hibridnih vozil FCHV-3, 4 in 5 je temeljil na večjem SUV-ju Highlander. V letu 2014 smo svetu uspešno predstavili limuzinski model Toyota Mirai, ki velja za prvi velikoserijski avtomobil s pogonom na vodikove gorivne celice. Druga generacija Mirai, ki je bila predstavljena v letu 2021, dviguje tehnologijo FCEV na še višjo raven. Celovito prenovljen sistem vodikovih gorivnih celic je lažji in zmogljivejši, kar se odraža na približno 650 km dolgem dosegu popolnoma brez emisij, razen čiste vode.

Dodatno smo pri Toyoti v letu 2021 predstavili vozilo z neposrednim pogonom na vodik. Na vzdržljivostno 24-urno dirko smo namreč poslali posebej prirejeno Corollo Sport, katero je gnal 1,6-litrski trivaljnik iz modela GR Yaris, le s to izjemo, da je bil prirejen za pogon na vodik. Gre za pilotni projekt, ki ga je lani nadaljeval GR Yaris Hydrogen v katerem smo želeli ohraniti kar največ komponent iz bencinsko gnanega agregata, kar bi lahko vodilo v uspešno preobrazbo obstoječih bencinskih agregatov ter v razogljičenje avtomobilov.

*FCHV – Fuel Cell Hybrid Vehicle

Vodik ima glede na zgoraj našteta dejstva kar velik potencial, vendar bo treba tehnologijo pridobivanja še razviti do te mere, da bo ekonomsko in ekološko sprejemljiva za široko uporabo. Kje točno se bo znašel na primerjalni lestvici bomo izvedeli prihodnjič, ko bomo vse naštete pogonske sklope medsebojno primerjali in jih ustrezno ovrednotili.

Blaž Likovič
foto: Toyota