FELIETON: Luźne rozważania o paliwach/napędach przyszłości

Witam. Zacznę od tego, że tytuł jest lekko naciągany, gdyż spora część tego o czym piszemy śmiga już sobie w najlepsze po drogach, no i niektóre źródła zasilania nie podpadają  pod definicję paliwa, ale wszyscy wiemy o co chodzi. Właśnie - padło słowo "piszemy" - już wyjaśniam co mam na myśli. Ostatnio gadałem sobie o paliwach z kumplem i stwierdziłem, że w sumie można by to spisać i pokazać na szro, gdyż padło tam kilka ciekawych myśli. Mój rozmówca jest studentem na wrocławskiej Polibudzie na kierunku Mechaniczno-Energetycznym, więc ogarnia temat. Choć - z drugiej strony - wiadomo jak to jest teraz z tymi studentami. Nic tylko piją na umór i zakorkowują nam miasto. Ale dobra - do rzeczy.

1. Auta czysto elektryczne - obecnie bez sensu

Nie chodzi o zasięg, bo nawet te, dajmy na to, 200 km dziennie to już całkiem sporo dla zdecydowanej większości użytkowników tego typu samochodów. Nie chodzi o to, że prąd w wielu przypadkach (zwłaszcza w Polsce) będzie pochodzić z wungla, ale nawet przy założeniu, że będziemy go produkować wyłącznie ze źródeł odnawialnych, czy też drogich, ale ekologicznych elektrowni jądrowych nowszych generacji to wciąż pozostaje nam największa wada samochodów na prąd - akumulatory. Te cholery są obecnie jednym z najbardziej nieekologicznych wytworów naszej cywilizacji - i to w wielu aspektach. Ich produkcja już na starcie pożera masę energii, wymaga użycia wielu trujących chemikaliów m.in. kwasów, no i metali ziem rzadkich, które w zasadzie są już na wyczerpaniu. Nie wspominając już o tym, że w  znakomitej większości są one w posiadaniu Chińczyków, którzy w każdym momencie mogą przecież powiedzieć - stop, nie będziemy Wam już tego sprzedawać, bo potrzebujemy ich na własny użytek. Inżyniery z Tesli  - żryjcie gruz i róbcie sobie akumulatory z krowiego łajna.

Marek: Samochody czysto elektryczne aktualnie nie posiadają zbyt wielu zalet. W większości krajów prąd produkowany jest (w uproszczeniu) dzięki spalaniu węglowodorów. Trzeba tutaj jednak zaznaczyć, że emisja spalin nie pochodzi bezpośrednio od pojazdu, a z elektrowni. Największym problemem samochodów czysto elektrycznych są akumulatory oraz ich ilość, która musi zapewnić dostateczny zasięg. Obecnie stosowane akumulatory są bardzo trudne w recyklingu, ich elektrolity są bardzo żrące oraz niebezpieczne dla środowiska. Idealnym przykładem bezsensu jest tutaj dowolny model Tesli: silnik elektryczny zapewnia doskonałe przyśpieszenie na prostej, jednak duża masa pojazdu (akumulatory) wpływa bardzo negatywnie na właściwości trakcyjne. Ponadto sporym problemem jest odprowadzenie ciepła z akumulatorów. Samochody czysto elektryczne będą jednym z najlepszych rozwiązań wtedy, gdy zaczniemy pozyskiwać prąd w inny sposób niż spalanie węglowodorów oraz zostaną opracowane lepsze systemy magazynowania energii elektrycznej.

 

2. Hybrydy - mają trochę sensu

Marek: Samochody hybrydowe są również całkiem dobrym rozwiązaniem w obecnych realiach. Nie występuje tutaj problem małego zasięgu, dzięki zastosowaniu silnika spalinowego (do napędzania kół i jako prądnicę lub tylko jako prądnicę) oraz silnika elektrycznego (wspomaganie spalinowego lub główne źródło napędu). Silnik spalinowy, używany jako prądnica, pracuje cały czas w optymalnym zakresie obrotów, co przekłada się na niskie zużycie konwencjonalnego paliwa. Akumulatory stosowane w samochodach hybrydowych mają zazwyczaj o wiele mniejsze pojemności w stosunku do samochodów czysto elektrycznych. Ciekawym rozwiązaniem hybrydowym, jest połączenie turbiny gazowej (możliwość pracy na różnych paliwach) jako prądnicy i silnika elektrycznego jako źródła napędu pojazdu.

3. Auta spalinowe na LPG - mają sens

Plusy są oczywiste - technologia silnika spalinowego znana od dekad, ewidentnie mniejsze zanieczyszczenie środowiska, niż w przypadku zwykłych aut o zasilaniu wyłącznie benzynowym (specjalnie nie wspominam już nawet o dieslach-kopciuchach, bo one już są na wylocie), to wciąż tanie paliwo, dostępne, zapewniające duży zasięg (zwłaszcza jeśli liczymy wspólny zasięg na LPG + PB).
Skoro tyle się teraz mówi o smogu to oprócz dopłat na wymianę pieców w domach, powinna być państwowa dopłata do montażu instalacji LPG, tak jak robi się to już w kilku krajach. Budżet państwa nie ucierpiałby tak bardzo, bo zwiększyłyby się wpływy z akcyzy i VAT-u. Wady są obiektywie rzecz ujmując tylko dwie - pierwsza z nich to ograniczenie przestrzeni bagażowej, choć to bardzo łatwe do obejścia. Ideałem byłoby produkowanie aut opartych o koncepcję dużego fabrycznego zbiornika na LPG i małego benzynowego (do 15 litrów), jak bardzo słusznie robiło to jeszcze niedawno Volvo w modelach BiFuel. Druga wada - LPG to odpad z procesu rafinacji cięższych węglowodorów - ropy naftowej. Jego wydobycie jest więc raczej umiarkowanie przyjazne dla środowiska (choć można to też rozpatrywać jako recykling;). Z tego też względu jeszcze lepszym rozwiązaniem są:

4. Auta spalinowe na CNG - mają sens

CNG to, jak wskazuje nazwa, skompresowany gaz ziemny, czyli w zasadzie czysty metan. Jego spalaniu nie towarzyszy emisja zbyt wielu zanieczyszczeń, choćby ze względu na znikomą zawartość węgla, dzięki czemu możemy go uznać za bardzo ekologiczne paliwo. Ponadto proces jego wydobywania jest niezależny od wydobywania ropy naftowej. Wartość energetyczna 1 m3 jest bardzo zbliżona do 1 litra benzyny, a jego wartość opałowa jest nawet wyższa - 50,05 MJ/kg. Wciąż nie jest to zbyt popularne paliwo, ale na świecie śmiga już około 5 mln samochodów na CNG, w Europie numerem jeden są Włochy. W kilku państwach np. w USA państwo zapewnia szereg ulg podatkowych dla posiadaczy aut na CNG - w tym zwraca do 80% kosztu przeróbki, lub różnicy w cenie zakupu auta na CNG. Kolejna zaleta - często gaz ziemny jest dostarczany do stacji za pomocą gazociągów miejskich - a zatem odpada nam konieczność transportu CNG autocysternami. Ponadto - metan już dziś (np. w Niemcowni) produkuje się w pełni syntetycznie. Wada - to na pewno dostępność takich samochodów m.in. ze względu na rozmiary zbiornika na gaz, który jest istotnie większy niż w przypadku LPG. Pewnym minusem może być również ograniczenie przestrzeni w samochodzie, ale producenci aut osobowych dają sobie z tym radę umieszczając szereg zbiorników pod podwoziem samochodów. Brak stacji - to minus, ale głownie w kontekście naszego kraju.  Nie wspominam w ogóle o autach na LNG, bo z racji wielkości zbiornika (z uwagi na niską temperaturę wymaga zbiornika kriogenicznego) to rozwiązanie jest ograniczone w zasadzie tylko do aut ciężarowych. Szkoda, bo LNG jest najczystszym z dostępnych paliw gazowych. Na horyzoncie pojawił się ostatnio jeszcze HCNG (sprężony gaz ziemny z kilkuprocentową domieszką wodoru), ale nie wiem o nim za wiele.  Jak na obecne czasy - samochody na CNG są moim zdaniem zdecydowanie najlepszym rozwiązaniem do samochodów osobowych.

Marek: Instalacje LPG czy CNG aktualnie są w mojej opinii jednym z najlepszych rozwiązań. Zastosowanie dobrej instalacji dostosowującej silnik o zapłonie iskrowym do spalania wymienionych krótkich węglowodorów, pozwala na znaczą redukcję emisji związków węgla i azotu. Ponadto, dzięki zastosowaniu krótkich węglowodorów, nie musimy martwić się o najgorsze produkty spalania, czyli cząstki stałe. Technologia jest powszechnie znana i stosowana, praktycznie każdy samochód można wyposażyć w odpowiednia instalację. Dodatkowym atutem jest tutaj również cena paliwa.

  

5. Auta spalinowe na wodór - trudno powiedzieć

Zacznę od tego, że niektórzy w ogóle nie traktują wodoru jako paliwa - o czym mało kto wie. Jest raczej nośnikiem energii (elektrycznej) jaką wkładamy w jego wytworzenie. Ponadto ten szwagier należy do dosyć problematycznych w obyciu. Jak wszyscy wiemy jest dosyć wybuchowy i nie za bardzo chce siedzieć na miejscu - bardzo trudno skonstruować zbiornik, który zapewni odpowiednią szczelność, choć jest to jak najbardziej wykonalne - obecnie to tylko kwestia kosztów. Zalety - głównie na polu ekologii i to w zasadzie wszystko. Przeróbka auta z silnikiem tłokowym na zasilanie wodorem nie będzie w ciągu najbliższych lat należeć do opłacalnych przedsięwzięć.

Marek: Jestem zwolennikiem zastosowania wodoru w silnikach konwencjonalnych, już istniejących. (Kolejny krok dostosowywania starej technologii do nowych rozwiązań). Niestety sporym problemem w tym przypadku okazuje się wysokie zapotrzebowanie na tego typu paliwo w procesie spalania w silniku (przykładowo o zapłonie iskrowym). Wodór posiada bardzo wysoką wartość opałową w przeliczeniu na jednostkę masy. Niestety, ze względu na bardzo małą gęstość, wartość opałowa w przeliczeniu na objętość gazu, jest znacznie niższa w stosunku do paliw konwencjonalnych. Przykładowymi współczesnymi pojazdami z silnikami o zapłonie iskrowym (jednocześnie dostosowanymi do spalania wodoru i benzyny) są: BMW Hydrogen 7 oraz Mazdy RX-8 i MX-5 z silnikami Wankla. BMW zdecydowało się na zastosowanie tradycyjnej 6 litrowej jednostki V12, osiągającej moc 260 KM na obu paliwach. Średnie spalanie benzyny deklarowane przez BMW to 14l/100km,  średnie spalanie wodoru to 50l/100km. Ta zależność idealnie obrazuje niską wartość opałową wodoru w przeliczeniu na objętość. Mazda natomiast zdecydowała się na przerobienie swojego silnika „Renesis”. Według danych producenta motor ten na benzynie osiągał maksymalną moc 220 KM, na wodorze natomiast, maksymalna moc wynosiła około 110 KM. Głównymi produktami spalania mieszanki wodorowo-powietrznej w silniku o zapłonie iskrowym są: woda oraz niewielkie ilości tlenków azotu (tlenki azotu mogą zostać wyeliminowane, jeśli powietrze zastąpimy czystym tlenem).  

6. Auta elektryczne zasilane ogniwami wodorowymi - ma to sens

To rozwiązanie ma szereg zalet. Odpada nam spora wada zarówno aut elektrycznych - w końcu nie mamy tu akumulatorów, a także wada aut na wodór - w tym wypadku zbiornik jest mniejszy, bo i nie występuje potrzeba spalania czystego wodoru, a jest on potrzeby jedynie do produkcji prądu.

Marek: Aktualnie bardziej wydajnym sposobem wykorzystania wodoru są ogniwa paliwowe, w których dochodzi do reakcji utleniania a produktem tej reakcji jest wyłącznie woda. Ogniwa wodorowe pozwalają na zasilanie silnika elektrycznego, przez co nie problemu z dużymi akumulatorami oraz krótkim zasięgiem pojazdu. Ogniwa wodorowe mają również znacznie mniejsze zapotrzebowanie na paliwo w stosunku do silników konwencjonalnych zasilanych wodorem. Przykładem samochodu na ogniwa wodorowe jest Honda FCX Clarity.

Wodór jest w mojej opinii prawdziwym paliwem przyszłości. Stanie się nim, kiedy pokonamy granicę, którą stanowi problem efektywnego pozyskiwania i magazynowania tego pierwiastka.

7. Auta na sprężone powietrze - niestety bez sensu

Zacznę od tego, że zasadniczo wszystkie silniki spalinowe produkowane obecnie są zasilane... powietrzem. I zanim zostanę obrzucony damskimi stanikami - pomyślcie. Dodatek paliwa, który ma zapewnić wybuch mieszanki jest bardzo mały. Automatycznie nasuwa się pytanie - dlaczego w takim razie nie zredukować go zupełnie? Możemy przecież naładować specjalny zbiornik sprężonego powietrza w diabły i poruszać się dzięki sile kinetycznej z jego kontrolowanego rozprężania. W teorii wszystko brzmi super. Mamy oto bowiem proste silniki, pojazdy bardzo ekologiczne i w pewnym sensie elektryczne (sprężarka na prąd), ale - co istotne - bez ich największej wady - nie musimy mieć na pokładzie drogich, ciężkich i w każdym aspekcie nieekologicznych baterii. Niestety - przy obecnej technologii zapewnienie zasięgu rzędu 200 km wymaga posiadania na pokładzie około 800 m3 sprężonego powietrza (nie pamiętam dokładnych danych, ale była to absurdalnie duża wartość). Niestety po raz kolejny kłania się pojęcie gęstości energii, które w tym wypadku wygląda niezwykle słabo. Pozostaje też aspekt czym zasilamy sprężarkę wtłaczającą powietrze do zbiornika. W świetny sposób skomentował to już kilka lat temu Marek Raczkowski, ale nie mogę znaleźć tego rysunku, więc musicie mi uwierzyć na słowo (no chyba, że ktoś ma/znajdzie ten rysunek) i tym humorystycznym akcentem kończymy.