„Silnik wodorowy o wydajności diesla” – to możliwe? Projekt budzi nadzieje, ale też pytania
Czy silnik spalający wodór może kiedykolwiek dorównać jednostkom napędowym, które swą energię czerpią z paliw znacznie gęstszych i wydajnych? Grono konstruktorów i badaczy spróbowało odpowiedzieć na to pytanie. Zespół z Southwest Research Institute (SwRI) – amerykańskiej sieci badawczej, która wbrew nazwie obejmuje wiele instytutów naukowych (jakkolwiek swą siedzibę ma dalej w San Antonio, w Teksasie, skąd się wywodzi) – przedstawił zmodernizowany silnik wodorowy, którego osiągi w założeniach mają umożliwić praktyczne wykorzystanie go w transporcie, i to nawet tym towarowym.
Projekt zaprezentowany przez SwRI to pełnokrwisty silnik spalinowy, w którym wodór spalany jest w cylindrach, aby napędzić tłoki – zupełnie jak w silnikach benzynowych. Nie zaś ogniwo paliwowe czy akumulator, który jedynie korzystałby ze zmagazynowanej energii. Konstrukcyjnie stanowi on sześciocylindrową jednostkę o pojemności 6,7 litra, wyposażoną w system podwójnego turbodoładowania, umożliwiający uzyskanie wysokiego momentu obrotowego przy niskich obrotach. To niezbędne rozwiązanie – wodór, będąc najlżejszym pierwiastkiem, wymaga znacznie wyższego ciśnienia powietrza w cylindrze do osiągnięcia porównywalnego wolumenu energii ze spalania.
Niskie minimum energii zapłonu i wysoki potencjał wybuchowości postawiły przy tym przed konstruktorami szczególnie uciążliwe wyzwanie związane z zapobieżeniem niekontrolowanemu zapłonowi, który przy wyższej temperaturze płomienia generuje dodatkowe ryzyko powstawania tlenków azotu. Stąd też zapłon iskrowy, w który silnik zaopatrzono, wymagał wyjątkowej uwagi. Inne z pozoru proste rozwiązania, które jednak także musiały zostać dokładnie dopracowane, to zmodyfikowana geometria kanałów dolotowych, większe zawory ssące oraz dedykowane wtryskiwacze wodorowe, które przyspieszają mieszanie paliwa z powietrzem, niezbędne ze względu na szybkie spalanie wodoru.
Silnik do przyszłości?
W rezultacie udało się skonstruować silnik, który dorównuje przeciętnym silnikom diesla pod względem momentu obrotowego. Ustępuje im natomiast pod względem sprawności – co zresztą oczywiste o tyle, że spalanie wodoru zawsze będzie mniej efektywne energetycznie niż oleju napędowego do diesla. Po stronie zalet nowej jednostki trzeba odnotować, że zachowuje znaną architekturę silnika, co umożliwia wykorzystanie niektórych istniejących części, potencjalnie szerszt dostęp do serwisu etc. Cechuje się też oczywiście skokowo niższymi emisjami, choć też nie ich brakiem – spalanie wodoru generuje tlenki azotu (NOx), a „prawie zerowa” emisja CO₂ dotyczy jedynie etapu rury wydechowej – produkcja wodoru z gazu ziemnego wciąż emituje CO₂.
Problemem pozostawać może trwałość, zwłaszcza w przypadku zastosowania jednostki w obciążającym transporcie ciężarowym (do którego jest dedykowana). W silnikach benzynowych tradycyjne paliwo pełni rolę smaru konserwującego ścianki cylindrów. Tymczasem silnik wodorowy jest tej cechy pozbawiony – wodór, jako gaz o niskiej lepkości, nie zapewnia takiej ochrony. Badania wykazują ponadto zwiększony przesiew gazów wodorowych przez pierścienie tłokowe oraz obecność wody w oleju silnikowym jako produktu spalania, co wymaga opracowania dedykowanych smarów o określonej specyfikacji. Mimo to, zużycie mechaniczne grozi realnym ograniczenie żywotności silnika w porównaniu do konwencjonalnych konstrukcji.
Czy taki silnik ma zatem szansę adopcji? W teorii skonstruowanie jednostki wodorowej o osiągach porównywalnych z przeciętnym dieslem jest sporym osiągnięciem. Do tego – tam przynajmniej, gdzie ta cecha się liczy – emisje spalin są dużo mniejsze. Natomiast całkowitych kosztów eksploatacji takich jednostek nadal pozostają znacząco większe, mimo ambitnych planów redukcji i tych kosztów. Które mogą dać się we znaki zwłaszcza wtedy, gdy wyrażany rządowymi dotacjami entuzjazm dla „zielonych” napędów opada.
