Jules Verne - Uniwersytet Warszawski

575 str 20-22 samochody.qxd
2004-03-10
14:15
Page 20
SAMOCHODY
PRZYSZŁOŚCI
Z DR. WOJCIECHEM GROCHALĄ ROZMAWIAJĄ
SŁAWOMIR ZAGÓRSKI I TOMASZ ŻURADZKI
RYSUNEK PIOTR SOCHA
Jules Verne
w 1874 roku pisał: „Wierzę,
że przyjdzie dzień, gdy wodór i tlen,
które razem tworzą wodę,
będą użyte jako niewyczerpalne
źródło ciepła i światła”
Kiedy przesiądziemy się
do aut na wodór?
• Będzie jak z komórkami – 15 lat
temu mało kto mógł sobie na nie
pozwolić, dziś ma je prawie każdy,
nawet po kilka sztuk. Przypuszczam,
że ok. 2020 roku technologia wodorowa znajdzie się na podobnym etapie rozwoju jak telefony komórkowe przed 15 laty: wodór będzie tylko niewiele droższy od benzyny,
ogniwo wodorowe od klasycznego
silnika, a wodorowy bak od zwykłego zbiornika na paliwo.
To realny scenariusz?
• Na science fiction nikt nie wykładałby tak olbrzymich pieniędzy.
Sam rząd USA na stworzenie samochodu na wodór przeznacza 40 mln
dolarów rocznie. Firmy prywatne
dorzucają do tego 150 mln. Amerykański rządowy program rozwoju
ogniw paliwowych, czyli odpowiednika dotychczasowych silników, to
dodatkowe 340 mln dolarów plus
proporcjonalnie większe pieniądze
z firm prywatnych. NASA też ma
swoje – najczęściej ściśle tajne
– programy. W sumie w samych Stanach wydaje się więc na technologie
wodorowe około miliarda dolarów
rocznie.
Są jakieś konkretne rezultaty?
• Już dziś po świecie jeździ pół set-
ki samochodów na wodór z ogniwami paliwowymi. Kilkanaście prototypów zrobiło BMW w 1999 roku.
W podobne projekty szybko zaangażowały się Honda i Toyota,
a ostatnio General Motors. To dziś
najważniejsi gracze, choć i mniejsze
firmy uważają za punkt honoru, by
wyprodukować swój model samochodu na wodór. Na razie takie auta
jeżdżą na stałe na lotnisku we Frankfurcie, gdzie mają nawet specjalną
stację „wodorową”. Autobusy testowe kursowały też w Vancouver
i Chicago, a od niedawna jeżdżą po
Londynie. Zrobiono też pierwszy
krok w stronę komercjalizacji – pod
koniec 2002 roku Honda i Toyota
wypuściły w Kalifornii i w Japonii
pierwszych kilkanaście wodorowych
aut na sprzedaż.
Droga taka limuzyna?
• Kilka razy droższa od bardzo dobrego samochodu. Kosztuje nawet
ćwierć miliona dolarów. Dlatego
dziś to głównie modna zabawka dla
zamożnych ludzi, którzy chcą pokazać, jak bardzo są ekologiczni. Na
podobnej zasadzie w Niemczech
sprzedaje się dwa rodzaje energii:
tańszą, ale brudną i droższą, ale
czystszą. Wielu wybiera droższą. Od
takiej ekskluzywnej niszy odbiorców zaczyna każde novum...
Czajnik na kółkach
Po co w ogóle robić auta
na wodór? Ze strachu
przed efektem cieplarnianym?
Przejmujesz się nim?
575 str 20-22 samochody.qxd
2004-03-10
14:17
Page 21
wystarczą co najmniej do roku
2050, to wcześniejsze problemy
mogą wynikać z zachwiania relacji
popyt-podaż. Za 20 lat Stany będą
zużywać o 80 proc. więcej energii
niż dziś. Co prawda jest jeszcze
gaz, ale on skończy się wkrótce po
ropie.
A węgiel?
• Od węgla odchodzi się, choć będzie go pod dostatkiem jeszcze
przez kilkaset lat. Podczas spalania
węgla wydziela się znacznie więcej
CO2 na jednostkę energii, a do tego
dochodzą jeszcze zanieczyszczenia
atmosfery związkami siarki i azotu.
Ale to wcale nie znaczy, że następcą ropy nie zostanie właśnie węgiel.
Możemy iść śladem RPA z czasów
wojny, czyli wytwarzać paliwa ciekłe z węgla i wody. Jest to co prawda droższe, ale możemy nie mieć
wyjścia. Ekolodzy szybko podniosą alarm, ale pewnie przestaną go
podnosić, gdy nie będą mieli czym
dojechać do pracy. Takie paliwa byłyby zbliżone właściwościami do ropy. Moglibyśmy je tankować na zwykłej stacji benzynowej do zwykłego
samochodu i przesyłać zwykłym rurociągiem.
Czy potężne firmy paliwowe
nie będą zatem tłumić rozwoju
aut na wodór – przynajmniej
do czasu wyczerpania zapasów
paliw kopalnych?
• Nie sądzę. To dla nich najlepszy
moment, by wykupić ten biznes,
zanim zacznie im zagrażać. Tylko
muszą mieć co wykupić.
Wyobraźcie sobie, że teraz jestem
najbogatszym facetem, ale za 50 lat
moje zapasy się skończą. Co dziś
robić z nadwyżką gotówki? Najlepiej zainwestować w dziedzinę,
która zastąpi wydobycie ropy. Zarówno Arabowie, jak i Norwegowie odkładają znaczną część dochodów z ropy na fundusz dla
przyszłych pokoleń. Mogą go teraz
wykorzystać.
Gdy BMW wyprodukowało pierwsze pokazowe auta na wodór, to
wyruszyły one w podróż dookoła
świata właśnie z Dubaju, stolicy
Zjednoczonych Emiratów Arabskich, jednego z głównych producentów ropy. Dlaczego? By pokazać, że są alternatywne rozwiązania wobec ropy, a szejkowie powinni się tej technologii bacznie
przyglądać i współfinansować jej
rozwój.
Paliwo ulotne niesłychanie
• Ja nie bardzo… Ale niektóre rządy tak. Wiele państw stawia coraz
wyższe wymagania ekologiczne
i to nakręca ten biznes. Islandia deklaruje chociażby, że ze względu
na swoje źródła geotermalne już za
30 lat stanie się krajem korzystającym wyłącznie z energii odnawialnej. Ale Islandczycy nie załatwią
przecież wszystkich swoich potrzeb za pomocą ciepłych źródeł.
Domy ogrzeją, energię konieczną
do zapalenia żarówek uzyskają – to
fakt, ale muszą też mieć co wlać do
baku.
Na przykład wodór?
• Właśnie.
Czy wodorowe auta
są rzeczywiście równie
nieszkodliwe jak czajniki
– z rur wydechowych wydobywa
się wyłącznie para wodna?
• To przyszłość. Na razie wodór
wcale nie jest taki przyjazny dla śro-
dowiska. Choć podczas jego spalania zamiast dwutlenku węgla i innych zanieczyszczeń faktycznie
powstaje tylko para wodna, to trzeba jeszcze uwzględnić, skąd się ten
wodór wziął. Dziś jest on prawie
w 100 procentach wytwarzany z ropy lub węgla. A dla przyrody to
obojętne, czy dwutlenek węgla pochodzi bezpośrednio z nieekologicznego samochodu, czy pośrednio z produkcji paliwa wodorowego
w nieekologicznej fabryce.
To dlaczego ekolodzy walczą
o auta na wodór?
• Bo wierzą, że wodór to wymarzone ekologiczne paliwo przyszłości.
Wytwarzane z wody z całkowitym
pominięciem paliw kopalnych. Już
Jules Verne w 1874 roku pisał:
„Wierzę, że przyjdzie dzień, gdy
wodór i tlen, które razem tworzą wodę, będą użyte jako niewyczerpalne
źródło ciepła i światła”. To były prorocze słowa.
Ale woda sama się w wodór
nie zamieni. Trzeba mieć do tego
energię. Skąd ją brać?
• Załóżmy, że nie będziemy korzystać z energii jądrowej, bo ona
ostatnio nie jest zbyt lubiana i bywa niebezpieczna. Można jednak
wykorzystać źródła odnawialne:
promieniowanie słoneczne (np. na
Florydzie czy Hawajach), wiatr
(Szkocja, Szwecja, Norwegia), hydroenergię (Norwegia, Szwajcaria,
Rumunia) czy wspomniane źródła
geotermalne (Islandia). Są miejsca
na Ziemi, gdzie wodór już dziś
powstaje w sposób całkowicie ekologiczny z rozkładu wody. Choć
w ten sposób wytwarza się co najwyżej jeden procent światowej produkcji wodoru, wielu marzy, że ta
metoda dostarczy całkowicie czystego paliwa przyszłym pokoleniom. Problem w tym, że proces
hydrolizy, czyli zamiany wody
w wodór i tlen, ma na razie niewielką wydajność.
Po co zamieniać energię
odnawialną w wodór zamiast
od razu w prąd elektryczny?
• Przecież nie możemy postawić
sobie wiatraka na dachu samochodu! Dla potrzeb transportu najpierw
trzeba energię gdzieś wytworzyć,
potem ją zmagazynować, a na końcu wykorzystać. Jeżeli ma się fabrykę koło wiatraków, to oczywiście
można się obejść bez wytwarzania
i magazynowania wodoru. Ale – jak
wspomniałem na przykładzie Islandii – do samochodowego baku prądu nie nalejecie.
Jak wycisnąć z węgla ropę?
Nie za wcześnie na przewidywanie
nadejścia ery wodoru?
Przecież zasoby paliw
naturalnych wystarczą nam
jeszcze na dziesięciolecia.
• Niektóre prognozy zakładają, że
pierwsze kłopoty z ropą pojawią
się już za ok. 15 lat. Choć zapasy
Załóżmy, że mamy już tani,
ekologicznie wytwarzany wodór.
Co dalej?
• Trzeba go zmagazynować, czyli
zrobić bak. Można postępować na
trzy sposoby. Pierwszy, najbardziej
popularny, to sprężanie gazu pod
wysokim ciśnieniem. Niemcy już
zatwierdzili do użytku samochodowe baki, do których wodór wtłacza
się za pomocą 550 atmosfer. To
straszne ciśnienie – butle muszą
mieć bardzo grube ścianki, specjalne zawory. A w laboratoriach testuje się baki wytrzymujące nawet 800-1000 atmosfer.
Tyle że pojawia się tu problem: wodór ucieka. Nawet z najlepszych baków wylatuje dziennie ok. 1,5 proc.
gazu. Po miesiącu jest więc go aż
o 30 proc. mniej. Wodór ucieka, bo
jest najmniejszą cząsteczką, która
z ogromną łatwością przenika przez
ciała stałe. To bardzo nieprzyjemne
uczucie, jak człowiek płaci za coś,
co mu potem znika.
www.gazeta.pl/duzyformat Poniedziałek 15 marca 2004 dużyformat 21
575 str 20-22 samochody.qxd
2004-03-10
14:18
Page 22
SAMOCHODY PRZYSZŁOŚCI
ALBERT ZAWADA
Dr Wojciech Grochala
Rocznik 1972.
Jeden z obiecujących
polskich naukowców
młodego pokolenia.
Studia chemiczne
na Uniwersytecie
Warszawskim
zrobił w cztery lata,
doktorat w trzy,
w marcu tego roku złożył habilitację na
Wydziale Chemii UW. Stypendysta Fundacji
na rzecz Nauki Polskiej, Fundacji
Crescendum Est-Polonia, amerykańskiej
Fundacji Kościuszkowskiej, brytyjskiego
Royal Society.
Przez dwa lata pracował na słynnym Cornell
University (USA) pod kierunkiem Roalda
Hoffmanna, laureata Nagrody Nobla.
Zajmował się projektowaniem
nadprzewodników. Następnie przebywał
w Photonics Research Ontario w Toronto
(Kanada) i na Uniwersytecie Birmingham
Na dodatek bak, który
wytrzymuje 800 atmosfer,
musi być strasznie ciężki.
• To kolejny problem. Żeby opłacało
się taki bak wozić, to przy obecnych
cenach paliwo – a więc czysty wodór
– musi stanowić minimum 7 proc.
jego wagi. Reszta to byłby złom
utrzymujący w zamknięciu te kilkaset atmosfer. Gdyby gazu było mniej,
energia wodoru z trudem wystarczałaby na wożenie baku. Dziś najlepsze
baki są rzeczywiście potwornie ciężkie – po napełnieniu paliwo nie przekracza 13 proc. ich masy.
Ile takie auto będzie paliło
na setkę?
• Okazuje się, że te 13 proc. to
wcale nie tak mało, bo wodór jest
ponad 2,5-krotnie bardziej wydajny
od benzyny. Takie auto zużywa
ok. 1,6 kg wodoru na setkę. Do przejechania 600 km małym samochodem potrzeba więc 9,4 kg wodoru
(to tyle co 35 litrów benzyny, czyli
25 kg). Wychodzi więc na to, że dla
utrzymania tych niespełna 10 kg bak
sam musi ważyć ponad 60 kg (dla
porównania – waga zwykłego plastikowego baku na 50 l benzyny to
ok. 5-7 kg).
A nie da się wodoru skroplić?
• Do tego potrzeba nie tylko wysokiego ciśnienia, ale i ekstremalnie niskiej temperatury, rzędu minus
250° C, i skroplenie wodoru w rezultacie kosztuje bardzo drogo. Na dodatek bak musiałby być chłodzony
przez cały czas, bo nie wystarczy tylko początkowe schłodzenie wodoru
i zamknięcie go w szczelnej butli.
Rezultat? Wozimy jeszcze cięższy
bak niż w przypadku gazowego wodoru, który na dodatek jest lodówką
pożerającą ogromne ilości energii.
Jedyną zaletą jest to, że można
w nim upchać trochę więcej wodoru
niż tego sprężonego w postaci gazu.
(Wlk. Brytania). To właśnie tam,
współpracując z europejskim
programem FUCHSIA, zainteresował się
problemem baków na wodór. W 2002
roku wrócił na Uniwersytet
Warszawski. Udało mu się uzyskać trzy
granty na łączną sumę 50 tys. dolarów.
„To śmiesznie mało jak na porządne
badania eksperymentalne – mówi.
– Ale i tak się cieszę, bo w Polsce
to bardzo rzadki przypadek,
że ktoś wraca z zagranicy
i dostaje pieniądze na zbudowanie sobie
od podstaw laboratorium”.
Grochala ostatnio stara się o fundusze
z NATO jako koordynator badań
nad technologiami wodorowymi w kilku
grupach badawczych z USA, Słowenii,
Rumunii i Polski. W przyszłości myśli
o opatentowaniu swoich wyników. Na
nasze pytanie, czy wkrótce zostanie
milionerem, odpowiada: „To zależy
od tylu różnych rzeczy. Ale jeśli
dopisze mi szczęście, kto wie?”.
Do tego wszystkiego
czysty wodór nie jest chyba
zbyt bezpiecznym paliwem?
• Gdy złamie się zawór lub pęknie
butla, to wodorowy bak staje się małą torpedą. A jeśli, nie daj Boże,
powstanie w wyniku tarcia jakaś
iskra, może nastąpić samozapłon lub
wręcz wybuch wodoru wymieszanego z powietrzem. Ale i tak ryzyko
jest mniejsze niż w wypadku benzyny, bo wodór jako lżejszy od powietrza dość szybko ucieka do góry. Po
11 września lęk przed paliwami wybuchowymi jest jednak irracjonalnie
duży. Dlatego najlepiej, by paliwo
przyszłości w ogóle nie wybuchało.
Wodór w proszku
Może więc paliwo wodorowe
sproszkować?
• No właśnie. Można to zrobić na
dwa sposoby: fizyczny i chemiczny.
Metody fizyczne wykorzystują np.
takie małe rureczki szklane – można nimi łatwo wyładować bak, a potem pod niewielkim ciśnieniem załadować wodór, który się do nich
poprzykleja. Nie zachodzi tam żadna reakcja chemiczna. Taki sposób
przechowywania jest jednak mało
wydajny – wodór stanowi góra
1 proc. ciężaru baku. Choć wielu ludzi próbuje dziś tę technikę ulepszać, ja w nią nie wierzę.
A w co wierzysz?
• W chemię. Z tym że to też wy-
maga pracy. Najbardziej efektywne
materiały, te zawierające od 5 do
20 proc. wodoru, to substancje, które uwalniają go w strasznie wysokich temperaturach. W zależności
od proszku trzeba taki bak podgrzać
od 250 do 800° C. Są też naturalnie
materiały, które oddają wodór
w temperaturze pokojowej, tyle że
zawierają go co najwyżej 3,6 proc.
W 1997 roku ukazała się przełomo-
Do ogniwa paliwowego wlatuje
wodór z baku i tlen z powietrza.
Dzięki platynowej elektrodzie atomy
wodoru rozpadają się na elektrony
i protony. Specjalna membrana
przepuszcza tylko protony,
zmuszając elektrony do drogi okrężnej
przez silnik auta. Po drugiej stronie
membrany cząstki wodoru łączą się
z tlenem tworząc parę wodną
wa praca opisująca materiał, w którym wodór stanowi 5,5 proc. wagi
i uwalnia się w temperaturze już
180° C. Ale nadal trzeba zbyt dużych ciśnień (rzędu kilkudziesięciu
atmosfer), by załadować na nowo taki chemiczny zbiornik.
Jak wyglądałby więc
idealny bak?
• Byłby to taki cartridge z proszkiem w środku, który można by naładować na stacji „wodorowej” albo
oddawać do wymiany. Wodór powinien uwalniać się z niego w temperaturze od 60 do 120° C. Ani mniej,
ani więcej: nie może nam bowiem
rozsadzać baku, jak słońce przygrzeje, ani też wymagać 200° C, czyli
zużywać zbyt wiele energii. Po drugie, jak już się wodór uwolni, musi
mieć ochotę załadować się z powrotem przy stosunkowo niskim ciśnieniu (kilku atmosfer). No i wreszcie
bak powinien być tani, nietoksyczny
i bezpieczny (np. nie może płonąć
po rozsypaniu się proszku). Na razie
prowadzę badania eksperymentalne
nad pierwszym czynnikiem i teoretyczne nad drugim.
Są wyniki?
• Odkryłem, że dobierając odpowiednio pierwiastki wchodzące
w skład baku, można w zadziwiająco prosty sposób sterować temperaturą wydzielania wodoru. Dodaję
różne substancje do znanych magazynów tego paliwa i staram się w ten
sposób obniżyć temperaturę uwalniania gazu. Mówiąc po ludzku: dotąd wodór wylatywał przy temperaturze 400° C, u mnie dzieje się to już
przy 200° C. To gigantyczna różnica, a jeszcze liczę na poprawę, finalnie na jakieś 80-100° C. Po dwóch
latach badań niemal połowa moich
eksperymentów jest ukończona.
Wyniki teoretyczne ukazały się
w tych dniach w marcowym nume-
rze „Chemical Reviews”. Jedynym
problemem jest teraz poprawienie
efektywności „przerobu” magazynów paliwa przez odpowiednie dodatki, czyli – mówiąc naukowo – kataliza.
Chemiczne łapska
Załóżmy, że mamy już taki
idealny bak. Co dalej?
• Wodoru możemy używać na co
najmniej dwa sposoby: spalać jak
zwykłą benzynę albo wykorzystywać w ogniwach paliwowych. Już
od dawna znane są silniki hybrydowe pracujące na wodór albo na benzynę. To rozwiązanie ma jednak podobne wady jak wszystkie silniki
spalinowe – wytwarza się dużo ciepła i traci energię, niepotrzebnie podgrzewając atmosferę.
Dlatego kiedy będziemy już mieli
wodoru pod dostatkiem, dominować
będą ogniwa wodorowe. To taki „cichy chemiczny silnik”, który spala
wodór w tlenie lub powietrzu na
zimno, bez płomienia, bez hałasu,
niczym klasyczne ogniwo (bateryjka). Dzięki tej technologii można
uzyskać bardzo wysoką wydajność
wytwarzania energii. Energia chemiczna paliwa zamieniana jest bezpośrednio w prąd, który napędza silnik elektryczny; straty cieplne są małe. Samo ogniwo paliwowe to bardzo
sprytny wynalazek pewnego angielskiego lorda jeszcze z XIX wieku.
Na jakiej zasadzie
działa ogniwo?
• Składa się ono z dwóch komór
(do jednej doprowadzany jest wodór, do drugiej tlen lub powietrze)
przegrodzonych membraną. Membrana to taka chemiczna ośmiornica: ma łapy (oczywiście chemiczne), które przesuwają w jednym kierunku protony (kationy wodoru).
Ważnym elementem ogniwa są również elektrody, zresztą bardzo dro-
gie, bo platynowe. Ale to nie tylko
ceny elektrod czy membrany powodują, że ogniwa wciąż nie mogą
wejść do masowej produkcji. Światowe zasoby platyny po prostu nie
wystarczyłyby do wytworzenia setek milionów ogniw koniecznych do
powstania odpowiedniej liczby aut.
Dlaczego w ogniwach używa się
akurat platyny?
• Bo to niezwykły metal. Wyobraźmy sobie, że przylatuje na jej powierzchnię wodór składający się
z supertrwałych cząsteczek H2, które trzeba by podgrzewać do gigantycznych temperatur, by zechciały
się rozpaść na atomy. Platyna to magiczny materiał, który robi to samo
w temperaturze pokojowej i dodatkowo odbiera od atomów wodoru
elektrony.
Czy ogniwa mają inne
zastosowanie prócz
samochodów?
• Jak najbardziej – mogą mieć
wielkość od baterii w komórce aż do
rozmiarów małego domku. Takie gigantyczne ogniwa stoją sobie np.
w Anchorage na Alasce i produkują
energię elektryczną dla małej wioski. Te samochodowe mają wielkość
porównywalną z rozmiarami tradycyjnego silnika spalinowego. Podejrzewam, że już za dziesięć lat nawet
telefony komórkowe będą zasilane
nie bateriami litowymi, ale właśnie
malutkimi ogniwami. To się wydaje
niesamowite, ale pomyślmy – jeszcze 15 lat temu nikt nie marzył o miniaturowych bateriach litowych, które działają przez tydzień. Dziś to
norma, co sprawia, że telefon, podobnie jak komputer sprzed kilku
lat, jest najzwyklejszym technologicznym śmieciem.
•
Najnowsze samochody
i inne wiadomosci motoryzacyjne
www.gazeta.pl/auto