Vandeniliniai varikliai: nereikalinga technologija ar neišvengiama ateitis?

Jei paklaustumėte dviejų didžiausių pasaulio automobilių gamintojų vadovų, kokia ateitis transporto laukia po 20-30 metų, sulauktumėte skirtingų atsakymų. „Volkswagen“ atstovai pasakytų, kad važinėsime baterijose elektros energiją kaupiančiais automobiliais, o „Toyota“ turi vandenilinę viziją.

Elektra varomi automobiliai vis dažniau matomi gatvėse, tačiau ar tokio pat proveržio kada nors sulauks ir vandenilį naudojantis transportas?

Automobilių gamintojai jau senokai eksperimentuoja su vandenilio degalų elementais varomais automobiliais, tačiau dėl įvairių veiksnių masinės jų gamybos perspektyvos vis dar gana miglotos. Nors „Toyota“ sako, kad jų tyrimai šioje srityje prasidėjo dar prieš tris dešimtmečius, kita japonų kompanija „Honda“ galėtų pasigirti, kad 2008 metais pirmieji savo klientams pasiūlė įsigyti vandenilio degalų elementų technologiją naudojusį „FCX Clarity“.

Dabar šis modelis – tik istorija, tačiau per daugiau nei dešimtmetį šio tipo automobilių rinkoje mažai kas pasikeitė. Buvo sukurti keli eksperimentiniai modeliai, o 2021 metais iš esmės buvo parduodami tik du serijiniai vandeniliu varomi modeliai – „Toyota Mirai“ ir „Hyundai Nexo“. Nors pernai vandenilinių automobilių pardavimai visame pasaulyje išaugo kone dvigubai ir pirmą kartą istorijoje peržengė simbolinę 10 tūkst. ribą, akivaizdu, kad kol kas tai tėra miniatiūrinė niša automobilių rinkoje.

Tad kas gamintojus skatina investuoti į vandenilinių variklių tobulinimą? Ko gero, tiksliausias atsakymas būtų toks: tobulinti šią technologiją skatina vizija, kad vieną dieną turėsime transporto sistemą, kuri visiškai neterš aplinkos. Kol kas atrodo, kad tai labiau teorinė galimybė. Net ir šiandien deklaratyvūs teiginiai, kad iš vandeniliu varomo automobilio duslintuvo išmetami tik vandens garai, dar nereiškia, kad toks transportas neteršia aplinkos.

Visų pirma, nors vandenilis mūsų planetoje yra vienas iš labiausiai paplitusių cheminių elementų, grynas jis niekur neaptinkamas, nes susijungęs su deguonimi tampa vandeniu. Todėl norint naudoti vandenilį, pirmiausia jį reikia pagaminti. O šiandien vandenilis dažniausiai gaminamas iš dujų ir tokia gamyba nėra pigi bei teršia aplinką.

Pagal gamybos būdą vandenilis išskiriamas į tris grupes: „pilkasis“, „mėlynasis“ ir „žaliasis“. Šios rūšys chemiškai yra identiškos, skiriasi tik jų gamybos būdai. Pats populiariausias yra „pilkasis“ vandenilis – jo gamybos metu į aplinką išskiriamas metanas ir anglies dvideginis, tad toks poveikis nėra draugiškas aplinkai. „Mėlynasis“ vandenilis yra gaminamas skaidant gamtines dujas – tai irgi „nekvepia“ tvarumu.

Visai kas kita – „žaliasis“ vandenilis, kurio gamybos metu neišskiriama žalingų emisijų, kadangi tam naudojama elektros energija iš atsinaujinančių išteklių, pavyzdžiui, vėjo ar saulės elektrinių. Problema ta, kad „žaliojo“ vandenilio gamybos proveržio bus galima tikėtis tik tada, kai elektros gamyba iš atsinaujinančių išteklių taps pertekline. Taip yra dėl to, kad vandenilio gamybai naudojant elektrą patiriami dideli elektros, kaip energijos rūšies, panaudojimo nuostoliai. Kur kas efektyviau elektrą naudoti tiesiogiai, t. y. pramonei, paslaugoms, namų ūkių poreikiams, elektromobilių įkrovimui ir t. t. Tad kol neturime „žaliosios“ elektros pertekliaus, tol ją naudoti vandenilio gamybai nėra efektyvu.

Kad ir kaip būtų pagamintas vandenilis, jį panaudoti transporte galima dviem būdais: „sudeginti“ tam pritaikytame vidaus degimo variklyje arba panaudoti specialią degalų elementų (angl. Fuel Cells) technologiją, kuri vandenilio reakciją su oru verčia elektra, o ši suka variklį.

Vandenilio varikliai: už ir prieš

Palyginti su baterijomis, vienas iš pagrindinių vandeniliu varomo transporto privalumas yra tai, kad jo bakus galima papildyti taip pat greitai kaip ir benzino ar dyzelino – tai trunka iki 5 minučių. Be to, vandenilį galima transportuoti ten, kur elektros tinklų apskritai nėra. Baterijų trūkumas – ne tik ilgas įkrovimas, bet ir tai, kad jei jos įkraunamos didele įkrovimo galia, ilgainiui sparčiau menksta jų darbiniai parametrai.

Kitas svarbus vandenilio degalų elementais varomų automobilių pliusas – nuvažiuojamas atstumas. Jeigu naujausiems ir talpiausias rinkoje siūlomas baterijas naudojantiems elektromobiliams viena įkrova nuvažiuojamas 500 km atstumas vis dar sunkiai pasiekiamas, jau pirmosios kartos „Toyota Mirai“ vienu baku nuvažiuodavo pusę tūkstančio kilometrų. Neseniai pasirodęs naujasis modelis jau gali įveikti ir 650 km, o nuvažiuojamam atstumui greitis ir oro sąlygos nedaro tokios įtakos, kaip elektromobiliams.

Nepaisant šių privalumų, kelyje pamatyti vandeniliu varomą automobilį prilygtų stebuklui. Šiam transportui išpopuliarėti neleidžia vis dar brangi technologija (pavyzdžiui, „Mirai“ Lietuvoje kainuoja nuo 67,5 tūkst. eurų) ir infrastruktūros trūkumas. Nors degalų papildymas ir greitesnis už baterijų įkrovimą, tačiau degalinių infrastruktūra kol kas yra „embriono“ stadijoje. Skaičiuojama, kad Japonijoje yra apie 150 viešų vandenilio papildymo degalinių, Vokietijoje – apie 100, JAV – vos pusšimtis, iš kurių absoliuti dauguma vienoje valstijoje, Kalifornijoje. Lietuvoje kol kas tokių degalinių neturime, arčiausiai mūsų veikianti vandenilio degalinė yra Rygoje.

Dar vienas ir bene svariausias elektromobilių šalininkų argumentas – prastas vandenilinio automobilio efektyvumas (skaičiuojant energijos nuostolius tam pačiam atstumui nuvažiuoti). Jei palygintume, pavyzdžiui, kiek kilovatų iš 100 kW elektros energijos panaudoja elektromobilis ir kiek vandenilinis automobilis, gautume drastišką skirtumą.

Konsultacijų įmonės „Horváth & Partners“ atliktos studijos „Automotive Industry 2035 – Forecasts for the Future“ duomenimis, baterijomis varomų elektromobilių efektyvumas siekia 70-80 proc., o vandenilinių automobilių – tik 25-35 proc. Taip yra todėl, kad net 45 proc. energijos yra prarandama pagaminant vandenilį, o iš likusių 55 proc. dar maždaug pusė energijos yra prarandama automobilio degalų elementuose vandenilį konvertuojant į elektrą, sukančią variklį. Tuo tarpu įkraunant įprastų elektromobilių baterijas prarandama tik 8 proc. energijos, dar apie 18 proc. elektros energijos netenkama perduodant ją elektros varikliui.

Vandenilio deginimas: kaip jis veikia?

• Įsiurbimo proceso metu degalai sumaišomi su oru ir įleidžiami į cilindrą.
• Tada stūmoklis suspaudžia degalų ir oro mišinį, kuris uždegamas kibirkštimi. Dėl uždegimo įvyksta degimas.
• Besiplečiančios degimo dujos varo stūmoklį, kuris suka alkūninį veleną.
• Šis sukamasis judesys suka ratus, jei tai yra automobilis.

Geriausias panaudojimas – sunkvežimiams

Kita vertus, vandenilis nėra pasmerktas – dalis gamintojų vis dar galvoja apie vandenilį kaip apie gerą alternatyvą baterijoms, ypač kalbant apie sunkvežimių ir autobusų sektorių. Būtent tokiam transportui pritaikyti dabartinių elektromobilių sprendimus sukelia nemažai iššūkių: kuo sunkesnė transporto priemonė, tuo galingesnių baterijų reikia, o kuo galingesnės baterijos, tuo jos sunkesnės ir ilgiau tenka jas krauti.

Dėl to vandenilio degalų elementai perspektyviausiai atrodo galvojant apie ekologiškų ir ilgus atstumus važiuojančių transporto priemonių ateitį. Dabartinė vandenilio degalų elementų technologija vertinama kaip pranašesnė ilgų distancijų sunkiajam transportui, nes ja aprūpinti vilkikai yra lengvesni ir dėl to gali gabenti daugiau krovinių, nei baterijomis varomas transportas. Dėl šios priežasties didieji šios rinkos žaidėjai, tokie kaip „Daimler Truck“, „Volvo Trucks“ ir „Hyundai“, įsitraukę į vandenilinių technologijų bandymus.

Be to, tokiam transportui kur kas lengviau išvystyti degalų papildymo tinklą – tam pakaktų specialių degalinių užmiesčio keliuose. O sukurti baterijų įkrovimo tinklą yra nepalyginamai sunkesnė užduotis, nes tam reikia ir elektros tinklų pertvarkos. Taip pat svarstoma, kad vandenilis galbūt taps nišiniu kuru ne tik sunkiajai technikai, bet ir lėktuvams bei laivams.

Vandenilio proveržis – per 20 metų?

Akivaizdu, kad pasiekėme transporto perversmo slenkstį – vidaus degimo varikliai palaipsniui užleis vietą mažiau taršioms technologijoms. Perėjimas prie elektromobilių sparčiai įsibėgėja, tačiau vandenilio degalų elementų technologija šiandien yra pernelyg brangi masinei gamybai. Tad ar vandenilis bus masiškai naudojamas ateities kartų?

Nemažai vilties vandeniliui gali įpūsti ir Europos Sąjungos ar Kinijos sprendimai. Jeigu šiose rinkose būtų nuspręsta finansiškai skatinti vandenilio technologijų plėtrą kaip vieną iš kuro rūšių šildymui ir transportui, tai gali iš esmės pakeisti požiūrį į vandenilio ateitį. Be to, kai kurie automobilių gamintojai vandenilio technologijų pritaikymą vertina kaip draudimo polisą tuo atveju, jeigu Europos Sąjunga uždraustų nuo 2035 metų gaminti vidaus degimo variklius naudojančius automobilius.

Ilgus metus Japonijos kompanijos „Toyota“, „Honda“ ir „Nissan“ bei Pietų Korėjos „Hyundai“ buvo vienišos kuriant vandenilio degalų elementų automobilius, tačiau šios technologijos gerbėjų gretos pastaruoju metu pasipildė. Kinijoje keletas automobilių gamintojų investuoja į vandenilio variklių plėtrą, o tarp Vokietijos automobilių gamintojų BMW išsiskiria kaip aktyviausia vandenilio šalininkė. Bavarijoje įsikūrusi kompanija žada, kad maždaug 2030 metais rinkai pasiūlys serijinį vandeniliu varomą modelį. 

BMW jau šiemet planuoja pradėti vandenilinio X5 bandymus – šį projektą iš dalies finansavo Vokietijos vyriausybė. Kompanijos atstovai vandenilio degalų elementais varomus automobilius vertina kaip papildomą pasirinkimą prie baterijomis varomų elektromobilių – jie būtų skirti tiems klientams, kurie neturi įkrovimo galimybės namuose, nori nuvažiuoti ilgus atstumus ir greitai pasipildyti degalų.

„Nesvarbu, ar ši technologija bus skatinama politikų, ar rinkos poreikio, mes būsime pasiruošę pasiūlyti savo produktą. Esame tikri, kad dar šį dešimtmetį pamatysime vandenilio technologijos proveržį. Ateitis yra emisijų neskleidžiantis transportas, todėl mes tikime, kad šiam tikslui pasiekti du sprendimai yra geriau nei vienas“, – teigia BMW vandenilio degalų elementais varomų automobilių programos vadovas Jürgenas Guldneris.

Tuo tarpu „Volkswagen“ grupės vadovas Herbertas Diessas praėjusiais metais dar kartą pabrėžė, kad masiniam vartojimui reikia baterijų, o ne vandenilio, ir šis kuras esą neturi galimybių pakeisti benzino ar dyzelino. Nepaisant skeptiško „Volkswagen“ vadovo nusistatymo, kita šios grupės įmonė - „Audi“ - iš daugiau nei 100 mechanikų ir inžinierių subūrė komandą, kuri jau yra sukūrusi keletą prototipų ir tyrinėja vandenilio technologijos galimybes bei jų pritaikymą visos „Volkswagen“ grupės mastu.

Autorinkos konsultacijų kompanija LMC prognozuoja, kad masinis vandenilio technologijų pritaikymas lengviesiems automobiliams užtruks dar ilgai. Manoma, kad tai įvyks tik po to, kai šie sprendimai bus panaudoti kituose sektoriuose – komerciniame transporte, aviacijoje, energijos kaupiklių sistemose ir kt. LMC vertinimu, 2030 metais tik 0,1 proc. Europoje parduodamų automobilių bus vandeniliniai. Didesnio proveržio esą galima tikėtis po 2035-ųjų.

Panašiai ateitį įsivaizduoja ir korėjiečių kompanija „Hyundai Motor Group“, kuri žada, kad iki 2028-ųjų visos jų gaminamos komercinės transporto priemonės, tokios kaip sunkvežimiai ar autobusai, bus varomi tik baterijomis arba vandenilio degalų elementais. Jeigu tai taps realybe, „Hyundai“ bus pirmoji kompanija pasaulyje pasiekusi šį tikslą.

Korėjiečiai taip pat yra įsipareigoję iki 2045 metų tapti CO2 neutralia kompanija, kuri dar iki 2040 metų didžiausiose rinkose atsisakys iškastinio kuro naudojimo. Per artimiausius du dešimtmečius „Hyundai“ taip pat žada pristatyti platų spektrą vandeniliu varomų lengvųjų automobilių, traukinių, laivų ir kitų mobilumo sprendimų.

„Mes stipriai tikime, kad norint pereiti prie netaršaus mobilumo, mums reikia abiejų technologijų – baterijų ir vandenilio degalų elementų. Kova su klimato kaitos iššūkiais ir atsinaujinančių išteklių energetikos skatinimas neįsivaizduojamas be vandenilio“, – teigia kompanijos valdybos pirmininkas Euisunas Chungas.

Tad nors vandenilio perspektyvos dabar atrodo miglotos, nereikėtų pamiršti, kokiais automobiliais važinėjome dar prieš 20 metų –  V8 ir V6 varikliai buvo įprasti, o šiandien jau primena egzotiką. Jeigu pokyčiai transporto sektoriuje bus skatinami tokiu pat tempu mažinant emisijas, o elektromobilių infrastruktūra nesivystys taip sklandžiai, kaip tikisi kai kurie gamintojai, žvelgiant kelis dešimtmečius į priekį, vandenilio technologijų panaudojimas serijiniuose automobiliuose atrodo kaip realus sprendimas, pereinant prie nulinės taršos transporto.