Automobilul cu hidrogen: pilă de combustie sau pistoane?

Un circuit pe bază de apă între maşină şi natură, ca suport al schimburilor energetice respective, apare ca un scenariu ideal pentru propulsia oricărui tip de vehicul, fie el acvatic, terestru său spaţial. Automobilul propulsat electric, folosind energia provenită de la o pilă de combustibil, acţionată la rândul ei cu hidrogen şi oxigen, a devenit mai nou laitmotivul scenariilor referitoare la mobilitatea viitorului.

Stadiul suprem al evoluţiei, după motoarele cu piston, motoarele hibride şi cele electrice cu baterie pare, aşadar, a fi cel transferat din tehnica aerospaţială. Ideea e simplă în sine: electroliza apei constă în disocierea acesteia în hidrogen şi oxigen, la trecerea unui curent electric prin doi electrozi, catod şi anod, care sunt imersaţi în ea. Procesul, dezvoltat iniţial de Volta, începând din 1800, a fost apoi realizat şi în sens invers, în 1839, de Schönbein şi Grove: între electrozi de platină înconjuraţi de hidrogen, respectiv de oxigen, a putut fi detectat un curent electric. Această formă de reversibilitate a electrolizei nu a avut aplicaţii notabile până acum 60 de ani, când a fost revitalizată în tehnica vehiculelor spaţiale, care aveau nevoie de energie electrică la bord. Cum pe de o parte bateriile erau prea grele, iar pe de altă parte hidrogenul şi oxigenul erau stocate oricum la bord, pentru propulsia rachetei, această soluţie a apărut ca deosebit de avantajoasă: căldură, respectiv lucru mecanic, prin arderea celor două componente, dar şi curent electric prin reacţia lor chimică într-un electrolit, cum ar fi potasa caustică. O asemenea soluţie era, bineînţeles, neinteresantă pentru vehicule terestre, implicând plasarea de butelii de hidrogen şi oxigen sub presiune la bord.

Prima pilă de combustie, 1839

Trecând însă prin alte domenii de aplicare, în special generarea de curent electric în centrale de mici dimensiuni, tehnica a fost perfecţionată, fiind îndeplinite în acest mod două condiţii care au permis introducerea în domeniul automobilelor: funcţionarea cu oxigenul dintr-un flux de aer ambient în loc de butelie şi înlocuirea electrolitului lichid cu o membrană din material permeabil la protoni de hidrogen. Din acest punct, procesul devine într-adevăr fezabil la bordul unui vehicul terestru. Imaginaţi-vă radiatorul unei maşini, o cutie cu un labirint de pereţi subţiri metalici, ca un stup de albine, pereţi care despart un flux de apă de un flux de aer. Acum înlocuiţi apa cu un flux de oxigen provenind dintr-o butelie la bord. Fluxul de aer este creat la fel ca în radiator, printr-o suflantă. Peretele metalic dintre fluxuri este în cazul pilei de combustie o membrană permeabilă la protoni. Protonii hidrogenului se simt foarte atraşi, din motive foarte fizice, de moleculele de oxigen din aerul de dincolo de membrană, drept care o traversează, lăsând în urma lor doar electronii de hidrogen. Aceştia, vrând, nevrând, trec prin motorul electric, care are nevoie de ei pentru a se învârti, ajungând până la urmă, pe ocolite, tot după membrană, lângă protoni. Şi aşa acolo se formează, din bucăţelele de hidrogen şi moleculele de oxigen, apă!

Pilă de combustie

Ce simplu şi frumos sună totul! Doar că pentru un schimb eficient de protoni este nevoie de o suprafaţă considerabilă, care trebuie realizată într-un volum relativ redus, deci folosind meandre şi labirinturi, ca în radiatorul de apă. Sau ca în calorifer. Sau ca în creier. Pe de altă parte, şi curentul de aer trebuie să fie foarte intens, ceea ce reclamă presiune, aşadar compresoare mai performante decât pentru motoarele cu piston. Problema cea mai serioasă este însă stocarea hidrogenului la bordul automobilului. Datorită structurii sale, hidrogenul este, în aceleaşi condiţii de presiune şi temperatura, de 15 ori mai puţin dens decât aerul. Un exemplu este edificator: un rezervor de maşină de 60 de litri umplut cu aer în condiţii atmosferice normale conţine doar 70 de grame de aer! În acelaşi volum, cu aceleaşi condiţii atmosferice, am avea însă doar mai puţin de 5 grame de hidrogen! Cum ajungem măcar la 5 kilograme, care ar corespunde energetic la 20 de litri de benzină? Mărind presiunea de 1000 de ori, adică la 1000 de bari. Destul de periculos, iar rezervorul ar deveni o butelie cu pereţi metalici groşi şi grei. Iar micile particule de hidrogen pot răzbate parţial chiar şi o asemenea structură metalică, la fel ca pe un gard de sârmă. Şi se pot aprinde în aer, în limite de concentraţie extrem de largi. Aşadar, un automobil cu hidrogen nu prea e recomandabil fumătorilor. Pleci pentru 2 săptămâni în concediu, cu avionul sau cu vaporul, lăsând maşina în garajul de acasă, revii bine dispus, o iei spre garaj, scoţi o ţigară din pachet, fără să te uiţi la avertizarea de pe el, aprinzi ţigara, şi gata, nu mai ai nici maşină, nici garaj, nici zile. Fumatul ucide. Tehnica asta e, într-adevăr, mai bună pentru astronauţi, pe acolo, pe sus, unde nu se fumează, şi e un frig de moarte, unde nici hidrogenului nu-i mai arde să iasă din rezervor.

Hyundai ix35 cu pilă de combustie, cu hidrogen

Şi totuşi: hidrogenul poate fi şi lichefiat, ceea ce presupune însă o temperatură aproape cosmică de minus 253°C. Ceea ce presupune, mai departe, o centrală frigorifică deosebit de complexă, cu un consum considerabil de energie, dar şi o izolare perfectă a pereţilor rezervorului, a conductelor, racordurilor şi robinetelor. În rachete acest lucru nu constituie o problemă majoră, dată fiind diferenţa de numai 20°C între interiorul rezervorului şi vidul din cosmos. Cu toată lichefierea la o asemenea temperatură, densitatea hidrogenului rămâne, însă, la abia o zecime din densitatea benzinei în condiţii ambiente, deci nici în acest caz nu poate fi stocat la bord mai mult hidrogen decât în cazul unei presiuni înalte. Şi totuşi, pilele de combustie au fost dezvoltate până la aplicaţii de serie, cu flote întregi de vehicule, cu rezervoare fie sub presiune, fie criogenice. Mercedes a introdus în anul 2007, după o dezvoltare asiduă, de-a lungul mai multor ani, pe diferite tipuri de vehicule, un asemenea sistem în varianta B-Class, hidrogenul fiind stocat la 700 de bari. Atât pila de combustie în sine, care generează curentul, cât şi motorul electric de propulsie realizează puteri de câte 100 de kilowaţi, adică 136 de cai putere, bateria de la bord fiind utilizată doar ca acumulator şi distribuitor momentan de energie. Flote formate din asemenea vehicule au fost testate iarna în Scandinavia şi vara într-un turneu de 30.000 de kilometri prin toată lumea, dovedind pe deplin aplicabilitatea practică a soluţiei. Consumul de energie este în medie aproximativ 1 kilogram de hidrogen la suta de kilometri, ceea ce corespunde la 4 litri de benzină. Vehiculele de acest tip testate în California au parcurs, până în prezent, mai mult de trei milioane de kilometri. Dar introducerea în serie largă, anunţată de mai multe ori în ultimii ani de Daimler, se lasă mult aşteptată, motivele fiind îndeosebi economice, dar legate şi de infrastructură şi service. Între timp, Toyota şi Hyundai au avut curajul să intre pe piaţă cu maşini de serie de acest tip. Toyota Mirai (Mirai însemnând viitor în japoneză), introdus în decembrie 2014, a fost produs până acum în circa 3000 de exemplare, majoritatea acestora fiind vândută în Japonia şi SUA. Parametrii sunt, în linii mari, similari celor realizaţi de Mercedes. Maşina poate stoca la bord 3,5 kg de hidrogen. Hyundai ix35 FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) are caracteristici asemănătoare, seria realizată până acum fiind cam tot de 3000 de vehicule.

Mercedes-Benz B Class cu pilă de combustie
 

Electroliza inversată funcţionează, aşadar, fără probleme, acest concept de folosire a hidrogenului fiind generat, în fond, de însăşi electroliza, în care apare hidrogen. Pila de combustie apare, deci, ca un sistem tehnic realizabil şi fiabil, dar complex şi cu preţ ridicat.

Dar dacă tot este să fie hidrogen, acesta nu s-ar putea folosi, totuşi, şi altfel? Dacă membrana dintre hidrogen şi aer are prea multe meandre pentru a crea o suprafaţă mare de contact, ce ar fi să o eliminăm, pur şi simplu? Creem un amestec turbulent de hidrogen cu aer, ca şi cum am bate maioneza. Dar atunci cum mai sar protonii din hidrogen spre oxigen? Sar, dacă încălzim bine oala de amestec, până pleznesc moleculele de atâta energie. Şi uite aşa am ajuns la ardere! Ardem pur şi simplu hidrogenul cu aer, la două mii de grade, turbulent, fără membrane de separaţie. Rezultatul este apă, tot apă, ca la pila de combustie. Şi la ardere doar ne pricepem de când am descoperit focul.

BMW a experimentat cu succes, în paralel, această alternativă a pilelor de combustie de la Mercedes, cum să-i lase bavarezii pe şvabi să facă ceva mai deştept decât ei? Doamne, ce concurenţă sănătoasă şi prolifică! Rezultatul a fost un motor de 5,4 litri, de 12 cilindri, derivat dintr-un motor pe benzină. Asemenea motoare au echipat o flotă întreagă de BMW-uri Seria 7. Rezervorul criogenic pentru hidrogenul lichid – până şi în acest punct altfel decât la Mercedes, cu presiune – umplea un portbagaj întreg într-o maşină de dimensiuni nu tocmai mici. Dar asta ce mai conta. Pot să vă asigur că şofatul acestei maşini a fost o plăcere. E adevărat, o plăcere ceva mai mică decât la maşina cu motorul original pe benzină, pe care colegii mei din Perugia şi Pisa o numeau, în timpul vizitelor mele acolo, bestia feroce. De ce nu mai era aşa de feroce cu hidrogen? Pentru că puterea scăzuse destul de evident. Hidrogenul, care la introducerea în cilindri devenea imediat gazos, ocupa la densitatea deosebit de mică pe care o avea, foarte mult spaţiu, micşorând volumul de aer aspirat în cilindri. Şi atunci, la aer puţin, combustibil şi mai puţin, de unde putere? Compresia era iarăşi o problemă, deoarece hidrogenul se mai aprinde şi necontrolat. BMW a oprit la un moment dat această serie, dar se pare că nu a renunţat complet la idee, care nu este, în fond, din nici un punct de vedere mai prejos decât varianta cu pile de combustie.

Toyota Mirai cu pilă de combustie, cu hidrogen

Între cele două concepte există însă, în ceea ce priveşte aplicaţia, o contradicţie fundamentală: pila de combustie funcţionează mai mult sau mai puţin staţionar, asigurând, împreună cu o mică baterie de amortizare a vârfurilor de energie produsă ori cerută, energia pentru motorul electric de propulsie, care se zbuciumă prin toate câmpurile de turaţie sau cuplu cerute de vehicul. Pe cealaltă parte, la motorul cu piston, în aplicaţia descrisă, arderea nu se poate desfăşura cursiv, pentru că motorul trebuie să se zbuciume el, direct, prin toate câmpurile de turaţie şi cuplu. Ce-ar fi dacă i-am lua zbuciumul şi l-am pune să genereze liniştit doar curent, pe care să-l livreze, tot aşa, ca pila de combustie, împreună cu o mică baterie, unui motor electric de propulsie? Nici nu ar mai fi nevoie de pistoane clasice, legate de biele şi manivele, ci de ceva mai simplu. Considerând, aşadar, un mod de aplicare similar, procesele din pilele de combustie şi din camerele de ardere ajung la un nivel de concurenţă foarte interesant. Vise pentru viitor? Nici pomeneală! Dar acest mod de funcţionare îl vom descrie într-o altă conjunctură.

Acum rămânem la hidrogen şi la aplicabilitatea lui în automobile, fie în pile de combustie, fie în camere de ardere, aşa cum a fost descrisă mai sus. Rezultatul proceselor descrise este acelaşi: apa. Fără emisii locale de bioxid de carbon sau de gaze poluante. Subliniez, fără emisii locale, pentru că emisiile globale sunt cu totul altceva. Cum este produs, în prezent, hidrogenul, necesar în multe aplicaţii industriale la nivel mondial? 30% din gaze naturale, 24% din fracţiuni grele de petrol, 18% din benzină, 10% din cărbune, 8% din etilenă, toate acestea fiind hidrocarburi, carbon sau alcool, deci cu carbon în structură. Din reacţia pentru obţinerea hidrogenului rezultă, deci, şi bioxid de carbon. Şi aşa ajungem la o situaţie similară celei întâlnite la vehiculele electrice cu motoare electrice de propulsie şi energie stocată în baterii la bord: nu poluăm oraşul, poluăm periferia, unde producem curentul sau hidrogenul. Dar mai rămân totuşi, la producţia hidrogenului, 2% - în sfârşit ceva curat, prin electroliză. Dar pentru electroliză este necesară energie electrică, nu-i aşa? Deci ajungem la întrebarea pusă deja, cum producem curentul în China, în America, în Rusia…

BMW cu motor cu pistoane, cu hidrogen

Un circuit pe bază de apă în schimburile energetice între maşină şi natură este, într-adevăr, un scenariu ideal pentru propulsia oricărui tip de vehicul, condiţia rămâne însă o producţie curată de hidrogen, pentru care nu există încă un suport real.

Şi atunci? Atunci ne putem imagina un circuit bazat pe altceva decât pe apă, orice, numai otrăvitor să nu fie. Bioxid de carbon, poate? Nu, nu e o greşeală, nici de logică, nici de tipar. Bioxidul de carbon pe care l-am înfierat mai sus îl ingerăm, de fapt, şi cu apă carbogazoasă. Problema este concentraţia lui prea mare în atmosferă, care face, local, aerul irespirabil, iar global atmosfera mai caldă, intensificând efectul natural de seră.

Şi dacă în circuitul natural între maşină şi natură cantitatea de bioxid de carbon nu s-ar mări? Scenariul începe să devină captivant, nu-i aşa?