De ce întârzie maşinile cu hidrogen?

Motoarele cu celule de combustie, care folosesc hidrogen sau etanol, ar putea fi soluţia salvatoare pentru vehiculele ecologice din viitorul apropiat Autovehiculele cu hidrogen, care emană în

Motoarele cu celule de combustie, care folosesc hidrogen sau etanol, ar putea fi soluţia salvatoare pentru vehiculele ecologice din viitorul apropiat

Autovehiculele cu hidrogen, care emană în atmosferă numai vapori de apă, par să fie cea mai bună soluţie pentru circulaţia urbană din anii care vin.

Totuşi, deşi ideea că noile maşini nu ar polua deloc este foarte atrăgătoare, performanţele acestor maşini sunt, deocamdată, sub aşteptări. Nimeni nu vrea o maşină care demarează greu, pe care nu prea ai unde să o alimentezi şi care, pe deasupra, nici nu inspiră prea multă încredere.

Hidrogenul poate fi ars în motor, aşa cum arde şi benzina, sau poate produce energie electrică, prin intermediul unor celule de combustie. Ambele metode presupun arderea hidrogenului pentru a furniza energia necesară deplasării vehiculului.

Metodele au fost studiate în detaliu, încă de acum mai multe zeci de ani. Dar, cum atunci benzina părea cel mai ieftin carburant aflat la îndemâna omului, nimeni nu s-a obosit să pună în practică noile tehnologii.

Criza mondială a petrolului i-a făcut pe inginerii de azi să reconsidere vechile proiecte şi, în ultimii zece ani, au fost testate 17 noi modele de motoare cu hidrogen. Conform experţilor de la Toyota, pomparea hidrogenului în camerele de ardere ale motoarelor obişnuite duce la deteriorarea acestora, din cauza exploziei foarte violente a acestui gaz după ce motorul se încinge.

Pentru un mai bun control asupra procesului de ardere, tehnicienii au preferat celulele de combustie pe bază de hidrogen, care alimentează cu energie electrică motorul electric al maşinii. Primul mare obstacol în calea noilor motoare este hidrogenul însuşi. El poate fi extras prin procedee termochimice din gazele naturale, poate fi produs de bacterii "cultivate" special în acest scop, poate fi extras prin termoliză din biogazul obţinut prin putrefacţia deşeurilor sau prin electroliza apei.

Niciunul dintre aceste procedee nu este simplu şi toate costă foarte mult. Tradus în termeni econo-
mici: hidrogenul nu este rentabil. Dar, cum încălzirea globală nu ne dă nicio altă şansă, dacă vrem să nu mai poluăm atmosfera cu gaze de eşapament, va trebui să optăm pentru una sau alta dintre metodele de mai sus şi să trecem la producţia în serie mare a autovehiculelor pe bază de hidrogen.

Unii savanţi spun că este o prostie

Preşedintele american George W. Bush, criticat aspru pentru politicile sale agresive prin care a "făcut rost" de petrol pentru Statele Unite, a promis în "Discursul despre starea naţiunii" din 2003 că va aloca 1,2 miliarde de dolari dezvoltării tehnologiilor necesare pentru producerea şi utilizarea maşinilor cu hidrogen.

Anul acesta, înrăutăţirea climei şi campania intensivă în favoarea protejării mediului, promovată de politicieni concurenţi, precum Al Gore, a redeschis subiectul maşinilor cu hidrogen în America. Unii savanţi, văzând că lansarea noului tip de vehicul nu e doar o glumă, s-au grăbit să avertizeze că există căi mai simple şi mai ieftine.

De pildă, fizicianul Joseph Romm, care a lucrat în ultimii ani la Departamentul Statelor Unite pentru Energie, nu s-a sfiit să critice public alegerea politicienilor, precizând că maşina cu hidrogen cu celule de combustie este cea mai puţin eficientă şi cea mai scumpă metodă de a acţiona un vehicul.
Când a fost întrebat, totuşi, cam în cât timp va fi disponibilă pe piaţa de consum, el a răspuns categoric: "Nu în timpul vieţii noastre şi, dacă ar fi după mine, niciodată. E o prostie."

Producătorii se înghesuie

Nu e prea limpede cine a hotărât că maşina cu celule de combustie pe bază de hidrogen merită să devină realitate, dar marii producători de autoturisme s-au luat unul după altul şi au produs, cu toţii, noi modele de maşini. Unii, mai precauţi, au optat pentru acţionarea dublă, atât pe benzină, cât şi electrică, prin celule de combustie.

Lista celor care au investit în noua tehnologie este lungă şi merită să fie menţionată, întrucât e greu de crezut că, după ce au făcut primele modele, vor renunţa uşor la ideea folosirii lor. Astfel, dintre firmele care au produs deja maşini cu celule de combustie menţionăm: Toyota, Hyundai, BMW, Daimler Chrysler, Ford, General Motors, Honda, Mazda, Nissan, Morgan Motor Company şi Volkswagen.

Între ele, singura care a construit şi a vândut deja autobuze cu celule de combustie a fost Daimler Chrysler, care a produs maşinile Mercedes-Benz Citaro, cumpărate de primăria Londrei încă din octombrie 2005.
Anul trecut, încă trei mari uzine de autobuze au lansat linii de fabricaţie pentru maşinile cu hidrogen: Thor Industries, Irisbus şi Fuel Cell Bus Club.

Două probleme grave

Dincolo de costuri, pe care omenirea e gata să le plătească pentru a reduce poluarea, mai rămân doar două mari impedimente. Primul ar fi gerul, întrucât toate celulele cu combustie produc, în loc de gaze toxice, aburi de apă, care pot îngheţa în timpul iernilor deosebit de friguroase, blocând în acest fel producerea curentului electric. Soluţia propusă: acumulatoare de rezervă, pentru urgenţe.

Al doilea impediment ar fi lipsa staţiilor de hidrogen pe drumurile publice, care s-ar putea rezolva prin staţii duble, de carburanţi tradiţionali şi de hidrogen, aşa cum încearcă Norvegia.

Se estimează că înlocuirea vehiculelor clasice cu cele pe bază de hidrogen va costa aproximativ un trilion de dolari, numai în Statele Unite.

Primele staţii de hidrogen, în Norvegia

O staţie de petrol a companiei Statoil, din oraşul norvegian Forus, a fost echipată şi cu o pompă de hidrogen, încă din august, anul trecut. Maşinile care au buteliile de hidrogen goale pot opri la această staţie exact ca la o pompă de benzină şi se pot alimenta cu hidrogen lichid, printr-o instalaţie specială de presurizare. Patronii spun că la început aveau doar trei-patru clienţi pe zi, dar acum numărul lor a crescut deja de câteva zeci de ori. Norvegienii s-au arătat foarte interesaţi de noile tehnologii.

Deşi în această ţară nu există un producător local de autoturisme cu motoare pe bază de hidrogen, norvegienii au adoptat modelul japonez Toyota Highlander FCHV. Pe 5 iulie 2007, compania Statoil a mai deschis încă patru pompe de hidrogen, pe coasta de sud a Norvegiei. Programul prevede crearea unui lanţ continuu de staţii de hidrogen, între Oslo şi Stavanger, aflate la cel mult 570 de kilometri una de alta, întrucât un rezervor de hidrogen este suficient pentru 600 de kilometri de drum.

La realizarea acestui proiect, numit HyNor (de la "Hydrogen for Norvegia"), participă acum 40 de corporaţii partenere. În 2008, se vor deschide primele staţii de hidrogen şi în capitala ţării, Oslo.

Ce sunt celulele de combustie

Un biolog italian, Luigi Galvani, care studia anatomia batracienilor, a descoperit că broaştele moarte pe care diseca se contractau atunci când le atingea cu bisturiul său. Era anul 1786, iar Galvani a fost pus în încurcătură privind natura acestui fenomen şi cauzele lui. Răspunsul a fost dat în anul 1790, de omul de ştiinţă italian Alessandro Volta.

Picioarele broaştelor se contractaseră deoarece lichidele din interiorul lor reacţionau la contactul cu două metale diferite: alama (din lamelele cu care era prinsă broasca pe masa de studiu) şi fierul (din oţelul bisturiului). Această combinaţie forma o pilă electrică simplă (corpul broaştei fiind un soi de electrolit între cele două metale), iar curentul produs de pilă contracta muşchii picioarelor batracianului.

Volta a făcut apoi o pilă electrică punând o hârtie umedă între discuri de cupru şi zinc, iar mai târziu a inventat prima baterie din lume, care era formată dintr-o coloană de pile electrice făcute din plăci de zinc şi de argint, cu separatoare de hârtie îmbibate în apă sărată.

Cum funcţionează celulele

După Volta, s-au inventat multe forme de pile electrice. Celulele de combustie funcţionează oarecum similar pilei electrice, transformând energia chimică a reacţiei de ardere în energie electrică. Ele produc electricitate prin eliberarea combustibulului (în cazul nostru hidrogen) la anod şi a oxidantului (aer care conţine oxigen în proporţie de 20%) la catod.

Cele două gaze, hidrogenul şi oxigenul din aer, se combină (spunem că hidrogenul arde) în prezenţa unui electrolit. În timpul reacţiei, între cei doi electrozi apare o diferenţă de potenţial, adică se produce electricitate. Apa rezultată din reacţie, fiind sub formă de vapori, se elimină de la sine, lăsând electrolitul curat şi gata pentru o nouă reacţie.

În celulele de combustie se introduce hidrogen de fiecare dată când se foloseşte electricitatea, pentru că ele nu stochează energia electrică produsă, aşa cum fac de regulă bateriile. O altă deosebire faţă de baterii este faptul că cei doi electrozi, anodul şi catodul, nu se consumă şi rămân stabili. Celulele de combustie pot funcţiona şi cu alcool, dar atunci, în afară de vapori de apă, rezultă şi o cantitate mică de bioxid de carbon, mult mai redusă decât dacă s-ar arde benzină.

Mecanismul intim al producerii curentului

Să spui că în timpul reacţiei dintre hidrogen şi oxigen rezultă altceva decât energie calorică şi apă ar fi doar o aberaţie chimică. Şi totuşi... Oamenii de ştiinţă au reuşit să creeze o grupă întreagă de polimeri, permeabili faţă de trecerea protonilor, pe care îi folosesc ca electroliţi în celulele de combustie. Scopul izolării protonilor este dorinţa de a-i "determina" pe electroni să facă mai întâi "un ocol" înainte de a participa la reacţia de ardere. Polimerii se plasează între cele două plăci: catod şi anod.

Molecula de hidrogen ajunsă la anod se disociază în prezenţa unui catalizator din platină în protoni şi electroni. Protonii trec prin membrană şi ajung la oxigen, în timp ce electronii sunt dirijaţi mai întâi printr-un fir, în afara celulei, unde parcurg un circuit electric, şi abia apoi ajung la catod, unde participă la finalizarea moleculei de apă. Aşa se produce curent electric cu ajutorul celulelor de combustie.

Motoare cu hidrogen sau cu etanol

Folosind mecanismul descris mai sus, inginerii au creat primele maşini care nu poluează deloc. Ele sunt alimentate cu hidrogen din nişte butelii, plasate sub bancheta din spate, iar motorul care învârte roţile este electric şi este plasat sub capotă, ca majoritatea motoarelor. La mijloc, sub podea, se află bateria de celule de combustie, adică "centrala electrică" a maşinii.

Toate maşinile ce poartă inscripţia "Fuel Cell" se bazează pe acest sistem, dar, de regulă, nu ard hidrogen, care este foarte scump, ci etanol produs din cereale (un fel de ţuică cu gust prost). Cele care merg cu alcool nu sunt complet nepoluante, deoarece produc totuşi o cantitate de bioxid de carbon, dar mult mai mică decât motoarele tradiţionale pe benzină sau motorină.