Vandeniliniai automobiliai: tarp lūkesčių ir realybės

Dr. Benas Gabrielis Urbonavičius, Kauno technologijos universiteto Matematikos ir gamtos mokslų fakulteto (KTU MGMF) Fizikos katedros docentas

Birželio pradžioje Klaipėdoje atidaryta pirmoji vandenilio kolonėlė Lietuvoje. Tai svarbus žingsnis plėtojant alternatyviųjų degalų infrastruktūrą Lietuvoje ir įgyvendinant ES reglamento (ES) 2023/1804 dėl alternatyviųjų degalų infrastruktūros diegimo tikslus. Šis AB „Klaipėdos uostas“ projektas taip pat apima eksperimentinį uosto aptarnavimo laivą, varomą elektra, gaunama iš vandenilio kuro elementų arba įkraunamo akumuliatoriaus.

Šio laivo projektas unikalus pasaulyje, o laikas parodys, ar toks technologijų derinys (kuro elementai ir akumuliatorius) yra ekonomiškai patrauklus. Tačiau nemaža dalis vandenilio gamybos kolonėlės pajėgumų numatyta būtent kelių transportui. Viešojoje erdvėje po kolonėlės atidarymo pasirodė teiginių, kurie neatspindi realių faktų apie vandenilinius automobilius ir su jais susijusias technologijas.

Toliau pateikta techninė informacija paremta vandenilinių automobilių gamintojų dokumentacija, kita viešai prieinama informacija ir KTU tyrėjų bei fizikos studentų eksperimentų rezultatais, gautais eksploatuojant ir tiriant „Hyundai ix35 FCEV“, „Hyundai Nexo“ automobilius ir „Toyota“ vandenilio sistemas. Šie darbai vykdomi KTU veikiančioje vandenilio transporto technologijų laboratorijoje – vienintelėje tokio pobūdžio laboratorijoje Lietuvoje, kurioje fizikos studentai turi galimybę dirbti su realiomis kuro elementų ir vandenilinių automobilių sistemomis.

Vandenilinis automobilis

Vandeniliniai automobiliai iš esmės yra elektromobiliai, tačiau vietoje didelės talpos įkraunamos baterijos jie naudoja elektrocheminį reaktorių – kuro elementą, kuriame vandenilis, jungdamasis su deguonimi iš oro, sudaro vandens garus, o proceso metu generuojama elektros energija panaudojama ratams sukti ir (ar) nedideliam akumuliatoriui (apie 1 kWh, kaip hibridiniuose automobiliuose) įkrauti.

Automobiliai gali vežtis iki 5–6 kg vandenilio, priklausomai nuo modelio, ir vasarą nuvažiuoti iki 600 km, o žiemą – apie 300–400 km.

Europoje iki šiol buvo galima įsigyti keturis vandenilinių automobilių modelius (neskaitant galimybės nuomotis „Honda“ ir „Mercedes“ automobilius): „Hyundai ix35 FCEV“, „Hyundai Nexo“, „Toyota Mirai JPD10“ ir „Toyota Mirai JPD20“. „Nexo“ ir „Mirai JPD20“ galima įsigyti ir šiandien – jų kaina siekia apie 70 000 Eur. Praėjusiais metais Pietų Korėjoje pristatytas antrosios kartos „Hyundai Nexo“, o Europoje BMW koncernas skelbia, kad 2028 m. pradės prekiauti vandeniliniais modeliais. Svarbu paminėti, kad BMW modeliuose bus naudojamos „Toyota“ vandenilio technologijos.

Atskirai galima paminėti ir automobilius, kuriuose vandenilis naudojamas kaip kuras vidaus degimo varikliuose. Tokių lengvųjų automobilių pasaulyje yra vos keletas (tarp jų – ir Kauno fizikų sukurtas „Slibinomobilis“). Dėl labai mažo energinio efektyvumo ši technologija laikoma technologine aklaviete ir neturi reikšmingo potencialo transporto sektoriaus dekarbonizacijai.

Vandenilinių automobilių realybė

Vandenilinius automobilius reikėtų lyginti su elektromobiliais, nes tiek viena, tiek kita technologija leidžia atsisakyti iškastinio kuro. Tačiau energinio efektyvumo požiūriu vandenilinis transportas gerokai nusileidžia gryniesiems elektromobiliams. Tam pačiam atstumui įveikti vandeniliniu automobiliu reikės 2–3 kartus daugiau žaliosios elektros energijos nei grynuoju elektromobiliu. Taip yra dėl technologinių procesų, vykstančių prieš vandeniliui galiausiai virstant mechanine energija automobilio elektriniame variklyje. Tai – elektrolizė, ataušinimas iki –40 °C kolonėlėje, suslėgimas iki 700 barų ir vėlesnis pavertimas elektros energija kuro elemente.

Svarbus veiksnys transporto technologijų konkurencinėje kovoje yra eksploatavimo kaina. Tai ypač matoma Lietuvoje, kur dėl didesnio ekonomiškumo tradiciškai dominuoja dyzelinu varomi automobiliai. Kalbant apie vandenilinius automobilius, realiomis sąlygomis 100 km įveikti reikia 1,2–1,3 kg vandenilio, beveik nepriklausomai nuo automobilio modelio. Įvertinus 15 Eur/kg vandenilio kainą, 100 km galima nuvažiuoti už 18 Eur. Šis skaičius atitinka realias važiavimo sąlygas, kai aplinkos temperatūra yra teigiama.

KTU eksperimentai ir kiti tyrimai (pvz., Kvebeko savivaldybės atliktas tyrimas) parodė, kad, temperatūrai nukritus žemiau 0 °C, kuro sąnaudos išauga apie 30 proc. (23 Eur/100 km), o temperatūrai nukritus žemiau –10 °C – 60–100 proc. (29 Eur/100 km). Esant –20 °C ar žemesnei temperatūrai kuro elementų sistema apskritai nepasileidžia. Konkrečiai „Hyundai Nexo“ atveju gamintojas deklaruoja galimybę sistemą paleisti esant –30 °C temperatūrai, tačiau eksperimentai parodė, kad praktinė riba yra apie –20 °C.

Išaugusios sąnaudos pasireiškia dėl mažesnio kuro elemento efektyvumo – esant šaltai aplinkai, veikimo metu susidarę vandens garai kondensuojasi prie aktyviųjų kuro elemento sluoksnių ir trukdo toliau vykti cheminei reakcijai. Šiai problemai spręsti naudojamas didesnis dujų (tiek vandenilio, tiek deguonies (oro)) kiekis, kuriuo prapučiami aktyvieji kuro elemento paviršiai.

Esant ypač žemai temperatūrai sistema tiesiog nepasileidžia dėl įprogramuotos apsaugos – susidarę vandens garai gali iš karto užšalti, o susidarę ledo kristalai pažeisti kuro elemento aktyvųjį sluoksnį. Tokiu atveju kuro elementas būtų nepataisomai sugadintas. Svarbu, kad išaugusios sąnaudos reiškia ir ženklų nuvažiuojamo atstumo sumažėjimą – Lietuvos žiemą jis siektų apie 300–400 km.

Eksploatacijos kaštai ir technologiniai apribojimai

Kalbant apie eksploatacines išlaidas, būtina paminėti, kad vandeniliniai automobiliai naudoja specifinį aušinimo skystį (juose yra dvi atskiros aušinimo sistemos – viena skirta kuro elementui, kita – galios elektronikai ir varikliui), pasižymintį labai mažu elektriniu laidumu, ir specialų šio skysčio filtrą.

Žinoma, kolonėlėse naudojamos specialios vandenilio grynumo matavimo ir kontrolės sistemos, tačiau yra pavyzdžių, kai užterštas vandenilis sukėlė didelių nuostolių. Pavyzdžiui, 2025 m. kovą Poznanėje (Lenkija) dėl užteršto vandenilio buvo sugadinti 23 iš 25 vandenilinių autobusų. Paveiktiems autobusams teko pakeisti kuro elementus.

Verta paminėti ir vandenilio talpyklų eksploatacijos trukmę. Dėl didelio slėgio (700 barų) naudojamos specialios IV tipo vandenilio talpyklos, kurių eksploatacijos trukmė yra ribota – 15 metų („Hyundai Nexo“ – 20 metų). Kadangi nėra galimybės šių talpyklų patikrinti ir pratęsti jų naudojimo trukmės, tai iš esmės reiškia ir automobilio eksploatacijos pabaigą. Vienos naujos talpyklos kaina, priklausomai nuo gamintojo, svyruoja nuo 10 iki 15 tūkst. eurų. Tuo tarpu vidutinis automobilių amžius Lietuvoje yra apie 16,5 metų.

Lyginant su elektromobiliais, vandeniliniai automobiliai pasižymi praktiškai tokia pačia mase (1,9–2,0 tonos), tačiau turi tik 100–120 kW galios variklį. Vandeniliniai automobiliai yra bent du kartus triukšmingesni važiuojant nedideliu greičiu (iki 60 km/h) nei elektromobiliai, nes juose naudojamas oro kompresorius.

Be to, remiantis viešai prieinamais analitiniais duomenimis, per pirmuosius trejus eksploatavimo metus jie praranda 70–80 proc. savo vertės. Žinoma, greitas vandenilio papildymas (iki 10 minučių) vis dar minimas kaip pagrindinis tokių automobilių privalumas, tačiau jei iki kolonėlės reikia važiuoti 20 minučių į vieną pusę, šis privalumas gerokai sumenksta, ypač kai 100 km kaina yra apie tris kartus didesnė nei elektromobiliu (5 Eur/100 km, remiantis Lietuvos energetikos agentūros duomenimis).

Klaidinanti informacija viešojoje erdvėje

Po vandenilio kolonėlės atidarymo Klaipėdoje žiniasklaidoje pasirodė klaidinančios informacijos apie šiuos automobilius.

Buvo pateiktas klaidinantis teiginys, kad su „Toyota Mirai JPD20“ galima nuvažiuoti 760 km sunaudojus 5,6 kg vandenilio. „Toyota Mirai JPD20“ talpyklų tūris yra 142,2 litro (pildymo metu automobilis kolonėlei deklaruoja 143 litrus), o tai teoriškai atitinka 5,6 kg vandenilio. Tačiau važiuojant visiškai ištuštinti talpyklų techniškai neįmanoma. Todėl maksimalus realus užpildymo kiekis siekia 5,3–5,4 kg.

760 km su 5,6 kg vandenilio reikštų, kad sąnaudos siekia apie 0,74 kg/100 km. Sumodeliavus kuro elemento veikimą, tokios sąnaudos būtų įmanomos tik važiuojant idealiomis sąlygomis – vasarą, maksimaliu 80 km/h greičiu, praktiškai be sustojimų, nesant vėjo ir važiuojant lygiu keliu.

Įvertinus tai, kad normalios eksploatacijos metu 5,6 kg vandenilio užpildyti neįmanoma, 760 km atstumas neturėtų būti pateikiamas kaip reprezentatyvus realios eksploatacijos rodiklis – jis įmanomas tik labai palankiomis arba specialiai optimizuotomis sąlygomis. „Toyota“ deklaruoja apie 0,85 kg/100 km sąnaudas idealiomis sąlygomis. Kaip minėta, realiomis sąlygomis šių automobilių sąnaudos viršija 1 kg/100 km, o esant neigiamai temperatūrai padidėja iki 70 proc.

TV3 žinių reportaže buvo lyginama 100 km kaina važiuojant vandeniliu (12 Eur), benzinu (12,7 Eur), dyzelinu (11,3 Eur) ir naftos dujomis (7,2 Eur). Ši informacija yra klaidinanti, nes nurodyta 100 km kaina neatitinka realybės. Be to, nebuvo pateikta 100 km kaina važiuojant elektromobiliu. Pritaikius Lietuvos energetikos agentūros taikomą skaičiavimo metodiką, reportažo rodymo dieną 100 km kelionė benzinu ar dyzelinu būtų kainavusi apie 10–11 Eur, naftos dujomis – apie 7,4 Eur, elektra – apie 5 Eur, o vandeniliu (įvertinus 15 Eur/kg kainą) – apie 17 Eur. Ekonominiu požiūriu vandenilis praktiškai negali konkuruoti su kitomis degalų rūšimis, ypač su savo tiesioginiu konkurentu – elektra.

Nepakankamai pagrįsti skambėjo ir susisiekimo ministro teiginiai, kad vandeniliniai automobiliai gali pakartoti elektromobilių plėtros kelią. Aukščiau pateikti duomenys rodo, kad vandeniliniai lengvieji automobiliai negali sistemiškai konkuruoti su bateriniais elektromobiliais nei energinio efektyvumo, nei eksploatacijos sąnaudų, nei infrastruktūros plėtros požiūriu. Be to, valstybėse, kurios daugiausia investavo į vandenilio transportą – Vokietijoje, Nyderlanduose ir JAV Kalifornijos valstijoje, – vandeniliniai lengvieji automobiliai ir toliau išlieka nišine technologija, o jų rinkos dalis yra statistiškai nereikšminga ir mažėja. Tuo tarpu bateriniai elektromobiliai Europoje jau sudaro apie penktadalį naujų automobilių pardavimų, o kai kuriose valstybėse jų dalis viršija 30 proc.

Kas toliau?

Remiantis ES reglamentu, iki 2031 m. Lietuvoje turėtų veikti penkios viešos vandenilio pildymo stotelės – Vilniuje, Kaune, Klaipėdoje, Panevėžyje ir Marijampolėje. Šių objektų atsiradimą pirmiausia lemia Lietuvos įsipareigojimai Europos Sąjungai ir transeuropinio transporto tinklo reikalavimai, o ne reali rinkos paklausa. Šiuo metu Lietuvoje registruotų vandenilinių lengvųjų automobilių skaičius yra simbolinis, todėl artimiausiais metais infrastruktūra bus naudojama gerokai mažiau, nei reikėtų jos ekonominiam tvarumui užtikrinti.

Sisteminė analizė rodo, kad vandeniliniai lengvieji automobiliai vis labiau primena suslėgtų gamtinių dujų (CNG) transporto istoriją. Abi technologijos buvo pristatomos kaip svarbi transporto ateities dalis, tačiau ilgainiui jas nustelbė efektyvesnės alternatyvos. Šiandien naujų CNG lengvųjų automobilių gamyba yra praktiškai nutraukta, o infrastruktūra daugelyje Europos valstybių palaikoma tik minimaliu lygiu.

Jei prieš dešimtmetį vandenilinis lengvasis transportas buvo laikomas rimta alternatyva elektromobiliams, šiandien sukaupta praktinė patirtis rodo priešingai. Nepaisant milijardinių investicijų, valstybių paramos ir daugiau kaip dešimtmetį trukusios plėtros, vandeniliniai lengvieji automobiliai taip ir netapo reikšminga transporto rinkos dalimi.

Todėl Klaipėdoje atidaryta stotelė gali būti vertinama dvejopai. Viena vertus, tai svarbus infrastruktūros projektas, leidžiantis Lietuvai vykdyti tarptautinius įsipareigojimus ir kaupti technologinę patirtį, ypač laivybos srityje. Kita vertus, tai investicija į technologiją, kurios konkurencingumas lengvajame transporte kasmet mažėja. Vertinant energinį efektyvumą, eksploatacijos sąnaudas, infrastruktūros kaštus ir rinkos tendencijas, nėra požymių, kad vandeniliniai lengvieji automobiliai galėtų pakartoti elektromobilių sėkmės istoriją ar ateityje tapti reikšminga transporto rinkos dalimi.