2 generacja Toyoty Mirai

Auto na wodór oczyszczające powietrze

2021-03-19

W kwietniu 2021 roku w salonach Toyoty zadebiutuje wodorowy sedan Mirai. Produkcja prądu odbywa się w tym modelu bezpośrednio na pokładzie auta i jest wynikiem reakcji chemicznej wodoru z tlenem. To rozwiązanie nie wymaga rozbudowanej sekcji akumulatorów, poprawia funkcjonalność oraz skraca czas tankowania do zaledwie kilku minut, utrzymując zasięgi znane z samochodów konwencjonalnych. Pierwsze stacje tankowania wodoru mają się pojawić się w naszym kraju – zgodnie z Narodową Strategią Wodorową – do połowy roku.

Pojazdy elektryczne na baterie

Prace nad autami elektrycznymi trwały od początku XX wieku, a mimo to postęp technologiczny w praktyce przyniósł ograniczone rezultaty. Tak na przykład model Detroit Electric z 1916 roku wyposażony w baterie niklowo-żelazowe miał zasięg 340 km, a jego ładowanie trwało 8 godzin. W 2020 roku – według danych Electric Vehicle Database – średni zasięg samochodów elektrycznych sięgał 313 km. Z kolei z raportu portalu pod-point.com wynika, że średni czas ładowania samochodów elektrycznych w 2020 roku to 8 godzin.

Poszukiwane są rozwiązania, które pozwolą korzystać z silnika elektrycznego bez konieczności magazynowanie energii elektrycznej w ciężkich i wymagających długotrwałego ładowania akumulatorach. Obecny poziom rozwoju technologii wodorowych ogniw paliwowych stwarza podstawy dla tej równoległej drogi elektryfikacji samochodów.

Sedan Toyota Mirai – samochód z własną elektrownią wodorową

Toyota Mirai to elektryczny pojazd, który nie wymaga czasochłonnego ładowania baterii. Dzięki wodorowym ogniwom paliwowym samochód wytwarza energię potrzebną do zasilania silnika na bieżąco w czasie jazdy. Energia elektryczna powstaje na skutek reakcji chemicznej tlenu z wodorem. Jedyną „spaliną” tej reakcji jest… woda.

Toyota pracuje nad technologią wodorową od 29 lat

Pierwszy prototyp elektrycznego auta na wodór Toyota zaprezentowała już w 1992 roku. Zbudowane na nadwoziu RAV4 auto pokazano na paradzie w Osace. W 1996 roku Toyota zaprezentowała trzy równolegle rozwijane linie napędów alternatywnych – hybrydowy, elektryczny na baterię oraz elektryczny wodorowy. W 1997 roku hybrydowy Prius wszedł do produkcji seryjnej, a Toyota skupiła się na kolejnych etapach rozwoju elektrycznej technologii wodorowej.

/

Kolejne prototypy FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle) budowano już na nadwoziu większego modelu – Highlandera. Jedno z rozwiązań zakładało nawet bardzo skomplikowany projekt stworzenia auta, w którym wodór jest najpierw produkowany w procesie reformingu parowego etanolu lub węglowodorów, a następnie trafia do ogniw paliwowych, gdzie w reakcji z tlenem daje prąd napędzający silnik elektryczny.

Do 2001 roku opracowano 3 kolejne wodorowe prototypy zbudowane na bazie Highlandera o nazwie FCEV-3, FCEV-4 i FCEV-5. Miały one 4 razy więcej mocy niż pierwszy FCEV i posłużyły do testów drogowych, a FCEV-4 otrzymał homologację.

W tym samym czasie Toyota rozpoczęła prace nad wodorowym autobusem, czego efektem jest oferowany obecnie model SORA.

Licencję na sprzedaż samochodów napędzanych wodorem Toyota uzyskała w 2002 roku. Pierwsze egzemplarze tych aut trafiły do klientów w Japonii i USA, nadal jednak wodorowy samochód nie był produkowany masowo.

Koncepcyjny model FCHV-Adv z 2008 roku stał się kolejnym krokiem w rozwoju technologii ogniw paliwowych. Po nim Toyota przedstawiła swój pierwszy model zaprojektowany od początku jako auto wodorowe. Był to koncepcyjny sedan FCV, którego rozwinięcie stanowił sedan Mirai. Konstrukcja ta była już na tyle dojrzała, że Toyota wdrożyła model Mirai do seryjnej produkcji i w grudniu 2014 roku rozpoczęła jego sprzedaż w Japonii, a w 2015 roku wprowadziła go na rynki Europy i USA.

Druga generacja Toyoty Mirai rozpoczęła kolejny etap w rozwoju technologii elektrycznych aut na wodór. W pełni funkcjonalny, komfortowy i stylowy wodorowy sedan w niczym nie ustępuje samochodom konwencjonalnym, a jednocześnie zapewnia elektryczną bezemisyjność. Co więcej – jest to pierwszy seryjny elektryczny samochód Toyoty oczyszczający powietrze w czasie jazdy.

Jak działa napęd Toyoty Mirai?

Zestaw ogniw paliwowych Toyoty Mirai to generator prądu, wytwarzanego w reakcji wodoru i tlenu w obecności katalizatora. Energia elektryczna powstaje w nim na zasadzie odwróconej elektrolizy wody – procesu znanego od początku XIX wieku.

/

Ogniwo paliwowe składa się z anody (elektrody ujemnej), katody (elektrody dodatniej) i membrany polimerowej. Wodór jest dostarczany do ogniwa po stronie anody, gdzie zostają od niego oddzielone elektrony. W ten sposób powstają jony wodoru, które przedostają się przez membranę polimerową do katody i tam łączą się z tlenem, tworząc cząsteczki wody. Przepływ elektronów uwolnionych w tej reakcji staje się energią elektryczną, która napędza silnik.

Napęd oparty na technologiach hybrydowych Toyoty

Wodorowy napęd Toyoty ma wiele wspólnego z napędem hybrydowym 4. generacji. Tak np. zastosowano w nim silnik elektryczny z Lexusa UX 300e, baterię trakcyjną z hybrydowego Lexusa LS, a jednostka sterująca z inwerterem i konwerterem pochodzi z Priusa 4. generacji. Nowy Mirai aż 80% komponentów napędu na ogniwa paliwowe dzieli z hybrydami.

W Toyocie Mirai 2. generacji ogniwa paliwowe zostały umieszczone z przodu, pod maską. Konstrukcja modułowej platformy TNGA umożliwiła zwiększenie liczby zbiorników wodoru do trzech. Mogą one pomieścić maksymalnie 5,6 kg tego gazu.

Energią elektryczną, która jest wytwarzana w ogniwach paliwowych, a następnie przechowywana w baterii, zarządza jednostka sterująca PCU. Jest to to samo urządzenie, które Toyota opracowała do Priusa 4. generacji i które steruje pracą napędu we wszystkich nowych modelach hybrydowych marki.

Nowy Mirai jest wyposażony w system odzyskiwania energii podczas hamowania znany z hybryd marki. Energia ta trafia do baterii trakcyjnej, a następnie jest wykorzystywana m.in. przez silnik elektryczny.

Samochód oczyszczający powietrze

Druga generacja modelu Mirai jest pierwszym pojazdem Toyoty, który nie tylko nie emituje żadnych spalin, ale oczyszcza powietrze podczas jazdy. Auto wykorzystuje filtry chemiczne, które oczyszczają powietrze ze szkodliwych substancji wyemitowanych przez inne pojazdy. Innowacyjny filtr katalityczny z włókniny wychwytuje mikroskopijne cząsteczki, w tym dwutlenek siarki (SO2), tlenki azotu (NOx) i cząstki stałe PM 2.5. Rozwiązanie to usuwa od 90 do 100% zanieczyszczeń o średnicy od 0 do 2,5 mikronu z powietrza przelatującego przez system ogniw paliwowych.

2. generacja ogniw paliwowych

W nowej generacji Toyoty Mirai zastosowano udoskonalony zestaw ogniw paliwowych. Ma on o 10% wyższą moc (182 KM) i efektywność większą o 10%. Zapewnia nowemu sedanowi o 30% większy zasięg (do 650 km) oraz większą elastyczność (przyspieszenie 40-70 km/h w 2,8 s). Przyspieszenie od 0-100 km/h w nowym Mirai wynosi 9 s.

Bezpieczna technologia

Toyota Mirai charakteryzuje się wysokim poziomem bezpieczeństwa. Decydują o tym 4 czynniki – właściwości fizyczne wodoru, konstrukcja samochodu, zabezpieczenia zbiorników wodoru oraz najnowocześniejsze systemy bezpieczeństwa czynnego Toyota Safety Sense.

Jak doskonale wiemy, wodór jest substancją łatwopalną, podobnie jak paliwa węglowodorowe stosowane w motoryzacji (benzyna, olej napędowy gaz LPG czy CNG). Jego właściwości fizyczne sprawiają jednak, że jest to paliwo bezpieczniejsze od innych. Jego temperatura samozapłonu jest wyższa w porównaniu do tradycyjnych paliw. Benzyna zapala się przy temperaturze 500°C, olej napędowy przy 345°C, zaś wodór przy 575°C. Jednocześnie wodór est 14 razy lżejszy od powietrza, dlatego bardzo szybko ulatnia się do atmosfery.

Na bezpieczeństwo wodoru wpływa także to, że firmy paliwowe mają już duże doświadczenie w dystrybucji i tankowaniu łatwopalnych gazów LPG i CNG wykorzystywanych w gospodarstwach domowych i w motoryzacji.

Toyota, chcąc chronić zbiorniki na wodór, wzmocniła konstrukcję Mirai. Kabina pasażerska została oddzielona od zbiorników, dlatego w razie ich (mało prawdopodobnego) mechanicznego uszkodzenia wodór ulotni się do atmosfery specjalnie zaprojektowanymi ścieżkami. Każdy z komponentów auta został przetestowany przez niemiecki instytut TÜV.

Warto też zaznaczyć, że zbiorniki wodoru są zbudowane z materiałów kompozytowych, bardzo szczelnych i wytrzymałych na uszkodzenia mechaniczne. Są w stanie wytrzymać o 225% większe ciśnienie niż wynosi ciśnienie wodoru przy maksymalnym napełnieniu. Wyposażono je w zawory bezpieczeństwa, zatrzymujące w razie potrzeby wodór w środku. Zbiorniki zostały poddane licznym testom, w ramach których strzelano nawet do nich z broni palnej.

Wodór spala się o wiele bezpieczniej od węglowodorów, np. propanu czy benzyny. Jest na tyle lekki, że w razie zapłonu tworzy wąski słup ognia z dala od kabiny pasażerskiej. Po zapaleniu się benzyny w baku ogień często obejmuje niemal cały pojazd i stanowi zagrożenie dla znajdujących się w nim osób.

/
Ekologiczny i neutralny dla zdrowia pierwiastek

Wodór jest najczęściej występującym na Ziemi pierwiastkiem. Znajduje się w wodzie i we wszystkim, co rośnie. Czysty wodór można produkować z różnych surowców i za pomocą różnych metod. Spalanie bądź utlenianie wodoru nie generuje zanieczyszczeń. Wodór ma wysoką wartość energetyczną – 3 razy wyższą od benzyny czy oleju napędowego i 4 razy wyższą od węgla kamiennego.

Wodór nie szkodzi ludziom ani przyrodzie. Nie zanieczyszcza powietrza, nie jest toksyczny ani radioaktywny, nie powoduje chorób. Nie zapala się samoczynnie i nie zanieczyszcza wody, jak produkty ropopochodne. Jest bardzo dobrym nośnikiem energii, a przy tym może być produkowany bez śladu węglowego.

Strategia wodorowa UE

Wodór znajduje się obecnie w centrum zainteresowania Europy i świata. Swoje strategie wodorowe przedstawiły już Japonia, Francja, Niemcy, Niderlandy, Norwegia, Hiszpania i Portugalia oraz Korea Południowa i Australia. Ponadto podobny dokument przygotowała także Unia Europejska. W tym roku własne plany wdrażania technologii wodorowych ukończą Polska, Rosja i Chiny.

Europejska strategia wodorowa zakłada 3 fazy wdrażania technologii wodorowych w regionie. Do 2024 roku będą one rozwijane przede wszystkim w transporcie, w tym w autobusach i ciężarówkach. Równocześnie Europa położy nacisk na rozbudowę sieci tankowania. W drugiej fazie, która potrwa do 2030 roku, sieć stacji tankowania wodoru powinna zapewnić swobodny transport drogowy w Europie, a technologie wodorowe wesprą dekarbonizację transportu kolejowego i morskiego. Po 2030 roku planowany jest rozwój produkcji neutralnych dla środowiska paliw syntetycznych na bazie wodoru oraz popularyzacja technologii wodorowych w lotnictwie i transporcie dalekomorskim.

Infrastruktura tankowania

Na świecie istnieje już około 2000 stacji tankowania wodoru. Najwięcej, czyli 160, znajduje się w Japonii. Po około 100 stacji wybudowały do tej pory Niemcy, Korea, Chiny oraz USA. Do 2030 roku ma powstać łącznie 45 000 punktów tankowania. Według obecnych planów, kierowcy w Chinach mają mieć do dyspozycji 1000 stacji wodorowych, w Japonii 900, w Korei 800, w USA i w Niemczech po 500 i łącznie kilkaset w kolejnych krajach Europy.

W Polsce do 2022 roku ma powstać 11 stacji, a do 2025 roku ich liczba ma wzrosnąć do 32. Budżet na rozwój infrastruktury tankowania w naszym kraju do 2025 roku wynosi 2 miliardy zł.

Rozwój społeczeństwa wodorowego

Toyota – lider wodorowego transportu – zaangażowała się też (zgodnie ze strategią rządu Japonii) w tworzenie społeczeństwa wodorowego. Marka pracuje nad wdrożeniem technologii ogniw paliwowych do samochodów osobowych, autobusów, ciężarówek, jachtów i pociągów, a także do zasilania domów i miast.

W strategię rządową wpisuje się także użycie technologii wodorowych do zapobiegania skutkom katastrof. Choć każdy pojazd wyposażony w ogniwa paliwowe może służyć jako awaryjne źródło prądu, Toyota opracowała także specjalne mobilne generatory prądu na bazie wodorowych autobusów i ciężarówek.

Autobusy na ogniwa paliwowe

Toyota współpracuje z partnerami na całym świecie. Marka, która w Japonii opracowała własne wodorowe autobusy SORA, w Europie wraz z portugalskim producentem autobusów CaetanoBus stworzyła model H2.City Gold, do których dostarcza napędy na ogniwa paliwowe. Autobus miejski H2.City Gold ma zasięg 400 km, a jego tankowane trwa 9 minut.

Autobusy na ogniwa paliwowe wykazują się podobną funkcjonalnością co i konwencjonalne pojazdy. Nie wymagają długotrwałego ładowania baterii, dlatego mogą pracować przez całą dobę. Ich napęd stanowi mocny silnik elektryczny zasilany ogniwami paliwowymi z Toyoty Mirai. Lekkie zbiorniki wodoru znajdują się na dachu. Autobusy na wodór mają możliwość zasilania zewnętrznych urządzeń elektrycznych, służąc za mobilny generator prądu.

/
Transport ciężarowy

Duże ciężarówki na wodór to kolejny projekt, który ma szansę znacznie obniżyć emisyjność transportu. W Stanach Zjednoczonych Toyota najpierw uruchomiła program rozwojowy Project Portal, w ramach którego zbudowała prototypową ciężarówkę o zasięgu 480 km, testowaną obecnie w centrum logistycznym Toyoty w porcie Long Beach. Następnym krokiem była realizacja zamówienia na 10 wodorowych ciężarówek do transportu towarów na terenie portu Los Angeles. Pojazdy o zasięgu do 800 km powstają we współpracy z marką Kenworth. Niedawno jeden z nich pokonał słynną trasę wyścigu górskiego na szczyt Pikes Peak w Kolorado.

Inne zastosowania ogniw paliwowych Toyoty

Wodorowe ogniwa paliwowe Toyoty znalazły zastosowanie także w transporcie morskim oraz w generatorach stacjonarnych. Marka opracowała specjalną wersję ogniw odpornych na trudne warunki na oceanie i wyposażyła w nie eksperymentalny jacht Energy Observer, który jest w trakcie rejsu dookoła świata. To pozwoliło wprowadzić na rynek wodorowe generatory prądu nowej generacji do zastosowania na jachtach oraz na lądzie.

Warto też wspomnieć o wspólnym programie Toyoty i Japońskiej Agencji Kosmicznej JAXA. W ramach współpracy powstaje załogowy ciśnieniowy łazik z napędem na wodorowe ogniwa paliwowe Toyoty o zasięgu ponad 10 000 km. Łazik posłuży do eksploracji powierzchni Księżyca z udziałem astronautów. Jego pierwsza misja jest zaplanowana na 2029 rok.

Dowiedz się więcej

Toyota Mirai taksówką  w Kopenhadze Toyota Mirai taksówką w Kopenhadze W trosce o środowisko Toyota wyróżniona w konkursie Toyota wyróżniona w konkursie Lider Elektromobilności 2018 Toyota Mirai dostępna już także w Holandii Toyota Mirai dostępna już także w Holandii Sprawdź szczegóły Toyota Mirai z funkcją łączności satelitarnej Toyota Mirai z funkcją łączności satelitarnej Eksperymentalna wersja Toyota dystansuje konkurencję Toyota dystansuje konkurencję 6. miejsce w rankingu Boston Consulting Group Toyota Mirai Toyota Mirai Największa motoryzacyjna innowacja ostatniej dekady wg CAM Ruszyła przedsprzedaż Toyoty Mirai Ruszyła przedsprzedaż Toyoty Mirai Dowiedz się więcej o wodorowym sedanie W Polsce debiutuje nowa wodorowa Toyota Mirai W Polsce debiutuje nowa wodorowa Toyota Mirai Dowiedz się więcej Rozpoczęła się budowa Woven City Rozpoczęła się budowa Woven City Pierwsze eksperymentalne miasto Toyoty Nowy projekt TRI i Uniwersytetu Stanforda Nowy projekt TRI i Uniwersytetu Stanforda Autonomiczny pojazd przyszłości Wodorowe autobusy dla europejskich miast Wodorowe autobusy dla europejskich miast Partnerstwo Toyoty, CaetanoBus i Finlog Nowa Toyota Mirai Nowa Toyota Mirai Pierwsze auto oczyszczające powietrze podczas jazdy