Studenckie Koło Naukowe Konstruktorów MechaniCAD, działające na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, od 2018 roku rozwija projekt o nazwie „Hydrive” – ultralekki bolid z napędem wodorowym, zaprojektowany z myślą o maksymalnej efektywności energetycznej i pokonywaniu dużych dystansów przy minimalnym zużyciu wodoru. Pojazd ten jest napędzany wodorem, który w ogniwie paliwowym zostaje przetworzony na energię elektryczną, wykorzystywaną do zasilania silnika elektrycznego oraz wszystkich podukładów bolidu.
W trakcie pracy układu zasilania bolidu nie powstają żadne szkodliwe emisje, a jedynymi produktami pracy ogniwa paliwowego jest energia elektryczna, ciepło i woda. Bolid Hydrive nie dość, że wykorzystuje do napędu zeroemisyjne źródło zasilania, to jego konstrukcja poddawana jest ciągłej optymalizacji w celu redukcji zapotrzebowania na moc napędową. Jego prototypowa konstrukcja stanowi swego rodzaju poligon doświadczalny dla nowych technologii wytwarzania, nowych materiałów i rozwiązań konstrukcyjnych wpisujących się w koncept proekologicznych alternatyw dla tradycyjnych źródeł paliw i doskonałym przykładem zrównoważonej mobilności.
Rys. 1. Bolid z napędem wodorowym projektu Hydrive autorstwa SKNK MechaniCAD podczas startu na torze we Francji w ramach zawodów Shell Eco-marathon Europa i Afryka 2024
Projekt został utworzony w celu udziału w zawodach Shell Eco-marathon, w których głównym celem jest przejechanie serii okrążeń na torze wyścigowym, podczas których rejestrowane jest zużycie paliwa. Główną kategorią konkursu jest przejechanie jak największego dystansu na ekwiwalencie 1 kg paliwa lub 1 kWh. W tegorocznych zawodach uzyskaliśmy wynik 2670 km/kgH2 i ciągle pracujemy nad poprawieniem tego wyniku. Zawody odbywają się w skali ogólnoświatowej, a ich przyszłoroczna edycja, po raz pierwszy w 85-letniej historii tych prestiżowych zawodów, odbędzie się w Polsce.
Rys. 2. Członkowie projektu Hydrive przygotowujący pojazd do startu na torze we Francji w trakcie zawodów Shell Eco-marathon. Widoczne są elementy układu napędowego zasilanego wodorem oraz systemu telemetrii
Konstrukcja ultralekkiego bolidu
Dążenie do minimalizacji masy jest kluczowym założeniem konstrukcyjnym bolidu Hydrive. W budowie samonośnej konstrukcji typu monokok zastosowano kompozyty z włókien węglowych, co pozwoliło zredukować masę pojazdu do zaledwie 48 kg. Kształt bolidu został zoptymalizowany w celu redukcji oporów powietrza, współczynnik oporów powietrza wynosi obecnie zaledwie Cx = 0,092 (dla typowego pojazdu jest to 0,25 do 0,4 ////, natomiast np. w Porshe 911 Turbo S wynosi on 0,33).
Obecnie prowadzone prace skoncentrowane są na dalszym obniżaniu masy bolidu poprzez wykorzystanie lekkich stopów metali oraz generatywnie modelowane elementy wytwarzane w technologii druku 3D z tworzyw sztucznych.
Przykładem takich innowacyjnych rozwiązań jest moduł tylnego zawieszenia (rys. 3), który oprócz funkcji trakcyjnych wspiera również elementy układów zasilania. Konstrukcja ta wyróżnia się niską masą, wysoką sztywnością i wytrzymałością, co potwierdzono podczas rzeczywistej eksploatacji bolidu w testach i w trakcie udziału w zawodach.
Rys. 3. Model tylnego modułu zawieszenia zaprojektowany w ramach pracy dyplomowej jednego z członków SKNK MechaniCAD Łukasza Czompelika. Konstrukcja została zoptymalizowana pod kątem wytrzymałości i lekkości, uwzględniając specyfikę bolidu Hydrive
Układ napędowy i zasilania
Układ napędowy bolidu Hydrive można podzielić na trzy części: układ doprowadzenia wodoru, układ elektryczny oraz układ mechaniczny, których centralnym punktem jest ogniwo paliwowe wodorowe. Ogniwo to wykorzystuje reakcję chemiczną wodoru i tlenu do konwersji energii chemicznej wodoru w energię elektryczną, która to z kolei w silniku BLDC przekształcana jest w energię mechaniczną, napędzającą bolid. Dobór i optymalizacja parametrów pracy wysokowydajnych napędów elektrycznych jest jednym z priorytetowych kierunków prac badawczych prowadzonych przez KN MechaniCAD. Dla zapewnienia odpowiednich parametrów energii elektrycznej zasilającej bolid konieczne jest zastosowanie bufora energii, który pozwala na dobór optymalnego punktu pracy ogniwa wodorowego oraz stanowi magazyn energii dostępnej ad-hoc w trakcie zwiększonego zapotrzebowania, np. przyspieszania. W tym celu zastosowano stos superkondensatorów, którego procesem ładowania zarządza automatycznie centralny mikrokontroler sterując pracą tranzystorów na linii łączącej ogniwo ze stosem. Algorytm sterowania został wyznaczony w oparciu o charakterystykę pracy ogniwa wodorowego oraz specyfikę pracy układu napędowego. Na podstawie danych z przetwornika pomiarowego monitorującego poziom naładowania stosu superkondensatorów oraz informacji o prędkości i położeniu zapewnia odpowiedni poziom naładowania buforu i optymalną pracę ogniwa.
Rys. 4. Schemat układu zasilania bolidu wodorowego Hydrive
Telemetria i monitoring w czasie rzeczywistym
Stan pracy wszystkich kluczowych podzespołów bolidu jest monitorowany przez rozbudowaną sieć czujników sprzężonych z systemem telemetrii opartym na technologii Wi-Fi. Telemetria umożliwia zespołowi zdalne monitorowanie parametrów pracy pojazdu (rys. 5), takich jak wartość napięcia i prądu w poszczególnych torach systemu zasilania, natężenia przepływu wodoru, jak również informacje o położeniu i prędkości pojazdu. Oprócz funkcji kontrolno-pomiarowych opracowany system dostarcza niezbędnych danych do optymalizacji systemów bolidu oraz stanowi jeden z elementów systemów bezpieczeństwa. Ważnym podsystemem monitoringu jest system zdalnej komunikacji z kierowcą, dzięki czemu na podstawie zbieranych na żywo i analizowanych danych pomiarowych, zespół konstruktorów może informować kierowcę o aktualnych stanie i podawać mu zalecenia co do stylu jazdy.
Rys. 5. Wizualizacja danych z systemu telemetrii w czasie rzeczywistym. Członkowie projektu odczytują z niej parametry pracy ogniwa, superkondensatorów, silnika oraz obecną prędkość pojazdu
Systemy bezpieczeństwa w Hydrive
Ze względu na specyfikę zawodów, bolid wyposażono w rozbudowany system bezpieczeństwa. W przypadku wystąpienia sytuacji alarmowej układ może automatycznie odciąć dopływ wodoru lub odłączyć zasilanie silnika. Jednym z istotnych elementów systemu bezpieczeństwa jest wyłącznik tzw. dead man switch zlokalizowany na kierownicy, który w przypadku zwolnienia powoduje natychmiastowe odłączenie napędu, umożliwiając szybką reakcję w przypadku sytuacji awaryjnej.
Osiągnięcie pojazdu HYDRIVE
Zespół Studenckiego Koła Naukowego Konstruktorów SKNK MechaniCAD w latach 2023 i 2024 wziął udział w zawodach Shell Eco-marathon oraz zadebiutował w tym samym roku na zawodach Challenge EcoGreen Energy we Francji. Nasz najlepszy wynik uzyskany w tym roku na SE-m wynosi 2670 km na 1 kg wodoru, co zapewniło zespołowi 6. miejsce w klasyfikacji generalnej. Możliwość sprawdzenia bolidu w zawodach i konkurowanie z zespołami z całego świata jest wyjątkowym i inspirującym wydarzeniem, a fakt, że zespół z AGH współzawodniczy z zespołami wspieranymi przez największe firmy technologiczne na świecie jest dowodem na wysoki poziom technologiczny bolidu. Doświadczenie, które nasz zespół zdobywa na kolejnych zawodach przybliża nas do podium.
Rys. 6. Zespół Hydrive z SKNK MechaniCAD wraz ze swoim projektem bolidu wodorowego, na tle budynków Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie
Znaczenie i przyszłość projektu
Bolid Hydrive, rozwijany przez SKNK MechaniCAD na Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie, to nie tylko w pełni funkcjonalny pojazd startujący w międzynarodowych zawodach, ale także obiekt badawczy. Służy on do testowania nowoczesnych technologii materiałowych, metod wytwarzania oraz zaawansowanych rozwiązań z zakresu energoelektroniki. Najważniejszym osiągnięciem zespołu jest opracowanie mobilnego układu napędowego opartego na technologii wodorowej, który łączy innowacje technologiczne z promocją ekologicznych rozwiązań w transporcie. Nadal stoją przed nami wyzwania, doświadczenie, które zdobywamy w trakcie prac nad bolidem otwiera przed nami kolejne obszary do rozwoju i optymalizacji systemów. Z całą pewnością w temacie nowych technologii nie powiedzieliśmy jeszcze ostatniego słowa.
Artykuł został opublikowany w miesięczniku „Napędy i Sterowanie” 1/2025.
