Τα οχήματα υδρογόνου μπορεί να αποτελούν το μέλλον των μεταφορών – Υπάρχουν λόγοι για ανησυχίες ασφαλείας;

Τα οχήματα υδρογόνου ή τα οχήματα με καύσιμη κυψέλη υδρογόνου έχουν εμφανιστεί ως φαινόμενο από το 2015. Αν και είναι πολύ νωρίς να προβλέψουμε το μέλλον των οχημάτων υδρογόνου, δεν υπάρχει αμφιβολία ότι το ενδιαφέρον για αυτά είναι αισθητό αλλά κυμαινόμενο. 

Μεταξύ 2022 και 2023, ο αριθμός των ηλεκτρικών οχημάτων με καύσιμη κυψέλη υδρογόνου παρουσίασε πτώση, από 20.704 σε 14.451. Μια ετήσια πτώση δεν είναι αρκετή για να καθορίσει μια τάση στο ενδιαφέρον των καταναλωτών για τα οχήματα υδρογόνου. Ωστόσο, υπάρχουν συζητήσεις και από τις δύο πλευρές. Ενώ υπάρχουν πολλά πλεονεκτήματα ενός οχήματος υδρογόνου, οι συζητήσεις για το πόσο ασφαλές είναι επίσης είναι πολλές. Στα επόμενα τμήματα, θα εξετάσουμε και τις δύο αυτές πτυχές των οχημάτων υδρογόνου. 

Η Μοναδικότητα των Οχημάτων Υδρογόνου

Παρά το ότι είναι ηλεκτρικό όχημα, τα οχήματα υδρογόνου δεν χρειάζονται ενσωματωμένες μπαταρίες. Διαθέτουν τη δική τους μονάδα παραγωγής ενέργειας εν πλω, ικανή να μετατρέπει το υδρογόνο του δεξαμενής καυσίμου σε ηλεκτρισμό. Τα αυτοκίνητα υδρογόνου οδηγούν με μηδενικές τοπικές εκπομπές. 

Ωστόσο, το μεγαλύτερο πλεονέκτημα που προσφέρει – μέχρι στιγμής – είναι ο σύντομος χρόνος ανεφοδιασμού. Σε αντίθεση με άλλα ηλεκτρικά οχήματα, η φόρτιση των οχημάτων υδρογόνου δεν εξαρτάται από το μοντέλο του οχήματος και την υποδομή. Διαθέτει μεγάλη αποθήκευση ενέργειας, και η εμβέλειά του δεν εξαρτάται από τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος, εξαλείφοντας την υποβάθμιση σε κρύο καιρό. 

Το υδρογόνο είναι επίσης ένας εξαιρετικά αποδοτικός τρόπος αποθήκευσης και μεταφοράς ανανεώσιμης ενέργειας, και η υιοθέτησή του βοηθά στη μείωση του κόστους μακροπρόθεσμα. 

Ενώ τα οφέλη είναι εμφανή για όλους, ορισμένες μελέτες επισημαίνουν επίσης τον κίνδυνο και το δυναμικό ζημίας. Σήμερα θα εξετάσουμε συγκεκριμένα μια περίπτωση όπου μια ομάδα από το TU Graz ανέλυσε τον κίνδυνο και το δυναμικό ζημίας των οχημάτων υδρογόνου σε σήραγγες. Η μελέτη έκανε επίσης κάποιες συστάσεις. 

Ο Κίνδυνος και το Δυναμικό Ζημίας των Οχημάτων Υδρογόνου: Πώς να Μειώσουμε τους Κινδύνους

Στο πλαίσιο του έργου HyTRA, το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Γκράζ διερεύνησε διάφορες πτυχές που θα μπορούσαν να αποδειχθούν επικίνδυνες. Η μελέτη αξιολόγησε πιθανά είδη περιστατικών, κινδύνους για τους ανθρώπους και τη δομή της σήραγγας, και πρότεινε μέτρα που θα μπορούσαν να ληφθούν για τη μείωση αυτών των κινδύνων.

Ενώ οι ερευνητές έχουν διαπιστώσει ότι η πιθανότητα ατυχημάτων με οχήματα που λειτουργούν με υδρογόνο σε σήραγγα είναι χαμηλή, η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα του υδρογόνου και η σημαντική πίεση αποθήκευσης καθιστούν αυτά τα FCEV που τροφοδοτούνται με υδρογόνο σημαντικό κίνδυνο για εκτεταμένες ζημιές.

Η αποθήκευση του υδρογόνου σε δεξαμενές αυτοκινήτων υπό πίεση 700 bar μπορεί να οδηγήσει στην ταχεία απελευθέρωση μεγάλης ποσότητας ενέργειας. Εάν ανάψει, το υδρογόνο μπορεί να καεί σε θερμοκρασίες άνω των 2000 °C. Οι κατασκευαστές σχεδιάζουν τις δεξαμενές καυσίμου ώστε να είναι ανθεκτικές και καλά προστατευμένες έναντι μηχανικών κτυπήσεων· ωστόσο, αποτυγχάνουν σε καταστάσεις όπως συγκρούσεις από πίσω με μεγάλα φορτηγά.

Υπάρχουν γενικά τρία επικίνδυνα σενάρια που μπορεί να προκύψουν ως αποτέλεσμα μιας τέτοιας σύγκρουσης.

Στην πρώτη περίπτωση, η συσκευή απελευθέρωσης θερμικής πίεσης (TPRD) μπορεί να ενεργοποιηθεί όταν η πίεση αυξηθεί λόγω θερμικής επίπτωσης, απελευθερώνοντας υδρογόνο από τη δεξαμενή σε ελεγχόμενο ρεύμα. Αυτός ο μηχανισμός βοηθά στη διατήρηση της πίεσης σε ασφαλή επίπεδο, αποτρέποντας τη ρήξη της δεξαμενής. Ωστόσο, μπορεί ακόμη να αποτελεί κίνδυνο εάν το απελευθερωμένο υδρογόνο αναμειχθεί με τον αέρα και ανάψει. Παρ’ όλα αυτά, η ζώνη κινδύνου θα παραμείνει περιορισμένη.

Αυτό το σενάριο επιδεινώνεται εάν η Συσκευή Απελευθέρωσης Θερμικής Πίεσης αποτύχει, ενδεχομένως οδηγώντας σε έκρηξη της δεξαμενής. Το αποτέλεσμα κύματος έκρηξης θα μπορούσε να εξαπλωθεί σε όλο το κανάλι. Ο κίνδυνος θανάτου θα επεκτεινόταν έως περίπου 30 μέτρα, ενώ η πιθανότητα σοβαρών εσωτερικών τραυμάτων έως 300 μέτρα. Σε μεγαλύτερη απόσταση, παραμένει ο κίνδυνος ρήξης του τύμπανου.

Στο τρίτο σενάριο, το λιγότερο πιθανό, το υδρογόνο απελευθερώνεται πρώτα χωρίς ανάφλεξη. Ως το ελαφρύτερο στοιχείο του περιοδικού πίνακα, το αέριο ανεβαίνει και συσσωρεύεται ως σύννεφο κάτω από την οροφή της σήραγγας. Εάν υπάρχει πηγή ανάφλεξης, όπως θερμά φώτα ή ηλεκτρικό παλμό, μπορεί να προκαλέσει έκρηξη του σύννεφου υδρογόνου, δημιουργώντας σημαντικό κύμα έκρηξης.

Οι ερευνητές του σεναρίου κινδύνου πρότειναν μια σειρά στρατηγικών μετριασμού. Η ομάδα πρότεινε την εφαρμογή αυστηρότερων ορίων ταχύτητας, παρακολουθούμενων μέσω ελέγχου τμημάτων. Επιπλέον, συνέστησαν στρατηγικές ακριβούς ελέγχου απόστασης, υποστηριζόμενες από ισχυρό μηχανισμό σήμανσης για την ειδοποίηση των οδηγών όταν ακολουθούν πολύ κοντά.

Κατά τη συζήτηση για τους κινδύνους και το δυναμικό ζημίας των οχημάτων υδρογόνου, η ομάδα του TU Graz δεν ξέχασε να αναφέρει το πλαίσιο στο οποίο λειτουργούν και πώς μετριούνται οι κίνδυνοι και το δυναμικό ζημίας.

«Οι σύγχρονες δεξαμενές υδρογόνου είναι κατασκευασμένες τόσο ασφαλώς που πρέπει να συμβούν πολλά λάθη για να διαφύγει το υδρογόνο.»

– Daniel Fruhwirt, Ινστιτούτο Θερμοδυναμικής και Βιώσιμων Συστημάτων Πρόωσης στο TU Graz

Η Προώθηση των Οχημάτων Υδρογόνου

Οι ερευνητές προβλέπουν σημαντική αύξηση στην υιοθέτηση των οχημάτων υδρογόνου τα επόμενα χρόνια. Οι ερευνητές και αναλυτές της βιομηχανίας εκτιμούν ότι ο αριθμός των οχημάτων υδρογόνου σε λειτουργία παγκοσμίως θα ξεπεράσει το ένα εκατομμύριο το 2027, από λίγο πάνω από 60.000 το 2022, αντιπροσωπεύοντας άνοδο πάνω από 1.500 %. Η αγορά καταναλωτών αναμένεται να είναι το κυρίαρχο τμήμα στον χώρο των οχημάτων υδρογόνου, καλύπτοντας πάνω από 60 % μέχρι το 2027.

Υπάρχουν κυβερνητικές πρωτοβουλίες που προωθούν τα οχήματα με καύσιμη κυψέλη. Για παράδειγμα, το Γραφείο Ενεργειακής Αποδοτικότητας και Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας, μονάδα του Υπουργείου Ενέργειας, ξεκίνησε το H2USA το 2013. Στην επίσημη δήλωσή τους, οι κυβερνητικές αρχές είπαν τα εξής για Η αποστολή του H2USA:

«Η αποστολή του H2USA είναι η προώθηση της εισαγωγής και της ευρείας υιοθέτησης των ηλεκτρικών οχημάτων με καύσιμη κυψέλη σε όλη την Αμερική. Τα μέλη περιλαμβάνουν ομοσπονδιακές υπηρεσίες, τον εμπορικό σύλλογο καυσίμων κυψέλης, κατασκευαστές αυτοκινήτων, προμηθευτές υδρογόνου, προγραμματιστές κυψέλης, εθνικά εργαστήρια και άλλους ενδιαφερόμενους. Η συνεργασία παρέχει μια πλατφόρμα για τις ΗΠΑ παρόμοια με τις δημόσιες-ιδιωτικές συνεργασίες σε άλλες χώρες που εστιάζουν στο υδρογόνο, ιδιαίτερα στη Γερμανία, την Ιαπωνία και το Ηνωμένο Βασίλειο.»

Αναφέρεται ότι το H2USA έχει πλέον πάνω από 30 συμμετέχοντες.

Πέρα από τις κυβερνητικές πρωτοβουλίες, υπάρχουν πολλές έρευνες βελτίωσης της απόδοσης που προωθούν το ενδιαφέρον και την εμπιστοσύνη μεταξύ των δυνητικών καταναλωτών για τα οχήματα με καύσιμη κυψέλη υδρογόνου.

Για παράδειγμα, μια πρόσφατη μελέτη που διεξήχθη από μια ομάδα ερευνητών του Harvard και του Πανεπιστημίου Incheon National ανέπτυξε μια προσέγγιση για την κατασκευή κυψελών που αποδίδουν υψηλά τόσο σε ανθεκτικότητα όσο και σε διάρκεια ζωής. Η μελέτη επικεντρώθηκε στην ανάπτυξη μιας κατηγορίας μεμβρανών ηλεκτρολύτη ανθεκτικών στην κόπωση, αποτελούμενων από ένα διαπλεκόμενο δίκτυο Nafion και perfluoropolyether (PFPE). Η ομάδα σημείωσε μια ελαφρά υποβάθμιση στην απόδοση της κυψέλης σε αντάλλαγμα για μια «εντυπωσιακή βελτίωση στην ανθεκτικότητα/μακροζωία».

Μια άλλη συναρπαστική εξέλιξη που ενθαρρύνει ιδιαίτερα τους κατασκευαστές είναι η εισαγωγή εξειδικευμένων ενζύμων σε εξαντλημένα πετρελαϊκά φρέατα. Αυτά τα ένζυμα διασπούν τα παραμένοντα υδρογονάνθρακες σε διάφορα συστατικά, συμπεριλαμβανομένου του υδρογόνου. Αυτή η πρόοδος θα μπορούσε να μετατρέψει αμέτρητα εξαντλημένα και εγκαταλελειμμένα πετρελαϊκά φρέατα παγκοσμίως σε πηγές πιο βιώσιμου καυσίμου από τα βάθη τους — υδρογόνο.

Η προώθηση των οχημάτων υδρογόνου ευθυγραμμίζεται με το όραμα δημιουργίας πιο βιώσιμων εναλλακτικών μεταφορών για το μέλλον, ενδεχομένως ακόμη πιο βιώσιμων από τα ηλεκτρικά οχήματα (EV). Αυτό συμβαίνει επειδή τα EV δεν επιτυγχάνουν πλήρως τη βιωσιμότητα· το εκπομπικό τους δυναμικό εξαρτάται από το πώς παράγεται το ηλεκτρικό ρεύμα.

Πολλές εταιρείες αναπτύσσουν λύσεις οχημάτων υδρογόνου, προβλέποντας ότι οι κυβερνήσεις και οι αρχές μεταφορών θα προτιμούν όλο και περισσότερο τα οχήματα υδρογόνου έναντι των EV στο μέλλον. Στα επόμενα τμήματα, θα συζητήσουμε μερικές από αυτές τις εταιρείες.

#1. Πλατφόρμα Ultium και κύβοι ισχύος καυσίμου HYDROTEC από τη General Motors

Η τεχνολογία καυσίμου κυψέλης GM Hydrotec ισχυρίζεται ότι αποτελεί μια προσιτή λύση ισχύος καυσίμου για χερσαίες, αεροπορικές και θαλάσσιες εφαρμογές. Το 2021, η Wabtec Corporation (NYSE: WAB) και η General Motors (GM ) (NYSE: GM) ανακοίνωσαν τη συνεργασία για την ανάπτυξη και εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας μπαταρίας Ultium της GM και των συστημάτων καυσίμου υδρογόνου HYDROTEC για τα σιδηροδρομικά τρένα της Wabtec.

Καθώς μιλούσαν για την προστιθέμενη αξία που θα προσέφεραν οι λύσεις της GM στη Wabtec, ο Διευθύνων Σύμβουλος και Πρόεδρος της Wabtec, Rafael Santana, είπε τα εξής:

«Το σιδηροδρομικό μας τρένο FLXdrive, το πρώτο σιδηροδρομικό τρένο 100 % μπαταρίας στον κόσμο, έχει αποδείξει την ικανότητά του να μειώσει τις εκπομπές άνθρακα έως και 30 % όταν λειτουργεί με 6 MWh. Αλλά δεν μπορούμε να σταματήσουμε εκεί. Συνεργαζόμενοι με τη GM στην τεχνολογία μπαταρίας Ultium και τις τεχνολογίες καυσίμου υδρογόνου HYDROTEC, μπορούμε να επιταχύνουμε την πορεία της σιδηροδρομικής βιομηχανίας προς την αποανθρακοποίηση και τη μετάβαση σε μηδενικές εκπομπές, αξιοποιώντας αυτές τις δύο σημαντικές τεχνολογίες προώθησης.»

Η λύση Hydrotec της GM προσφέρει συμπαγείς και εύκολα ενσωματώσιμους κύβους ισχύος καυσίμου για ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των σιδηροδρομικών τρένων. Η Ultium είναι η τεχνολογία μπαταρίας που προσθέτει στην ευελιξία, αποδοτικότητα, ισχύ και αξιοπιστία που χρειάζονται οι σιδηρόδρομοι.

Το 2021, η General Motors επίσης συνήψε συνεργασία με τη Liebherr-Aerospace για την ανάπτυξη ενός συστήματος επίδειξης παραγωγής ενέργειας με καύσιμη κυψέλη υδρογόνου για αεροσκάφη. Το επόμενο έτος, η GM αποφάσισε να ξεπεράσει το χώρο των οχημάτων και της αυτοκινητοβιομηχανίας με τη λύση Hydrotec.

Η εταιρεία ανακοίνωσε τα σχέδιά της για την ανάπτυξη πολλαπλών γεννητριών ισχύος βασισμένων στο HYDROTEC, που τροφοδοτούνται από τους κύβους ισχύος Generation 2 HYDROTEC της GM. Αυτά περιλαμβάνουν:

• Ένας Φορητός Γεννήτρια Ισχύος (MPG) που προσφέρει δυνατότητες γρήγορης φόρτισης για EV χωρίς την εγκατάσταση μόνιμων σημείων φόρτισης.
• Ο ταχύς φορτιστής EMPOWER που επιτρέπει στα πρατήρια καυσίμων λιανικής να προσθέσουν προσιτή γρήγορη DC φόρτιση χωρίς την επέκταση του δικτύου.
• Ένα παλετοποιημένο MPG για ήσυχη και αποδοτική τροφοδοσία στρατιωτικών καταυλισμών και εγκαταστάσεων.

Για το οικονομικό έτος 2023, η GM ανέφερε έσοδα 171,8 δισεκατομμυρίων δολαρίων, με καθαρό εισόδημα που ανήκει στους μετόχους πάνω από 10 δισεκατομμύρια δολάρια και EBIT προσαρμοσμένο 12 δισεκατομμύρια δολάρια.

#2. Cellcentric: Μία Συνεργασία Πενήντα-Πενήντα μεταξύ Daimler και Volvo

Η Cellcentric, μια κοινή επιχείρηση 50 : 50 μεταξύ της Volvo Group και της Daimler Truck (DTG.DE ) AG, στοχεύει να γίνει κορυφαίος παγκόσμιος κατασκευαστής καυσίμων κυψέλης για να βοηθήσει τον κόσμο να επιτύχει τον στόχο της εισαγωγής ουδέτερης και βιώσιμης μεταφοράς έως το 2050.

Τον Μάιο του 2024, η Cellcentric ανακοίνωσε το σύστημα καυσίμου κυψέλης NextGen, μια λύση προσαρμοσμένη για βαρύ φορτηγά μεγάλων αποστάσεων στην Ευρώπη και τη Βόρεια Αμερική. Το σύστημα είναι μια υψηλά ενσωματωμένη, συμπαγής και ελαφριά λύση μονού πακέτου που μπορεί να παρέχει ισχύ άνω των 350 kW στην κορυφαία απόδοσή του.

Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της Cellcentric, η λύση αναμένεται να προσφέρει εξοικονόμηση κατανάλωσης 20 % σε σύγκριση με τη γενιά BZA150. Το σύστημα NextGen διαθέτει επίσης αύξηση της πυκνότητας ισχύος κατά 30 % σε σχέση με τη τρέχουσα γενιά και μείωση της απορριπτικής θερμότητας κατά 40 % στην κορυφαία φόρτωση, χάρη στο εξελιγμένο σχεδιασμό του συστήματος και την βέλτιστη απόδοση. Η λύση μειώνει επίσης τις απαιτήσεις ψύξης, βελτιώνοντας τα επίπεδα καταλληλότητας του προϊόντος.

Για το πλήρες έτος 2023, η Volvo αύξησε τις καθαρές πωλήσεις της κατά σχεδόν 80 δισεκατομμύρια SEK, φθάνοντας τα 553 δισεκατομμύρια SEK, και το προσαρμοσμένο λειτουργικό εισόδημα στα 77,6 δισεκατομμύρια SEK (50,5), με προσαρμοσμένο λειτουργικό περιθώριο 14,0 % (10,7). Τα έσοδα της Daimler Group αυξήθηκαν κατά 10 % σε επίπεδο ρεκόρ 55,9 δισεκατομμυρίων ευρώ το 2023.

Το Μέλλον των Οχημάτων Καυσίμου Κυψέλης Υδρογόνου

Συνολικά, το μέλλον των οχημάτων υδρογόνου φαίνεται ελπιδοφόρο, καθώς υπάρχει αυξανόμενη παγκόσμια ανάγκη για βιώσιμες λύσεις μεταφοράς. Ωστόσο, για να γίνουν πιο αποδοτικά και ασφαλή, οι κατασκευαστές και οι ερευνητές τεχνολογίας θα πρέπει να εργαστούν σε όλες τις πτυχές ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου με καύσιμη κυψέλη υδρογόνου, συμπεριλαμβανομένου του στοίβας κυψέλης, του γεμιστήρα καυσίμου, της δεξαμενής καυσίμου, του ελεγκτή και του θερμικού συστήματος.

Αυτά τα οχήματα προσφέρουν πολλά πλεονεκτήματα, όπως άμεση ροπή και ομαλές, σταθερές δυνατότητες ισχύος, χαμηλές απαιτήσεις συντήρησης, γρήγορα οφέλη ανεφοδιασμού, μηδενικές εκπομπές και άλλα. Ωστόσο, οι κατασκευαστές θα πρέπει να εργαστούν περισσότερο στο κόστος.

Η αγορά ενός αυτοκινήτου με καυσίμου κυψέλης μπορεί να κοστίζει περισσότερο από τα αντίστοιχα συμβατικά αυτοκίνητα. Ωστόσο, υπάρχουν διάφορα κίνητρα διαθέσιμα σε ανεπτυγμένες οικονομίες, όπως η επιστροφή $4.500 ($7.500 για αγοραστές με εισοδηματική επιλεξιμότητα) από το Πρόγραμμα Καθαρής Ανταμοιβής Οχημάτων της Καλιφόρνιας και άλλα. Ενώ αυτά τα κίνητρα θα ενισχύσουν την υιοθέτηση και την προβολή βραχυπρόθεσμα, η μακροπρόθεσμη επιτυχία θα καθοδηγείται μόνο από τα πρότυπα ασφαλείας και την απόδοση που προσφέρονται.

Κάντε κλικ εδώ για να μάθετε τι έκανε το υδρογόνο ξανά ελκυστική πηγή ενέργειας.