Τα Υδρογόνα Καύσιμα Κύτταρα είναι το Μέλλον των Ηλεκτρικών Οχημάτων;

Η υιοθέτηση των ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία (BEVs) στη Βόρεια Αμερική φαίνεται να έχει αντιμετωπίσει ένα εμπόδιο. Με χαμηλές τιμές μεταπώλησης, ακριβό κόστος επισκευής, και καθυστερούσα υποδομή, οι πωλήσεις έχουν επιβραδυνθεί – σημαντικά. Υπάρχουν ακόμη και αντιστροφές αποφάσεων από μεγάλες εταιρείες ενοικίασης όπως η Hertz, η οποία αποφάσισε να αποθέσει ένα τεράστιο τμήμα των EVs στο στόλο της, επιστρέχοντας στα οχήματα εσωτερικής καύσης (ICE).

Αν και αυτό μπορεί να ισχύει, θα ήταν τρελό να πιστεύουμε ότι η μετάβαση από κάτι τόσο διαδεδομένο όσο η εσωτερική καύση θα γίνει αβίαστα. Πάντα θα υπήρχαν εμπόδια και πάντα θα υπήρχαν έγκυρες ερωτήσεις κατά τη διάρκεια σχετικά με τα πλεονεκτήματα των EVs.

Το βασικό συμπέρασμα είναι ότι η μετάβαση προς τα EV δεν είναι μόνο μια επιθυμία λίγων· είναι μια ανάγκη πολλών στην καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής. Ωστόσο, εάν η τρέχουσα γενιά των EV δεν είναι επαρκής, ποιες άλλες επιλογές έχουμε; Για πολλούς, η απάντηση είναι αυτή που έχει συζητηθεί για πολλά χρόνια και πρόσφατα έχει δει κρίσιμες προόδους – τα Υδρογόνα Ηλεκτρικά Οχήματα (HEVs).

Βελτίωση της Ανθεκτικότητας των Υδρογόνων Καυσίμων Κυττάρων

Σε μια πρόσφατη μελέτη¹, μια κοινή ερευνητική ομάδα που αποτελείται από επιστήμονες του Harvard και του Πανεπιστημίου Incheon National περιέγραψε μια νέα προσέγγιση για την κατασκευή υδρογόνων κυττάρων καυσίμου που θα οδηγούσε σε βελτιωμένη ανθεκτικότητα και διάρκεια ζωής.

Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη παρατήρησε την ανάπτυξη μιας “κατηγορίας μεμβρανών ηλεκτρολύτη ανθεκτικών στην κόπωση, αποτελούμενης από ένα διαπλεκόμενο δίκτυο Nafion και perfluoropolyether (PFPE).” Όταν χρησιμοποιήθηκε, σημειώθηκε ότι η τυπική κόπωση, η οποία εκδηλώνεται ως ρωγμές στρες που εμφανίζονται κατά τη συχνή χρήση των κυττάρων καυσίμου, θα μπορούσε να μειωθεί σημαντικά.

Ενσωματώνοντας το υλικό στις μεμβράνες ηλεκτρολύτη μέσα σε ένα κύτταρο καυσίμου, η μελέτη έδειξε ότι αύξησε το “…όριο κόπωσης κατά 175% και παρατείνει τη διάρκεια ζωής του κυττάρου καυσίμου κατά 1,7 φορές. Επιπλέον, η αμετάβλητη μεμβράνη Nafion παρουσιάζει διάρκεια ζωής 242 ώρες, ενώ η σύνθετη μεμβράνη παρατηρήθηκε να έχει διάρκεια ζωής 410 ώρες.”

Ενώ η ομάδα σημείωσε ότι η εισαγωγή αυτού του υλικού ελαφρώς μείωσε την απόδοση των κυττάρων καυσίμου, η εντυπωσιακή βελτίωση στην ανθεκτικότητα/μακροζωία είναι σαφώς μια αξιόλογη ανταλλαγή. Προχωρώντας μπροστά, εάν τα υδρογόνα κύτταρα καυσίμου αναμένεται να αντικαταστήσουν τα πακέτα μπαταριών στον τομέα των EV, αυτές είναι οι προόδους που πρέπει να γίνουν. Ωστόσο, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι η καλύτερη τεχνολογία δεν κερδίζει πάντα. Το πλεονέκτημα του πρώτου κινήματος είναι πραγματικό, και τα EV με μπαταρία είναι σαφώς στην ηγεσία, παρά την πρόσφατη πτώση της αγοράς.

Τι είναι τα Υδρογόνα Ηλεκτρικά Οχήματα (HEVs);

Ένα ηλεκτρικό όχημα είναι αυτό που βασίζεται σε κινητήρες που τροφοδοτούνται από ηλεκτρισμό αντί για κινητήρα που λειτουργεί με καύση καυσίμου. Κατ’ αυτή τη στιγμή, η υπερισχύουσα πλειονότητα των ηλεκτρικών οχημάτων χρησιμοποιεί βαριά πακέτα μπαταριών για την αποθήκευση και παροχή του ηλεκτρισμού που τροφοδοτεί αυτούς τους κινητήρες. Όπως αναφέρθηκε, υπάρχει μια άλλη προσέγγιση στα EV που φαίνεται να κερδίζει έδαφος – τα υδρογόνα κύτταρα καυσίμου.

Στα Υδρογόνα Ηλεκτρικά Οχήματα (HEVs), που μερικές φορές ονομάζονται Οχήματα Ηλεκτρικού Κυττάρου Καυσίμου (FCEVs), η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την κίνηση των κινητήρων παρέχεται μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης όπου το υδρογόνο, αποθηκευμένο ως υγρό ή συμπιεσμένο αέριο, διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια. Η πλήρης διαδικασία λειτουργεί ως εξής:

1. Το υδρογόνο που αποθηκεύεται σε δεξαμενή υψηλής πίεσης απελευθερώνεται κατά απαίτηση στο κύτταρο καυσίμου.
2. Το υδρογόνο που εισάγεται στο κύτταρο καυσίμου διασπάται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια.
3. Τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των κινητήρων, οι οποίοι στη συνέχεια κινούν τους τροχούς.
4. Τα πρωτόνια συνδυάζονται με οξυγόνο στον αέρα, παράγοντας δύο παραπροϊόντα: θερμότητα & υδρατμούς.

Αξιοσημείωτο, μερικά υβριδικά HEVs χρησιμοποιούν ένα μικρότερο πακέτο μπαταρίας για τη συλλογή της χαμένης ενέργειας μέσω αναγεννητικού φρενάρισματος, συνδυάζοντας το καλύτερο και των δύο κόσμων.

Τι Κάνει το Υδρογόνο Ελκυστικό;

Παραγωγή και Αποθήκευση: Τα πακέτα μπαταριών συνήθως αποτελούνται από υλικά που εξορύσσονται από μεγάλες, επεμβατικές εξορυκτικές επιχειρήσεις που προκαλούν καταστροφές στη Γη, υποσκάπτοντας την ιδέα ότι η χρήση τους είναι φιλική προς το περιβάλλον. Το υδρογόνο, από την άλλη, μπορεί να συλληφθεί μέσω μέσων όπως η βιώσιμη ηλεκτρόλυση και ενδεχομένως φυσικά υπάρχουσες αποθέσεις.

Επιπλέον, το υδρογόνο μπορεί εύκολα να συμπιεστεί σε υγρή μορφή και να μεταφερθεί χωρίς πρόβλημα σε μεγάλες ποσότητες. Δεν απαιτούνται γραμμές μετάδοσης από το σημείο δημιουργίας, καθιστώντας τη διαδικασία πιο ευέλικτη.

Απόδοση: Από άποψη απόδοσης, δεν υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ HEVs και BEVs. Και οι δύο τύποι οχημάτων χρησιμοποιούν κινητήρες για την κίνηση των τροχών, πράγμα που σημαίνει ότι και οι δύο θα επωφεληθούν από την άμεση ροπή και την ισχύ που είναι συνώνυμα με την τεχνολογία.

Εκπομπές: Όσον αφορά τις εκπομπές, το υδρογόνο είναι πιθανώς καλύτερο. Αν και τεχνικά είναι δευτερεύουσα πηγή εκπομπών, αυτό αφορά μόνο υδρατμούς που εξέρχονται από την καυτή ρύπανση. Από την άλλη πλευρά, τα BEVs δεν έχουν καθόλου εκπομπές. Το υδρογόνο ξεχωρίζει στη διαδικασία παραγωγής, καθώς τα πακέτα μπαταριών που παραλείπεται απαιτούν εκτενή εξόρυξη, προκαλώντας ζημιά στη Γη.

Αναπλήρωση Καυσίμου: Η αναπλήρωση καυσίμου είναι ένα από τα μεγαλύτερα πλεονεκτήματα του υδρογόνου, καθώς είναι ένας παράγοντας με τον οποίο οι τελικοί χρήστες θα ασχοληθούν άμεσα σε τακτική βάση. Ενώ τα BEVs συνήθως απαιτούν μεγάλους χρόνους φόρτισης και εξειδικευμένη υποδομή, τα HEVs μπορούν να αναπληρώσουν το καύσιμο τόσο γρήγορα όσο ένα κανονικό όχημα βενζίνης/ντίζελ.

Εμβέλεια: Αν και η τεχνολογία των μπαταριών βελτιώνεται, για ένα BEV να προσφέρει την ίδια εμβέλεια με τα πιο παραδοσιακά ICE απαιτείται ένα τεράστιο πακέτο μπαταρίας. Αυτό οδηγεί σε μεγαλύτερους χρόνους φόρτισης, μεγαλύτερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα και απώλειες στην αποδοτικότητα λόγω βάρους. Το υδρογόνο, από την άλλη, προσφέρει εμβέλειες που είναι συνήθως συγκρίσιμες με τα ICE, αφαιρώντας εντελώς το άγχος εμβέλειας.

Ψυχρά Κλίματα: Μέρος του άγχους εμβέλειας που επηρεάζει τους ιδιοκτήτες BEV οφείλεται στην περιοχή. Πολύ λίγες περιοχές διαθέτουν ιδανικές κλιματικές συνθήκες για ένα BEV, με αποτέλεσμα σημαντική μείωση της εμβέλειας για πολλούς πελάτες. Αν και το υδρογόνο χάνει κάποια εμβέλεια σε κρύο καιρό, δεν είναι τόσο δραματικό, καθιστώντας το πιο ελκυστική επιλογή για πολλούς.

Όπως βλέπετε, υπάρχουν διάφοροι κρίσιμοι τομείς στους οποίους τα HEVs μπορούν να υπερέχουν των παραλλαγών με μπαταρία. Όπου όμως υστερούν είναι στην πολυπλοκότητα, την ανάγκη προσαρμογής της υπάρχουσας υποδομής αναπλήρωσης καυσίμου, και την πιθανή εμφάνιση στερεών μπαταριών.

Παίκτες της Βιομηχανίας που Αναπτύσσουν Λύσεις Υδρογόνου

Η βιομηχανία των EV μπορεί να αντιμετωπίζει κάποιες δυσκολίες αυτή τη στιγμή, αλλά είναι σαφές ότι είναι το μέλλον των μεταφορών. Αυτό που δεν είναι τόσο σαφές είναι σε ποια μορφή θα είναι τα EV. Θα είναι με μπαταρία; Ή θα βασίζονται σε κύτταρα καυσίμου υδρογόνου; Τα παρακάτω δύο εταιρείες επενδύουν στο δεύτερο και έχουν ήδη αρχίσει να σχεδιάζουν για ένα τέτοιο μέλλον.

*Τα παρακάτω στοιχεία ήταν ακριβή τη στιγμή της συγγραφής και ενδέχεται να αλλάξουν. Οποιοσδήποτε ενδεχόμενος επενδυτής θα πρέπει να επαληθεύσει τα μετρικά*

1. Toyota

Ως ο μεγαλύτερος κατασκευαστής αυτοκινήτων στον κόσμο, δεν είναι έκπληξη που η Toyota έχει εισέλθει στον χώρο των HEVs. Ενδιαφέρον είναι ότι ενώ η εταιρεία αναπτύσσει ενεργά λύσεις στερεών μπαταριών, η Toyota έχει αντιτεθεί στα σημερινά EV με μπαταρία. Αντίθετα, η Toyota έχει δηλώσει ότι πιστεύει ότι ένα φωτεινότερο μέλλον βρίσκεται στα HEVs και ακόμη και στις μηχανές καύσης υδρογόνου.
Σημαντικό είναι ότι η Toyota ξεκίνησε την ανάπτυξη τεχνολογίας HEV το 1992, οδηγώντας στην κυκλοφορία του ‘Mirai’ – ενός σεντάν με 5 λεπτά αναπλήρωση, 650 km εμβέλεια και μηδενικές επιβλαβείς εκπομπές.

2. Plug Power

PLUG Διάγραμμα τιμής

Η Plug Power Inc. (PLUG ), ιδρυθείσα το 1997 και με έδρα το Latham, Νέα Υόρκη, παραμένει βασικός παίκτης στην προώθηση της τεχνολογίας κυττάρων καυσίμου υδρογόνου. Σημαντικό είναι ότι η Plug Power δεν εστιάζει μόνο σε αυτοκίνητα και φορτηγά· η εταιρεία σχεδιάζει και κατασκευάζει τέτοια συστήματα για μικρότερες εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν ηλεκτρικούς κινητήρες.
Τα τελευταία χρόνια, η Plug Power έχει επεκτείνει το επίκεντρό της πέρα από τα κύτταρα καυσίμου για τη διαχείριση υλικών και έχει αρχίσει να στοχεύει σε ευρύτερες αγορές. Αυτό περιλαμβάνει σταθερά συστήματα ενέργειας, στόλους οχημάτων παράδοσης και ακόμη πιθανές εφαρμογές στην αεροπορία. Οι στρατηγικές εξαγορές της εταιρείας, όπως η United Hydrogen και η Giner ELX, ενίσχυσαν περαιτέρω τη θέση της στην οικονομία του υδρογόνου βελτιώνοντας τις δυνατότητες παραγωγής, υγροποίησης και διανομής υδρογόνου.

Τελική Λέξη

Με τα EV με μπαταρία να αντιμετωπίζουν δυσκολίες, η προσοχή στρέφεται περισσότερο σε πιθανές εναλλακτικές. Κατ’ αυτή τη στιγμή, οι λύσεις υδρογόνου βρίσκονται στην πρώτη γραμμή, και αν και μπορεί να είναι εύκολο να απορρίψουμε την τεχνολογία με την πρώτη ματιά, θυμηθείτε ότι δεν είναι μόνο η Toyota που προωθεί το υδρογόνο. Υπάρχουν ήδη συνεργασίες και ανάπτυξη λύσεων υδρογόνου με εταιρείες όπως η Honda, η GM, η Hyundai και άλλες.

Με την αυξανόμενη πρόσβαση σε βιώσιμα παραγόμενο υδρογόνο που αυξάνεται καθημερινά, το μέλλον των EV μπορεί να φαίνεται ελαφρώς διαφορετικό από ό,τι πολλοί συνειδητοποιούν.

Μελέτες που Αναφέρονται:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Μεμβράνες Ηλεκτρολύτη Ανθεκτικές στην Κόπωση για Ανθεκτικά Πολυμερικά Κυττάρων Καυσίμου. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}