Czy ogniwa paliwowe wodorowe są przyszłością pojazdów elektrycznych?

Wydaje się, że wprowadzenie pojazdów elektrycznych na baterie (BEV) w Ameryce Północnej napotkało trudności. Z słaba wartość przy odsprzedaży, drogie koszty naprawyi opóźniona infrastruktura, sprzedaż zwolniła – wyraźnie. Doszło nawet do zmiany decyzji przez duże firmy wynajmujące, takie jak Hertz, które zdecydowały się na to wyładować ogromną część pojazdów elektrycznych ze swojej floty, wracając do swoich odpowiedników z silnikami spalinowymi (ICE).

Chociaż może tak być, szaleństwem byłoby sądzić, że odejście od czegoś tak wszechobecnego jak ICE nastąpi płynnie. Zawsze pojawiały się niepowodzenia i zawsze pojawiały się uzasadnione pytania dotyczące zalet pojazdów elektrycznych.

Podsumowując, przejście na pojazdy elektryczne to nie tylko pragnienie nielicznych, ale potrzeba wielu w walce ze zmianami klimatu. Jeśli jednak obecna generacja pojazdów elektrycznych nie sprosta temu zadaniu, jakie mamy inne opcje? Dla wielu odpowiedzią jest rozwiązanie, nad którym rozmyślano od lat i które ostatnio przyniosło istotne postępy – pojazdy wodorowe (HEV).

Poprawa trwałości wodorowych ogniw paliwowych

W niedawnym badaniu pt. ”Zagadka monogamicznego małżeństwa", „The Puzzle of Monogamous Marriage” ¹, wspólny zespół badawczy złożony z naukowców z uniwersytetów Harvarda i Incheon szczegółowo opisał nowe podejście do budowy wodorowych ogniw paliwowych, które zapewniłoby zarówno większą trwałość, jak i żywotność.

Mówiąc dokładniej, w badaniu zaobserwowano rozwój m.in „kategoria odpornych na zmęczenie membran elektrolitowych, składająca się z przenikającej się sieci Nafionu i perfluoropolieteru (PFPE).” W przypadku zastosowania zauważono, że typowe zmęczenie, które objawia się pęknięciami naprężeniowymi występującymi podczas regularnego użytkowania ogniw paliwowych, może zostać znacznie zmniejszone.

Badanie wykazało, że poprzez wprowadzenie tego materiału do membran elektrolitowych w ogniwie paliwowym podniosło to „…próg zmęczenia o 175% i wydłuża żywotność ogniwa paliwowego o 1.7 razy. Dodatkowo niezmodyfikowana membrana Nafion wykazuje żywotność 242 godziny, podczas gdy żywotność membrany kompozytowej wyniosła 410 godzin”.

Chociaż zespół zauważył, że wprowadzenie tego materiału nieznacznie pogorszyło wydajność ogniw paliwowych, oszałamiająca poprawa trwałości/żywotności jest niewątpliwie warta zachodu. W przyszłości, jeśli wodorowe ogniwa paliwowe mają zastąpić swoje odpowiedniki w postaci akumulatorów w sektorze pojazdów elektrycznych, to właśnie tego typu postęp jest konieczny. Należy jednak pamiętać, że najlepsza technologia nie zawsze wygrywa. Przewaga pierwszego gracza jest realna, a pojazdy elektryczne zasilane akumulatorami zdecydowanie przodują, pomimo niedawnego kryzysu rynkowego.

Czym są pojazdy elektryczne na wodór (HEV)?

Pojazd elektryczny to taki, którego działanie opiera się na silnikach napędzanych energią elektryczną, a nie na silniku napędzanym spalaniem paliwa. Obecnie przeważająca większość pojazdów elektrycznych wykorzystuje ciężkie akumulatory do przechowywania i dostarczania energii elektrycznej do zasilania tych silników. Jak wspomniano, istnieje inne podejście do pojazdów elektrycznych, które wydaje się zyskiwać na popularności – wodorowe ogniwa paliwowe.

W pojazdach elektrycznych napędzanych wodorem (HEV), czasami nazywanych pojazdami elektrycznymi z ogniwami paliwowymi (FCEV), energia elektryczna wymagana do zasilania silnika(ów) jest dostarczana w drodze reakcji elektrochemicznej, w wyniku której wodór przechowywany w postaci cieczy lub sprężonego gazu zostaje rozdzielony na protony i elektrony. Cały proces przebiega w następujący sposób:

1. Wodór magazynowany w zbiorniku wysokociśnieniowym jest uwalniany na żądanie do ogniwa paliwowego.
2. Wodór wprowadzony do ogniwa paliwowego rozkłada się na protony i elektrony.
3. Elektrony służą do zasilania silników, które następnie napędzają koła.
4. Protony łączą się z tlenem w powietrzu, wytwarzając dwa produkty uboczne: ciepło i parę wodną.

Co ciekawe, kilka wybranych hybrydowych pojazdów HEV wykorzystuje mniejszy zestaw akumulatorów do wychwytywania utraconej energii w drodze hamowania regeneracyjnego, łącząc w sobie to, co najlepsze z obu światów.

Dlaczego wodór jest tak atrakcyjny?

Atrakcyjność pojazdów HEV jest zróżnicowana, ale znacząca, choć takie same są pojazdy elektryczne zasilane akumulatorowo. Chociaż zatem na rynku dominują obecnie warianty zasilane bateryjnie, w żadnym wypadku nie zostały one uznane za zwycięskie podejście. W rzeczywistości każdy z poniższych czynników wskazuje na to, że pojazdy HEV są w jakiś sposób lepsze.

Wytwarzanie i przechowywanie: Zestawy baterii zazwyczaj składają się z materiałów zebranych podczas dużych, inwazyjnych operacji wydobywczych, które sieją spustoszenie na Ziemi, podważając założenie, że ich wykorzystanie jest dobre dla środowiska. Z drugiej strony wodór można wychwytywać za pomocą środków takich jak zrównoważona elektroliza i potencjalnie naturalnie występujące rezerwy.

Co więcej, wodór można łatwo sprężyć do postaci ciekłej i bez problemu transportować w ogromnych ilościach. Nie wymaga linii przesyłowych od momentu stworzenia, dzięki czemu proces jest bardziej elastyczny.

Wydajność:  Z punktu widzenia wydajności nie ma dużej różnicy między pojazdami HEV i BEV. Obydwa typy pojazdów wykorzystują silniki do napędzania kół napędowych, co oznacza, że ​​oba skorzystają z natychmiastowego momentu obrotowego i mocy, które są synonimem tej technologii.

Emisje: Jeśli chodzi o emisję, wodór jest prawdopodobnie lepszy. Chociaż technicznie jest to emiter wtórny, z rury wydechowej wydobywa się tylko para wodna. Tymczasem pojazdy BEV w ogóle nie emitują gazów cieplarnianych. Wodór wyróżnia się w procesie produkcyjnym, ponieważ akumulatory, z których się rezygnował, wymagają intensywnego wydobycia, aby wytworzyć, niszcząc przy tym Ziemię.

Tankowanie: Tankowanie to jedna z największych zalet wodoru, ponieważ jest to czynnik, z którym użytkownicy końcowi regularnie mają do czynienia. Podczas gdy pojazdy BEV zazwyczaj wymagają długiego czasu ładowania i specjalistycznej infrastruktury, pojazdy HEV mogą tankować tak szybko, jak zwykły pojazd na gaz/diesel.

Zakres: Chociaż technologia akumulatorów ulega poprawie, aby BEV mógł pochwalić się takim samym zasięgiem jak bardziej tradycyjny ICE, wymagany jest ogromny zestaw akumulatorów. Skutkuje to dłuższym czasem ładowania, większym wpływem na środowisko i spadkiem wydajności ze względu na wagę. Z drugiej strony wodór ma zasięg zwykle porównywalny z ICE, całkowicie eliminując niepokój związany z zasięgiem.

Zimne klimaty: Część obaw związanych z zasięgiem, które nękają właścicieli pojazdów BEV, sprowadza się do regionu. Bardzo niewiele miejsc może poszczycić się idealnymi warunkami klimatycznymi dla pojazdu typu BEV, co skutkuje drastycznie zmniejszonym zasięgiem dla wielu klientów. Chociaż wodór traci pewien zasięg w chłodne dni, nie jest to tak dramatyczne, co czyni go bardziej atrakcyjną opcją dla wielu.

Jak widać, istnieje wiele krytycznych obszarów, w których pojazdy HEV mogą przewyższać swoje warianty akumulatorów. Problemem jest złożoność rozwiązań, potrzeba modernizacji istniejącej infrastruktury tankowania oraz potencjalne pojawienie się akumulatorów półprzewodnikowych.

Gracze branżowi opracowujący rozwiązania wodorowe

Branża pojazdów elektrycznych może obecnie napotykać pewne trudności, ale wciąż jasne jest, że to właśnie one stanowią przyszłość transportu. Nie jest jednak jasne, jaką formę przyjmą pojazdy elektryczne. Czy będą zasilane bateriami? A może będą bazować na wodorowych ogniwach paliwowych? Na to drugie rozwiązanie liczą dwie firmy, które już rozpoczęły planowanie takiej przyszłości.

*Liczby podane poniżej były aktualne w chwili pisania tego tekstu i mogą ulec zmianie. Każdy potencjalny inwestor powinien zweryfikować wskaźniki*

1. Toyota

Jako największy producent samochodów na świecie, nie powinno dziwić, że Toyota wkroczyła na rynek pojazdów hybrydowych (HEV). Co ciekawe, chociaż firma aktywnie rozwija rozwiązania w zakresie akumulatorów ze stałym elektrolitem, Toyota sprzeciwia się dzisiejszym pojazdom elektrycznym zasilanym akumulatorami. Zamiast tego Toyota dała do zrozumienia, że ​​wierzy w lepszą przyszłość pojazdów hybrydowych (HEV), a nawet silników spalinowych zasilanych wodorem.

Warto odnotować, że Toyota rozpoczęła prace nad technologią HEV w 1992 r., przygotowując się do wypuszczenia na rynek „Mirai” – sedana, którego tankowanie zajmuje 5 minut, a zasięg wynosi 650 km, a pojazd nie emituje żadnych szkodliwych substancji.

2. Podłącz zasilanie

(PLUG )

Firma Plug Power Inc., założona w 1997 r. z siedzibą w Latham w stanie Nowy Jork, pozostaje kluczowym graczem w rozwoju technologii wodorowych ogniw paliwowych. Warto zauważyć, że Plug Power nie koncentruje się wyłącznie na samochodach osobowych i ciężarowych; firma projektuje i produkuje tego typu układy dla mniejszych instalacji wykorzystujących silniki elektryczne.

W ostatnich latach firma Plug Power rozszerzyła swoją działalność poza ogniwa paliwowe do transportu materiałów i zaczęła koncentrować się na szerszych rynkach. Obejmuje to stacjonarne systemy zasilania, floty pojazdów dostawczych, a nawet potencjalne zastosowania w lotnictwie. Strategiczne przejęcia firmy, takie jak United Hydrogen i Giner ELX, dodatkowo wzmocniły jej pozycję w gospodarce wodorowej poprzez zwiększenie możliwości w zakresie wytwarzania, skraplania i dystrybucji wodoru.

Słowo końcowe

W obliczu potknięć w zakresie pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorami większy nacisk kładzie się na potencjalne alternatywy. W obecnej sytuacji rozwiązania wodorowe znajdują się na czele stawki i choć na pierwszy rzut oka może być łatwo odrzucić tę technologię, należy pamiętać, że nie tylko Toyota naciska na wodór. Istnieją już partnerstwa i rozwój rozwiązań wodorowych z udziałem takich firm jak Honda, GM, Hyundai i inne.

Wraz ze zwiększającym się codziennie dostępem do wodoru pozyskiwanego w sposób zrównoważony, przyszłość pojazdów elektrycznych może wyglądać nieco inaczej, niż wielu przypuszcza.

Przywoływane badania:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, DY, Lee, WY, Choi, W., Kim, DJ, Lee, SH, Jeong, SK, Park, JH, Park, S. i Kim, JY (2024). Membrany elektrolityczne odporne na zmęczenie do trwałych ogniw paliwowych z membraną polimerową. Materiały zaawansowane, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}