Powóz na baterię
Współczesne samochody elektryczne, powszechnie uchodzą za ultranowoczesne, czasami wręcz awangardowe i wyprzedzające swoje czasy. Jednak historia wykorzystania zmagazynowanej energii elektrycznej do zasilania silnika elektrycznego napędzającego koła pojazdu, sięga pierwszej połowy XIX wieku. Już w 1834 roku, Amerykanin Thomas Devenport, skonstruował samobieżny powóz, który czerpał energię z baterii galwanicznej Volty (nie znano jeszcze technologii akumulatorów kwasowo-ołowiowych).
Niemal równolegle, bo pomiędzy 1832 a 1839 rokiem, szkocki biznesmen Robert Anderson zbudował powóz elektryczny, a w 1835 roku, w ówczesnej Holandii profesor Sibrandus Stratingh Groningen również zaprojektował i wykonał model elektrycznego samochodu.
Kamieniem milowym był patent na akumulator kwasowo-ołowiowy, zgłoszony w Belgii przez Francuza Gastona Plantéa w 1859 roku. W 1871 roku powstał silnik elektryczny napędzany prądem stałym. Zanim zakończył się XIX wiek, była więc dostępna technologia i komponenty potrzebne do wytwarzania pojazdów elektrycznych.
Amerykański boom na elektryki
Za pierwszy samochód elektryczny uważa się jednak trójkołowy pojazd zbudowany przez dwóch brytyjczyków Percy’ego i Ayton’a w 1882 roku. Elektryczne pojazdy pojawiły się masowo na ulicach europejskich stolic pod koniec XIX wieku. W kwietniu 1899 roku, we Francji, „Jamais Contente”, elektryczny samochód o nadwoziu w kształcie pocisku jako pierwszy pojazd na świecie przekroczył barierę 100 km/h i ustanowił rekord prędkości – 105,9 km/h. Na przełomie XIX I XX w. w USA wybuchł prawdziwy boom na samochody elektryczne. Po samym tylko Nowym Jorku jeździło wtedy ok. 2000 elektrycznych taksówek, autobusów i ciężarówek.
Młodsza technologia wodorowa
Natomiast technologia ogniw paliwowych (nazywanych również ogniwami wodorowymi) jest znacznie młodsza i została wykorzystana podczas amerykańskich misji kosmicznych w drugiej połowie ubiegłego wieku.
Zasada działania ogniw polega na reakcji elektrochemicznej wodoru z tlenem, podczas której powstaje energia elektryczna i ciepło, a jedynym produktem ubocznym jest woda. W samochodach cały proces zaczyna się od doprowadzenia wodoru z wysokociśnieniowego zbiornika do ogniwa. Równolegle dostarczane jest także sprężone powietrze. Skutkiem reakcji w ogniwie jest wytworzony prąd, który zamieniany jest na prąd zmienny i dostarczany do silnika elektrycznego odpowiadającego za trakcję.
Inżynierowie motoryzacyjni eksperymentowali z szeregiem różnych rozwiązań wykorzystujących ogniwa paliwowe. W 1999 roku Honda zaprezentowała prototyp FCX-V1 wykorzystujący sprężony wodór oraz FCX-V2 wyposażony w układ pozyskiwania wodoru z metanolu. W 2000 roku zaprezentowano model FCX-V3, czyli prototyp napędzany ogniwami paliwowymi, wyposażony w zbiornik na sprężony wodór oraz ultra koncentrator.
W 2008 roku, po niemal dekadzie od prezentacji pierwszego prototypu, rozpoczęto produkcję pierwszego seryjnego pojazdu napędzanego ogniwami paliwowymi – Honda FCX Clarity.
“(…) nieustannie pracujemy nad zwiększeniem osiągów, zasięgu i wydajności pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi, w których wyeliminowaliśmy także problem pracy w niskich temperaturach. Wszystkie nasze działania podporządkowujemy klientowi oraz wprowadzeniu samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi do powszechnego użytku na całym świecie.” – powiedział Sachito Fujimoto, Lider Projektu FCX Clarity
Honda FCX Clarity z 2008 r. Fot.Honda
Aktualnie w ofercie dealerów dostępne są dwa modele samochodów napędzanych ogniwami paliwowymi: Toyota Mirai oraz Hyundai Nexo.
Toyota Mirai Fot. Toyota
Hyundai NEXO Fot. Hyundai
Proces pozyskiwania wodoru i poziom neutralności tego procesu dla środowiska różnią się w zależności od zastosowanej technologii. Sam gaz jest wprawdzie bezbarwny, jednak w zależności od metody pozyskania otrzymuje on odpowiedni kod kolorystyczny.
Zielony wodór
Zielony wodór jest produkowany wyłącznie z energii odnawialnej. Zielona energia elektryczna jest wykorzystywana np. do zasilania elektrolizerów. Oprócz elektrolizy można również stosować procesy, takie jak gazyfikacja lub fermentacja biomasy.
Wszystkie są neutralne pod względem emisji CO2. Emisje powstają tylko podczas budowy instalacji. Wadą zielonego wodoru jest to, że koszty jego produkcji są nadal stosunkowo wysokie.
Szary wodór
Wodór szary jest produkowany z paliw kopalnych. Jednym z powszechnie stosowanych procesów jest reforming parowy. Jeśli do elektrolizy wykorzystywana jest zwykła energia elektryczna, a nie energia zielona, jest to również określane mianem szarego wodoru.
Dla przykładu, w Niemczech ponad połowa energii elektrycznej jest nadal pozyskiwana ze źródeł nieodnawialnych. Elektrolizery zasilane z konwencjonalnej sieci elektrycznej nie są więc neutralne dla klimatu. Wodór szary jest obecnie tańszy w produkcji niż wodór zielony i łatwiej dostępny.
Niebieski wodór
O niebieskim wodorze mówimy wtedy, gdy podczas produkcji emitowany jest CO2 (jest on jednak następnie magazynowany lub wykorzystywany). Dwutlenek węgla może być składowany np. pod ziemią. Do niektórych zastosowań w przemyśle potrzebny jest także CO2, więc mógłby być wykorzystywany do tego celu.
Ta metoda produkcji jest czasami nazywana neutralną dla klimatu. Emisje są uwalniane, ale są magazynowane. Długotrwałe skutki przechowywania dwutlenku węgla są jednak nadal nieznane.
Turkusowy wodór
W przypadku turkusowego wodoru metan w procesie termochemicznym jest rozszczepiany na wodór i węgiel stały. Jeśli węgiel pozostanie związany lub zostanie wykorzystany ponownie, a wielkie piece do samego procesu będą zasilane energią odnawialną, to również z czysto matematycznego punktu widzenia jest to proces neutralny dla klimatu. Wydobycie surowca, jakim jest metan, zazwyczaj jednak także powoduje emisję gazów cieplarnianych.
Wodór czerwony, żółty, biały, brązowy
Oprócz czterech powszechnie stosowanych kolorów wodoru w obiegu są również inne oznaczenia. Jeśli elektrolizery są zasilane energią jądrową, są czasami nazywane czerwonym, różowym lub purpurowym wodorem. Jeśli wodór jest produkowany z wykorzystaniem mieszanki energetycznej (odnawialnej i kopalnej), możemy mówić o wodorze żółtym. Kolor żółty jest jednak też czasami używany jako kod kolorystyczny dla wodoru, który pochodzi z energii jądrowej. Istnieje także biały wodór (gaz jest wtedy produktem odpadowym procesów chemicznych) i wodór brązowy (który jest produkowany w procesie gazyfikacji węgla).
Jednak najpowszechniej wykorzystywany jest wodór szary, czyli pozyskiwany z paliw kopalnych i tutaj nasuwają się pytania a neutralność klimatyczną wykorzystania szarego wodoru.
Aby technologia ogniw paliwowych mogła być powszechnie używana, potrzebne są znaczne inwestycje oraz odpowiednie wsparcie instytucjonalne i regulacje prawne. Komisja Europejska opublikowała dokument pn. „Strategia wodorowa dla Europy neutralnej dla klimatu”. Wskazuje ona na wodór jako sposób na osiągnięcie neutralności klimatycznej (UE zakłada, że kontynent nasz powinien taką neutralność osiągnąć do 2050 roku).
“Wodór odnawialny jest zasadniczym elementem naszej strategii na rzecz racjonalnego pod względem kosztów przejścia na czystą energię i wyeliminowania rosyjskich paliw kopalnych w niektórych procesach przemysłowych. Jasne zasady i wiarygodny system certyfikacji mają kluczowe znaczenie dla rozwoju i ugruntowania pozycji na tym wschodzącym rynku w Europie (…). powiedział w lutym tego roku Kadri Simson, komisarz do spraw energii.
Do rozwoju technologii wodorowych w naszej części świata, przyczyniają się nie tylko koncerny samochodowe i rządy w ramach strategii UE ale również koncerny energetyczne. Grupa Orlen, w 2021 roku, ogłosiła utworzenie Mazowieckiej Doliny Wodorowej oraz wdraża wizję powszechnej produkcji i zastosowania wodoru w kolei, transporcie publicznym, ciężarowym, osobowym, morskim i lotniczym.
Graf wodór orlen
Strategia wodorowa Grupy ORLEN do 2030 roku
Kalifornia promuje wodór
W kwestii popularyzacji technologii ogniw paliwowych, warto spojrzeć na innowacyjne, ambitne, a przy tym bardzo konsekwentne działania władz stanu Kalifornia w USA. Gubernator Arnold Schwarzenegger, podczas pełnienia urzędu, wdrażał strategię neutralności klimatycznej transportu, również opartą o wykorzystanie wodoru (Schwarzenegger sam poruszał się Hummerem H2 napędzanym wodorem). Kolejni Gubernatorzy Kalifornii: Jerry Brown oraz Gavin Newsom kontynuują politykę powszechnego wykorzystania ogniw paliwowych w transporcie.
Kalifornijska organizacja CaFCP (Californian Fuel Cell Partnership) obejmująca organy rządowe, takie jak Kalifornijska Rada ds. Zasobów Powietrza (CARB), amerykański Departament Efektywności Energetycznej i Energii Odnawialnej oraz Biuro Gubernatora stanu Kalifornia ds. Biznesu i Rozwoju Gospodarczego intensywnie pracuje nad regulacjami i rekomendacjami w zakresie napędów wodorowych (w skład CaFCP wchodzą również międzynarodowe koncerny, takie jak Ford, Hyundai, Shell Hydrogen, Cummins, Toyota, Air Liquide i General Motors).
Dokument CaFCP zatytułowany „Ciężarówki z ogniwami paliwowymi: wizja transportu towarowego w Kalifornii i poza nią” jasno pokazuje kierunki polityki rządu i działalności biznesowej na zachodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych.
Elektryczne ciężarówki z ogniwami paliwowymi są optymalną alternatywą ciężarówek z silnikiem Diesla. (…) Ambitna polityka środowiskowa stanu Kalifornia wyznaczyła wysokie cele w zakresie redukcji emisji gazów cieplarnianych w sektorze transportu. – Możemy osiągnąć te cele tylko poprzez współpracę między rządem a przemysłem prywatnym oraz poprzez politykę, która zachęca i przyciąga inwestycje” – powiedział Bill Elrick, dyrektor generalny CaFCP.
Wodorowe autobusy cieszą się coraz większym powodzeniem. Fot. Solaris
Podobnego zdania są Europejscy eksperci jak np. Profesor Volker Quaschning z Wyższej Szkoły Technicznej i Gospodarczej (HTW) w Berlinie specjalizujący się w badaniach nad odnawialnymi systemami energetycznymi dodał, że wodór będzie stosowany: “przede wszystkim w samochodach pokonujących dziennie duże odległości. Do zwykłego użytku z dużym prawdopodobieństwem stosowane będą auta elektryczne wyposażone w akumulator. Dla środowiska nie wynikną z tego żadne negatywne skutki”.
Alternatywa jest, ale dość odległa
Wracając do pytania czy ogniwa wodorowe to realna alternatywa dla baterii, można powiedzieć, że zdecydowanie tak. Postęp technologiczny i wielomiliardowe inwestycje przyczynią się do zmniejszenia koszów związanych z produkcją wodoru wykorzystywanego w motoryzacji. To z kolei przełoży się na znaczny wzrost ilości wodorowych elektryków jeżdżących po naszych drogach, szczególnie tych długodystansowych. Wodór znajduje zastosowanie również w kolejnictwie, transporcie wodnym, czy pasażerskim (autobusy). Na razie przewagę mają napędy, których źródłem zasilania jest energia elektryczna pozyskiwana z akumulatorów trakcyjnych, których jest dziś zdecydowanie więcej na świecie. Pozostaje jeszcze bardzo ważna kwestia zbudowania całej infrastruktury tankowania wodoru, której jest dziś jak na lekarstwo. Alternatywa jest, ale na jej pojawienie się na masową skalę jeszcze trochę poczekamy.
elektromobilni.pl
