Autor: Grażyna Śleszyńska

Analizuje zjawiska makroekonomiczne i polityczne. Współtworzyła Forum Ekonomiczne w Krynicy

Czy wodór zdetronizuje napęd elektryczny samochodów?

Długi czas ładowania, wysoka cena, nadmierna waga, wreszcie rzadkość występowania litu i kobaltu –akumulatory używane w samochodach elektrycznych są główną przeszkodą w rozwoju tego typu napędu. Dlatego koncerny motoryzacyjne pracują nad ogniwami, które wykorzystują wodór.
Czy wodór zdetronizuje napęd elektryczny samochodów?

(©Envato)

Ogniwo paliwowe a ogniwo galwaniczne

Wodór jest podstawowym paliwem stosowanym w ogniwach z membraną do wymiany protonów PEMFC (ang. Proton Exchange Membrane Fuel Cell), przeznaczonych do napędu samochodów i przenośnej elektroniki. Wodorowe ogniwo ma dwie główne zalety w porównaniu z ogniwem galwanicznym (akumulatorem). Po pierwsze, nie musi uzupełniać zapasu energii przez wiele godzin. Tankowanie wodoru trwa kilka minut, a energia elektryczna jest generowana na bieżąco podczas pracy silnika. Po drugie, może magazynować nadmiar energii elektrycznej w postaci energii chemicznej wodoru.

Wodór jest jednym z filarów unijnego Zielonego Ładu, torującym drogę do gospodarki neutralnej klimatycznie w perspektywie 2050 r. poprzez eliminację paliw kopalnych z transportu.

Ogniwo paliwowe składa się z elektrody ujemnej (anody) i z elektrody dodatniej (katody), rozdzielonych elektrolitem w postaci membrany polimerowej. Do cylindra anody pompowany jest wodór ze zbiornika, a do cylindra katody – sprężone powietrze. Na anodzie wodór ulega utlenieniu, czyli rozpada się na elektrony i protony w postaci kationów wodorowych. Uwolnione elektrony płyną do katody przez obwód elektryczny, wytwarzając prąd zasilający układ napędowy. Na katodzie wiążą się z tlenem z powietrza dostarczanego za pomocą sprężarki i ulegają redukcji do anionów tlenkowych. Z kolei kationy wodorowe, czyli protony powstające w wyniku utlenienia cząsteczki wodoru, przenikają w obszar katody przez membranę i reagują z anionami tlenkowymi. Jedynym produktem ubocznym reakcji jest para wodna.

Taksonomia, czyli jak UE standaryzuje definicję zrównoważonych aktywów

Unijna strategia budowy gospodarki wodorowej

Wodór jest jednym z filarów unijnego Zielonego Ładu, torującym drogę do gospodarki neutralnej klimatycznie w perspektywie 2050 r. poprzez eliminację paliw kopalnych z transportu, ale także z gałęzi trudnych do dekarbonizacji, takich jak hutnictwo i przemysł chemiczny. W lipcu 2020 r. światło dzienne ujrzał dokument pt. „Budowa gospodarki wodorowej dla neutralnej klimatycznie Europy”, będący roboczą wersją unijnej strategii. Komisja Europejska zapowiada w nim, że podejmie działania, by do 2050 r. wodór stanowił 12 – 14 proc. miksu energetycznego Wspólnoty.

Obecnie głównym źródłem wodoru na świecie jest proces określany jako „reforming parowy gazu ziemnego”. Towarzysząca mu emisja dwutlenku węgla jest jednak niewiele mniejsza niż w silniku spalinowym. Dlatego pozyskiwany tą drogą wodór jest potocznie nazywany „szarym”. Nieco mniej szkodliwym dla środowiska sposobem, bo wykorzystującym technologię sekwestracji (wychwytywanie i składowanie) CO2, jest piroliza metanu. Gaz ziemny (stąd nazwa: wodór „błękitny”) jest podgrzewany do wysokich temperatur, by oddzielić wodór od węgla, który przyjmuje postać stałą i może być dalej wykorzystywany jako surowiec. Prawdziwą alternatywą dla „szarego” wodoru jest jednak wodór „zielony”, pozyskiwany z nadwyżki energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych i poddawanej procesowi elektrolizy wody, czyli rozpadu na wodór i tlen. Podłączenie turbin wiatrowych/paneli słonecznych do elektrolizerów, które rozszczepiają wodę na składniki pierwsze, pozwoliłoby magazynować energię, gdy pojawia się jej nadprodukcja z OZE.

Alternatywą dla „szarego” wodoru jest wodór „zielony”, pozyskiwany z nadwyżki energii elektrycznej pochodzącej ze źródeł odnawialnych.

Komisja Europejska stawia na rozwój „zielonego” wodoru, który ciągle jest rzadkością, dopuszczając jednocześnie niskoemisyjny wodór „błękitny” (związane z nim emisje są niwelowane za pomocą technologii wychwytywania i składowania dwutlenku węgla) i całkowicie odrzucając „szary”.

Autorzy unijnej strategii wodorowej przyjęli optymistyczne założenie, że około połowę dotychczasowej produkcji wodoru z paliw kopalnych można zamienić na niskoemisyjną („błękitny” wodór). Europejscy Zieloni twierdzą, że szacunki te są zawyżone pod dyktando gazowego lobby. Ich zdaniem to lobby wpływa na komisarza ds. klimatu i wiceprzewodniczącego Komisji Europejskiej, Fransa Timmermansa. Międzynarodowe Stowarzyszenie Producentów Ropy i Gazu (IOGP) przestrzega, że unijna strategia dotycząca wodoru będzie skazana na niepowodzenie, jeśli skupi się wyłącznie na produkcji wodoru z OZE, z pominięciem innych niskoemisyjnych źródeł, takich jak atom i piroliza metanu.

Komisja Europejska stawia na rozwój „zielonego” wodoru, dopuszczając jednocześnie niskoemisyjny wodór „błękitny” i całkowicie odrzucając „szary”.

Jednym z warunków powodzenia rewolucji wodorowej jest obniżenie ceny gazu do 1 – 2 euro za kilogram (1 kg wodoru pozwala przejechać ok. 100 km). Bruksela chce osiągnąć ten cel poprzez zagęszczenie sieci elektrolizerów na obszarze całej Wspólnoty i wzrost mocy zainstalowanej do co najmniej 40 GW w ciągu najbliższej dekady. Kwota inwestycji w elektrolizery ma wynieść w ciągu 10 lat 13 – 15 mld euro. Dodatkowo potrzebne jest 50 – 150 mld euro do zainwestowania w energię wiatrową i słoneczną przeznaczoną do produkcji wodoru. Z kolei na transport i magazynowanie wodoru oraz stacje do tankowania UE wyda 120 – 130 mld euro. Istniejąca infrastruktura gazu ziemnego i LNG zostanie poddana przeglądowi pod kątem rozszerzenia spektrum jej zastosowania o wodór, żeby zoptymalizować koszty. Całościowy wolumen inwestycji w budowę adekwatnych mocy produkcyjnych wodoru do 2050 r. może wynieść blisko 0,5 bln euro.

Wodór w motoryzacji potrzebuje wsparcia

Niska wydajność wodorowych ogniw paliwowych

Z punku widzenia konsumenta kluczową sprawą są koszty eksploatacji. Te zaś zależą od wydajności paliwa, czyli, inaczej mówiąc, sprawności cieplnej silnika. Nowoczesne silniki benzynowe mają sprawność na poziomie 40 proc., a wysokoprężne (Diesla) około 50 proc. Lepszą sprawnością mogą pochwalić się silniki elektryczne o zasilaniu akumulatorowym. W fazie przesyłu z sieci elektroenergetycznej do akumulatora straty wynoszą 8 proc., natomiast w fazie przetwarzania energii elektrycznej w energię mechaniczną pojazdu 18 proc. W zależności od modelu efektywność zasilania akumulatorowego wynosi więc od 70 do 80 proc.

Koszty eksploatacji zależą od wydajności paliwa, czyli od sprawności cieplnej silnika.

Taki wynik daje sporą przewagę nad autami o zasilaniu wodorowym, gdzie aż 45 proc. energii zostaje utracone w procesie wodorotwórczej elektrolizy wody, a z pozostałych 55 proc. znowu ponad połowa ginie podczas zamiany utlenionego wodoru w energię elektryczną podczas jazdy. W efekcie sprawność silnika elektrycznego z ogniwem wodorowym oscyluje od 35 do 40 proc. i jest dwukrotnie mniejsza niż w autach z motorem zasilanym prądem z akumulatora.

Połowę ceny ogniwa paliwowego stanowi koszt platyny

600-kilometrowy zasięg przy kilkuminutowym ładowaniu brzmi kusząco, ale cena odstrasza. Dwa modele: Hyundai Nexo i Toyota Mirai to wydatek rzędu 70 tys. euro. Jedną z przyczyn tak wysokiej ceny aut z ogniwami wodorowymi jest wykorzystywanie platyny, która odgrywa rolę katalizatora reakcji utleniania wodoru i odpowiada za 50 proc. kosztów produkcji ogniwa paliwowego. Naukowcy z Uniwersytetu Karola w Pradze opatentowali i powoli komercjalizują technologię katalizatorów cienkowarstwowych, pozwalającą na maksymalne zwiększenie wydajności platyny stosowanej w ogniwach. Innym wyzwaniem jest opracowanie funkcjonalnego elektrolitu protonowego. Nawet taka rzecz jak zbiornik wymaga wyrafinowanej konstrukcji. Do przechowywania wodoru pod ciśnieniem 700 barów niezbędne są bowiem ultrawytrzymałe butle, do budowy których zużywa się około 40 kg włókna węglowego na sztukę. Stawką w grze o rozwój napędu wodorowego są innowacje umożliwiające obniżenie ceny ogniwa paliwowego. Tymczasem producenci stawiający na auta elektryczne nie zasypiają gruszek w popiele: na osi czasu można zauważyć spadek kosztów produkcji baterii samochodowych (w 2010 r. akumulator litowo-jonowy kosztował 1065 euro/1 kWh, a obecnie już tylko 140 euro).

Platyna odpowiada za 50 proc. kosztów produkcji ogniwa paliwowego.

Czy cena ogniwa paliwowego kiedykolwiek zrówna się z ceną akumulatora? Pytanie bardzo zasadne, bo zdaje się, że nawet koncerny motoryzacyjne już zwątpiły. Niemiecki Daimler zawiesił plany komercjalizacji Mercedesa GLC F-Cell, hybrydy, która stanowi połączenie pojazdu elektrycznego typu plug-in oraz technologii wodorowej. Nie oznacza to, że porzuca badania nad wodorem: będzie koncentrował się na samochodach dostawczych, bo o ile właściciele aut osobowych są w stanie dostosować się do ograniczeń akumulatora, to przedsiębiorstwa dysponujące wielkimi flotami nie mogą sobie pozwolić na wielogodzinne unieruchomienie, niezbędne do ładowania ogromnych akumulatorów. Podobnie uczyniła Honda. Volkswagen z kolei stawia na napęd elektryczny w postaci hybrydy plug-in, czyli z napędem spalinowo-elektrycznym, i możliwością ładowania baterii prosto z sieci elektrycznej. Tę ścieżkę obrała też francuska Grupa PSA (Opel, Peugeot, Citroen, DS) i koreańska Kia. Tymczasem BMW przygotowuje się do premiery swojego pierwszego auta o napędzie wodorowym. Na placu boju pozostają też: japońska Toyota z drugą generacją modelu Mirai i koreański Hyundai z Nexo.

Wielkie innowacje wymagają czasu i pieniędzy

Odległa perspektywa sukcesu

Wodór jest atrakcyjną alternatywą dla zasilania akumulatorowego, lecz wciąż tylko w teorii. Na razie samochody z ogniwami paliwowymi są tylko pokazem możliwości technologicznych. Fundamentalną przeszkodą jest faktyczny brak stacji do tankowania wodoru. Najwięcej, około stu, jest w Japonii. Na drugim miejscu pozycjonują się Stany Zjednoczone z 46 stacjami, z których niemal wszystkie znajdują się w bogatej Kalifornii. W Europie bezkonkurencyjna jest Norwegia. W ramach słynnego, pionierskiego projektu HyNor na południu kraju powstała sieć stacji, w których produkcja wodoru odbywa się na miejscu (za pomocą elektrolizerów zasilanych przez panele słoneczne). Pojedyncze testowe stacje można spotkać we Włoszech, Hiszpanii i w Niemczech.

W przyszłości wykorzystanie wodoru będzie się opłacało w przypadku samochodów ciężarowych i autobusów oraz na dalekich trasach, gdzie pierwszoplanową rolę odgrywają: masa akumulatora, zasięg i czas tankowania. Nawet miliardy euro inwestycji w rozwój technologii oraz infrastruktury wodorowej, które popłyną z Komisji Europejskiej w perspektywie kolejnych 30 lat, nieprędko to zmienią.

(©Envato)

Otwarta licencja


Tagi


Artykuły powiązane

Wielkie innowacje wymagają czasu i pieniędzy

Kategoria: Ekologia
Elektryczne ciężarówki, samochody dostawcze z napędem wodorowym, produkcja cementu z użyciem CO2, czy bezemisyjne wytwarzanie stali – w laboratoriach testowane są rozwiązania pozwalające światu rozwijać się z mniejszymi stratami energii i środowiska. Ich dojrzewanie wymaga jednak wiele czasu i pieniędzy.
Wielkie innowacje wymagają czasu i pieniędzy

Energetyczna rewolucja: czekają nas problemy czy świetlana przyszłość?

Kategoria: Analizy
Szybko rosnący udział odnawialnych źródeł w produkcji energii elektrycznej wywraca sektor energetyczny do góry nogami. Jedni wieszczą, że skończy się to katastrofą, wielkimi awariami zwanymi blackoutami. Inni mówią, że czeka nas świetlana przyszłość.
Energetyczna rewolucja: czekają nas problemy czy świetlana przyszłość?

Czas tańszej energii dobiega końca

Kategoria: Ekologia
Cena ropy wydźwignęła się już powyżej 30 dolarów za baryłkę. Znak to, że wybudzana z letargu gospodarka światowa na nowo zużywa więcej energii. Koszty ponownie wzrosną. Wyższe rachunki za energię to raczej reguła w większości krajów Unii Europejskiej. W Polsce łatwiej o obniżki cen energii elektrycznej niż gazu ziemnego.
Czas tańszej energii dobiega końca