Czy wodorowe ogniwa paliwowe mogą wyprzedzić akumulatory pojazdów elektrycznych jako przyszłe źródło zasilania?

W branży motoryzacyjnej panuje coraz większa zgoda co do tego, że przyszłością transportu lądowego jest napęd elektryczny. Jednak gdy e-mobilność ponownie pojawiła się jako koncepcja (nie zapominajmy, że u zarania ery motoryzacji ICE i samochody elektryczne współistniały), toczy się debata na temat sposobu zasilania silnika elektrycznego w energię elektryczną? Pierwszą opcją jest użycie akumulatorów w samochodzie – obecnie zdecydowanie bardziej popularna opcja. Jest jednak inny sposób w przypadku wodorowych ogniw paliwowych.

Co to jest ogniwo paliwowe?

Zauważając niską zawartość energii w obecnej technologii akumulatorów, niektórzy zasugerowali inne podejście. Wytwarzanie energii elektrycznej na pokładzie samochodu bez konieczności stosowania ciężkich i nieporęcznych akumulatorów. Technologia ta nie jest tak naprawdę nowa, ponieważ po raz pierwszy została zastosowana w latach 60. XX wieku przez NASA do wytwarzania energii elektrycznej podczas misji Gemini i Apollo na Księżyc. Istnieje kilka różnych typów ogniw paliwowych, ale w przemyśle motoryzacyjnym stosuje się prawie wyłącznie ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC).

Jak zatem wytwarzać energię elektryczną w ogniwie paliwowym? Jest to stosunkowo prosty proces. Ogniwo paliwowe składa się z trzech głównych części. Anoda, katoda i separator. Do anody H2 jest doprowadzany ze zbiornika. H2 składa się z dwóch elektronów i dwóch protonów. Dodatnio naładowane protony przechodzą przez separator, podczas gdy ujemnie naładowane elektrony przemieszczają się przez obwód zewnętrzny, tworząc w ten sposób prąd elektryczny.

Na katodzie tlen powietrza atmosferycznego spotyka się z protonami wodoru, które wcześniej przeszły przez separator, i elektronami obwodu zewnętrznego. W wyniku tej kombinacji powstaje woda, która jest następnie usuwana z rury wydechowej samochodu. Rura wydechowa, z której można pić!

Produkcja wodoru

Wodór jest najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, ale na Ziemi nie występuje w postaci wolnej. Oznacza to, że musimy znaleźć sposób na jego zdobycie. Obecnie istnieją 3+1 sposoby produkcji wodoru.

Szary wodór, jak się go nazywa, jest wytwarzany w procesie reformingu parowego gazu ziemnego. Gaz ziemny jest bombardowany bardzo gorącą parą wodną pod wysokim ciśnieniem. W wyniku tej reakcji powstaje H2 i CO2. Ten sposób wytwarzania wodoru jest najmniej przyjazny dla środowiska.

Niebieski wodór bardzo przypomina szary wodór, z tą różnicą, że w procesie produkcyjnym zintegrowane są systemy wychwytywania i składowania dwutlenku węgla (CCS), które zapobiegają przedostawaniu się uwolnionego CO₂ do atmosfery.

Trzecią metodą produkcji jest elektroliza, w wyniku której powstaje zielony wodór. Metoda ta działa odwrotnie niż w przypadku ogniwa paliwowego: prąd elektryczny rozkłada cząsteczki wody na gazy składowe – wodór i tlen.

Podejście „+1” znane jest jako turkusowy wodór. W tej technice gaz ziemny przepuszcza się przez kąpiel stopionego metalu, w wyniku czego otrzymuje się wodór i stały węgiel. Choć koncepcja jest obiecująca, nie wprowadzono jej jeszcze na skalę komercyjną.

Spośród istniejących opcji zielony wodór jest najbardziej obiecujący w zakresie zrównoważonej produkcji o niskim wpływie na środowisko, pod warunkiem, że energia elektryczna napędzająca proces pochodzi ze źródeł odnawialnych, takich jak energia wiatrowa lub słoneczna.

Stany wodorowe

Istnieją dwa możliwe stany wodoru, które można zastosować. Forma gazowa i płynna, obie mają swoje zalety i wady.

Ponieważ wodór jest najmniej gęstym pierwiastkiem we wszechświecie, aby zastosować go w samochodzie, należy go mocno sprężyć. W obecnych zastosowaniach wodór jest sprężany do 700 barów. To duża presja i potrzebne są do tego specjalne i drogie zbiorniki.

Inną alternatywą jest forma płynna. Jednak aby skroplić wodór, należy go schłodzić do temperatury 20°C powyżej zera absolutnego – czyli minus 253°C. Oczywiste jest, że aby uzyskać obie formy wodoru, musimy zużyć energię – albo do bardzo wysokiego sprężania, albo do chłodzenia.

Zaleta stosowania wodoru jest jednak ogromna – 1 kg wodoru niesie ze sobą 33,3 kWh energii. Oznacza to, że przenosi 167 razy więcej energii na kilogram niż najbardziej zaawansowany obecnie akumulator!

Baterie kontra wodór

Jaki jest zatem najbardziej preferowany sposób? Przewozić energię elektryczną czy produkować ją w samochodzie? Wydaje się, że przemysł motoryzacyjny faworyzuje obecnie zestawy akumulatorów z kilku powodów.

Po pierwsze, wydajność PEMFC wynosi około 60%. Reforming parowy gazu ziemnego jest skuteczny na poziomie 70%, a elektroliza na poziomie 75%. Sprężanie wodoru jest skuteczne na poziomie około 89%, a jego upłynnianie na poziomie około 66%. W poniższej tabeli podsumowano i porównano wszystkie straty pomiędzy akumulatorami i wodorem. W przypadku wodoru zastosowano najbardziej efektywne scenariusze.

Dane pochodzące z powyższej tabeli wskazują, że technologia ogniw paliwowych zapewnia profil wydajności niemal identyczny z profilem pojazdów benzynowych z silnikiem spalinowym (ICE). Biorąc pod uwagę obecny stan rzeczy, zastosowanie ogniw paliwowych w samochodach osobowych oferuje niewielkie korzyści praktyczne. W rezultacie większość producentów samochodów preferuje podejście oparte na akumulatorach, pomimo nieodłącznych ograniczeń.

Warto także podkreślić, że przebycie równoważnego dystansu wiąże się z kosztami tankowania wodoru od siedmiu do ośmiu razy wyższych niż ładowanie pojazdu elektrycznego w domu. Chociaż wodór może znaleźć niszę w transporcie ciężkich ładunków ze względu na wyjątkową gęstość energii, potencjał ten zależy od opracowania zrównoważonych metod jego produkcji.