Technologia ogniw paliwowych (H2) w samochodach wodorowych.

Samochody wodorowe wykorzystują paliwo wodorowe jako źródło zasilania. Chociaż technologia ta jest wykorzystywana w rakietach i innych pojazdach transportowych, wygląda na to, że będzie miała największy wpływ na samochody w przyszłości. Obok energii elektrycznej, wodór, wydaje się być jedyną alternatywą na rynku, która rozwijana jest przez większość producentów pojazdów.

Energia chemiczna wodoru jest przekształcana w energię mechaniczną poprzez reakcję REDOX (redukcja/utlenianie) pomiędzy wodorem i tlenem w specjalnie opracowanym ogniwie paliwowym.

Produkcja wodoru.

Ponieważ wodór nie znajduje się w zbiornikach ani złożach naturalnych, jak w przypadku paliw kopalnych, musi być produkowany z gazu ziemnego, biomasy lub poddawany elektrolizie z wody. Jedną z zalet energii wodorowej jest zmniejszenie emisji gazów cieplarnianych, zwłaszcza gdy gaz jest wytwarzany przy użyciu odnawialnej energii elektrycznej do konwersji wody w wodór. Mowa wtedy o zielonym wodorze.

Chociaż wodór można wytwarzać z paliw kopalnych, takich jak gaz ziemny, powoduje to emisje gazów cieplarnianych, co eliminuje lub minimalizuje korzyści dla środowiska. Dlatego odpowiedzią wydają się być odnawialne źródła energii, np. w Islandii, gdzie do produkcji wodoru wykorzystuje się energię geotermalną, czy w Danii, gdzie wykorzystuje się energię wiatru.

Samochody wodorowe – jak działają wodorowe ogniwa paliwowe?

Wodorowe ogniwo paliwowe przekształca potencjalną energię chemiczną w energię elektryczną za pomocą membrany do wymiany protonów (PEM), która wykorzystuje gazowy wodór (H2) i tlen (O2). Ponieważ jednak tlen jest łatwo dostępny w atmosferze, do ogniwa paliwowego wystarczy tylko wodór niezbędny do zasilania pojazdu.

Wodorowe ogniwa paliwowe składają się z ujemnie naładowanej katody i dodatnio naładowanej anody, które stykają się z elektrolitem. Elektrolit to membrana do wymiany protonów, specjalnie przetworzony materiał. Gazowy wodór wchodzi do ogniwa paliwowego po stronie anody i jest przepychany przez katalizator pod ciśnieniem. PEM przewodzi tylko dodatnio naładowane jony, blokując elektrony. Anoda przewodzi elektrony, które zostały uwolnione z cząsteczek wodoru, przez obwód zewnętrzny. Elektrony te dostarczają mocy do napędzania silnika elektrycznego, żarówek i tak dalej.

Tymczasem tlen jest przetłaczany przez katalizator od strony katody, gdzie ujemny ładunek atomów przyciąga atomy wodoru, które zostały przepchnięte przez obwód zewnętrzny, zanim jony wodoru i tlen połączą się, tworząc wodę.

Poniższe równanie wodorowego ogniwa paliwowego pokazuje ten proces:

O2 + 4H+ + 4e– → 2H2O

2H2 → 4H+ + 4e–

2H2 + O2 → 2H2O (reakcja netto)

Wodorowe ogniwa paliwowe różnią się i wykorzystują różne materiały na katalizator, głównie nanocząstki platyny. Te nanocząstki skierowane są do PEM, a katalizator jest szorstki i porowaty, aby wystawić maksymalną powierzchnię na działanie wodoru lub tlenu.

Ogniwa paliwowe są umieszczane razem w stosach. Stosy są osadzone w module obejmującym zarządzanie paliwem, wodą i powietrzem oraz sprzęt i oprogramowanie do sterowania chłodziwem.

Zalety i wady wodorowych ogniw paliwowych – samochody wodorowe.

Wodorowe ogniwa paliwowe mają zarówno zalety, jak i wady w porównaniu z tradycyjnymi silnikami. Ogniwa paliwowe są nie tylko bardziej niezawodne ze względu na brak części ruchomych, ale także są bardziej wydajne. Ta większa wydajność wynika z tego, że chemiczna energia potencjalna jest przekształcana bezpośrednio w energię elektryczną, a nie musi być najpierw przekształcana w ciepło, a następnie ponownie w pracy mechanicznej – co jest znane jako „wąskie gardło” termiczne. Emisje z samochodów z wodorowymi ogniwami paliwowymi również są czystsze niż z tradycyjnych silników, ponieważ emitują tylko wodę i trochę ciepła, a nie mnóstwo gazów cieplarnianych związanych z tradycyjnymi silnikami spalinowymi. Obrazki pokazujące dziennikarzy, którzy piją wodę z rury wydechowej Toyoty Mirai stały się już kultowymi zasobami internetu.

Jednak z wodorowymi ogniwami paliwowymi wiąże się wiele wyzwań, w tym koszty produkcji. Wynika to przede wszystkim z kosztów rzadkich substancji, takich jak platyna, wymaganych w katalizatorze. Najwcześniejsze projekty ogniw paliwowych również miały problemy z wydajnością w niskich temperaturach – jednak późniejsze modyfikacje technologii umożliwiły rozwiązanie tego problemu. Żywotność ogniw paliwowych jest teraz porównywalna z żywotnością innych źródeł zasilania pojazdów.

Magazynowanie wodoru.

Pojawiły się obawy dotyczące przechowywania wodoru w samych samochodach. Po wpompowaniu do samochodu gaz jest przechowywany w butli wysokociśnieniowej, co prowadzi niektórych do obaw o bezpieczeństwo przechowywania łatwopalnego gazu w pojeździe. Jednak wszystkie samochody na rynku muszą przejść rygorystyczne testy bezpieczeństwa. Dopuszczone w Polsce do użytkowania Toyoty Mirai, czy Hyundai NEXO, to pojazdy w 100% bezpieczne.

W zakresie transportu prowadzono badania związane z wykorzystaniem boranu amoniaku, związku magazynującego wodór, od którego wodór można oddzielić za pomocą membrany. Zapewnia to korzyści transportowe, ponieważ amoniak łatwiej jest bezpiecznie przechowywać w cysternach niż czysty wodór. Badania te nadal są prowadzone i w przyszłości być może przyczynią się do zmniejszenia zapotrzebowania na stosunkowo duże butle potrzebne do magazynowania wodoru.

Oprócz zbiorników na paliwo w pojazdach i w transporcie, wodór należy przechowywać na stacjach paliw wodorowych. Niska energia zapłonu w połączeniu z wysoką energią spalania wodoru oraz faktem, że gaz ma tendencję do wyciekania ze zbiorników, doprowadziły do ​​wybuchów na stacjach tankowania wodoru. Ponownie jest to oczywisty czynnik, którym należy się zająć przed powszechnym stosowaniem pojazdów wodorowych.

Infrastruktura wodorowa a rynek samochody wodorowe.

Aby samochody na wodorowe ogniwa paliwowe stały się transportem przyszłości, istnieje realna potrzeba poprawy infrastruktury wokół pojazdów. Będzie to wymagało zwiększenia liczby globalnych stacji paliw wodorowych, które będą musiały być zaopatrywane przez naczepy rurowe ze sprężonym wodorem, cysterny z ciekłym wodorem, rurociągi wodorowe lub, alternatywnie, korzystać z jakiejś formy dedykowanej produkcji na miejscu. Stworzenie takiej infrastruktury odpowiadającej potrzebom konsumenta może okazać się kosztowne, nawet jeśli niektórzy proponują stworzenie domowych stacji paliw wodorowych. Niestety, ten element jest absolutnie kulawy w Polsce gdzie nie mamy żadnej ogólnodostępnej stacji tankowania wodoru. Najbliższa znajduje się w Berlinie (stan na Q3 2021).

Koszt i produkcja pojazdu.

Samochody napędzane wodorem są obecnie drogie w zakupie, a pierwszymi, które trafiły na rynek, są Toyota Mirai, Hyundai Nexo i Honda Clarity. Nie tylko bieżące koszty mogą przekroczyć cenę wejścia wynoszącą około 250 000 PON brutto+, ale tempo produkcji tych pojazdów jest nadal stosunkowo niskie, co oznacza potencjalnie długie oczekiwanie na złożenie zamówienia na samochód. Jednak wraz ze wzrostem liczby firm chcących wejść na rynek samochodów z wodorowymi ogniwami paliwowymi ceny powinny z czasem zacząć spadać, tak jak ma to miejsce w przypadku większości nowych technologii.

Samochody wodorowe – plusy technologii wodorowych:

Tańszy podatek

Podobnie jak pojazdy z napędem elektrycznym i hybrydy typu plug-in, samochody na wodorowe ogniwa paliwowe są „pojazdami o bardzo niskiej emisji”, co oznacza, że ​​są klasyfikowane w przedziale niskich podatków. Ponadto brak emisji CO2 oznacza, że ​​właściciele nie będą musieli płacić podatku akcyzowego od pojazdu.

Koszty przejazdu

Osoby, które podróżują po centrach dużych miast z pewnością docenią, że auta typu FHEV (Fuel-Cell Hybrid Electric Vehicle) korzystają z tych samych przywilejów co pojazdy elektryczne.

Środowisko naturalne

Jak już wspomniano, brak szkodliwych emisji powoduje, że samochody na wodorowe ogniwa paliwowe są bardziej przyjazne dla środowiska. Ta korzyść musi być określona przez sposób produkcji wodoru, przy czym najbardziej korzystne są odnawialne źródła energii. Jednak nawet tam, gdzie do produkcji wodoru wykorzystywane są paliwa kopalne, nadal generuje mniej szkodliwych emisji niż spalanie benzyny lub oleju napędowego. Ponadto samochody wodorowe unikają problemów środowiskowych związanych z wydobyciem benzyny lub oleju napędowego do tradycyjnych silników spalinowych.

Zasięg

Niepokój o zasięg stał się czynnikiem w przypadku pojazdów elektrycznych, nawet przy nowych technologiach, które znacznie skróciły czas ładowania. Jest to jednak mało prawdopodobne w przypadku samochodów wodorowych, które mogą przejechać 500 km z jednego zbiornika.

Samochody wodorowe – minusy technologii wodorowych:

Napełniać

Przy bardzo niewielu istniejących stacjach tankowania wodoru, tankowanie pojazdu jest teraz prawdziwym problemem. Jednak PKN Orlen intensywnie zabiera się za wytwarzanie wodoru, a Rząd powołał w Polsce dwie doliny wodorowe, których celem jest produkcja ekologicznego wodoru.

Koszty eksploatacji

Oprócz znalezienia miejsca do zatankowania, istnieją również obawy dotyczące kosztów paliwa. Ponieważ wodór jest obecnie droższy niż benzyna czy olej napędowy, prowadzenie samochodu na wodór może przynajmniej na razie nie być opłacalne finansowo.

Zbiorniki paliwa w samochodach wodorowych

Jak wspomniano w części dotyczącej przechowywania wodoru (powyżej), istnieją pewne obawy dotyczące bezpieczeństwa jazdy ze zbiornikiem wypełnionym wysoce łatwopalnym gazowym wodorem. Chociaż jest wysoce palny, podobnie jest z benzyną, a zbiorniki wykorzystywane do wodoru zostały zaprojektowane tak, aby były szczególnie wytrzymałe. Chociaż zwiększa to wagę i koszty pojazdów, muszą one spełniać normy bezpieczeństwa, zanim zostaną udostępnione na rynku, co oznacza, że ​​tak naprawdę nie powinno to stanowić problemu.