Nafta- out! Fuel Cell czy baterie? Królem zostanie lit…?

Nafta- out! Fuel Cell czy baterie? Królem zostanie lit…?

Ponad pół wieku temu General Motors stworzyło pierwszy samochód, wykorzystujący wodorowe ogniwo paliwowe jako źródło mocy. Teraz firma zapowiedziała stworzenie całej linii nowych pojazdów elektrycznych, w tym także wodorowych. Powrót giganta do tej technologii każe zadać kilka ważnych pytań, a najważniejsze brzmi: wodór czy baterie? – takie pytanie stawia Onet.pl.
Jeszcze w latach 40. XIX wieku udowodniono, że można wytworzyć energię elektryczną dzięki reakcji tlenu i wodoru, wykorzystując platynę jako katalizator. Musiało minąć jednak wiele dziesięcioleci, zanim ktoś znalazł praktyczne zastosowanie tego pomysłu.
W 1959 r. amerykańska firma Allis-Chalmers zaprezentowała traktor, wykorzystujący ponad tysiąc wodorowych ogniw paliwowych jako źródło energii dla silników elektrycznych. Trudno jednak było nazwać tę maszynę użyteczną, oferowała ona zaledwie 20 KM mocy.
W tym samym czasie technologią wodorową zainteresowała się NASA i ostatecznie ogniwa paliwowe z powodzeniem wykorzystano do zasilania systemów pokładowych w amerykańskich wahadłowcach kosmicznych.
Pierwszy samochód osobowy, napędzany ogniwem paliwowym General Motors pokazało w 1966 r. Electrovan oferował niezły zasięg i prędkość maksymalną, ale miał bardzo dużą wadę. Była nią sama instalacja, która bardziej przypominała pracownię bimbrownika niż silnik samochodowy i zajmowała większość wnętrza. Były tam zbiorniki na tlen i wodór, a także prawie 170 metrów rur. W efekcie sporej wielkości pojazd dla sześciu osób mieścił ledwie dwie i nawet one nie miały dla siebie wiele miejsca.
Podczas prac nad pojazdem General Motors doszło do eksplozji wodoru. Nikt nie ucierpiał, choć kawałki pierwszego prototypu znajdowano nawet 400 m od miejsca wybuchu. Electrovan, jak można się domyślić, nie wszedł do produkcji seryjnej, za to można go podziwiać w muzeum w Los Angeles.
Prace nad rozwojem ogniw trwały, ale długo nikt nie podejmował się prób stworzenia opartego na tej technologii samochodu. Dopiero w 1992 r. własne prace rozwojowe zaczęła Toyota.
Od tego czasu minęło 25 lat i w tej chwili samochody, wykorzystujące ogniwa paliwowe można w niektórych krajach kupić w salonach. Dostępne są Honda Clarity FCV, Toyota Mirai i Hyundai Tucson. Nad własnymi pojazdami tego typu pracują jednak chyba wszyscy – BMW, Audi, Mercedes, Ford, czy General Motors.
Wykorzystanie ogniwa paliwowych nie kończy się na samochodach. Dość często wykorzystuje się wodorowe wózki widłowe, a z tej technologii korzystają także niektóre najnowsze okręty podwodne, jak niemiecki Type 212.
Trwają także prace nad zasilaniem domowych urządzeń ogniwami paliwowymi. W 2015 r. powstał eksperymentalny iPhone 6, zasilany w ten sposób. Działał on bez ładowania przez tydzień. Na razie jednak producenci smartfonów nie wydają się zainteresowani wprowadzeniem takich rozwiązań na rynek.
Budowa ogniwa paliwowego jest podobna do budowy baterii. Składa się ono z katody i anody, oddzielonych elektrolitem. Do anody dostarcza się paliwa, czyli wodoru, lub substancji, która go zawiera, na przykład płynnego metanolu. Do katody z kolei dostarczamy tlen. Katalizator na anodzie rozbija wodór na protony i elektrony, a elektrolit przepuszcza jedynie protony. Oddzielone elektrony tworzą prąd elektryczny, a na katodzie cząsteczki łączą się z powrotem razem z tlenem, tworząc wodę.
W efekcie całej operacji powstaje energia elektryczna, ciepło i woda. Jeśli zamiast czystego wodoru użyje się wspomnianego metanolu, pojawi się także dwutlenek węgla, ale w ilości wielokrotnie mniejszej, niż w silniku spalinowym.
W samochodach prąd wytworzony w ogniwach przekazywany jest do przetwornicy, a potem do silników elektrycznych. Na tym etapie samochód z ogniwem wodorowym nie różni się już od pojazdów elektrycznych. Tlen, potrzebny do pracy ogniwa może pochodzić wprost z atmosfery. Wodór musi jednak zostać wpompowany do zbiornika, a to rodzi pewne komplikacje.
Wodór zajmuje pierwsze miejsce w układzie okresowym pierwiastków i stanowi większość znanej masy wszechświata (nie będziemy wgłębiać się w temat ciemnej materii). Na Ziemi go nie brakuje, wystarczy przypomnieć, że woda w 2/3 składa się z wodoru, a to nie jedyna znana substancja, w której możemy go odnaleźć. Metod otrzymywania wodoru jest kilka, można pozyskać go z ropy czy metanu, metodą elektrolizy wody, czy też jako efekt pracy bakterii. W tej chwili najpowszechniej wykorzystuje się wodór z metanu i ropy naftowej. To jednak oczywiście sprawia, że przestaje on być paliwem „zeroemisyjnym” i odnawialnym, więc ekologicznym.
Cały czas trwają prace nad nowymi sposobami otrzymywania wodoru, a zainteresowanie rynku motoryzacyjnego sprawia, że nie brakuje na te badania środków. Najbardziej perspektywiczna wydaje się obecnie fotokataliza, wykorzystująca energię słoneczną. Obecnie ten proces wymaga drogich katalizatorów, co ogranicza jego wydajność. Wydaje się jednak, że niedługo ten problem może zniknąć.
Niedawno zespół z uniwersytetu w Osace ogłosił opracowanie nowej metody fotokatalizy, która pozwala wykorzystać bardziej dostępne i tańsze katalizatory (azotek węgla, grafit i czarny fosfor). Co ciekawe, przy użyciu tej metody można otrzymywać wodór nawet przy bardzo niskim natężeniu światła, co efektywnie zwiększa wydajność procesu. Oczywiście jednak od obiecujących wyników badań do przemysłowej produkcji miną lata.
Wodoru nie można traktować niestety jako źródła energii. Jego pozyskanie samo w sobie jej wymaga i dlatego to raczej jedynie jej nośnik, który jest bezpośrednią konkurencją dla baterii, stosowanych w samochodach elektrycznych.
Wydaje się, że w tej chwili nikt już nie ma wątpliwości, że samochody spalinowe w perspektywie kilku dziesięcioleci znikną z ulic, a przynajmniej nie będą już produkowane. Powstaje jednak pytanie, co je zastąpi? Pytanie nie dotyczy typu silnika, on niemal na pewno będzie elektryczny, tylko zasilania. Co wygra: bateria, czy ogniwo? Zacznijmy od porównania Toyoty Mirai (na zdjęciu) z 2015 r. do Tesli 3 z 2017 r.
Toyota Mirai: Tesla 3:
Cena: Od 57 500 USD Od 35 000 USD
Zasięg: 550 km 350 km w wersji podstawowej 500 km w wersji Long Range
Czas tankowania/ładowania Kilka minut 30 minut ładowania Superchargerem Tesli = 275 km jazdy
Masa: 1,85 t 1,6-1,7 t w zależności od wersji
Cena paliwa: 9,5 euro za kg na stacjach Shell w Niemczech 0,5-1 zł za minutę ładowanie w polskim
Superchargerze Tesli
Jak widać, podstawową przewagą technologii wodorowej jest szybki czas tankowania, niewiele dłuższy niż w przypadku samochodów na benzynę. Warto jednak zauważyć, że ze względu na konieczność napełniania zbiorników wysokociśnieniowych cały proces jest bardziej skomplikowany.
Tankowanie samochodów wodorem wymaga wielu środków ostrożności. Mieszanina wodoru z powietrzem jest całkiem dosłownie wybuchowa. Do tego dochodzi konieczność magazynowania wodoru pod bardzo dużym ciśnieniem zarówno w cysternach, jak i w składach na stacjach i samych samochodach. Ale te problemy można pokonać, co wiąże się z kosztami.
Jeśli jesteśmy przy kosztach, trzeba napisać, że samochody na wodór wcale nie są póki co oszczędne. Na stacjach Shella w Niemczech (w Polsce tankowanie wodorem nie jest dostępne) musimy w tej chwili zapłacić za kilogram wodoru 9,5 euro. Oznacza to, że przejazd 100 km Toyotą Mirai kosztowałby dziś około 37 zł. To wynik, który nie przeraża, ale jest raczej porównywalny do samochodów spalinowych, niż elektrycznych.
Jako ciekawostkę warto napisać, że na stacji Shella w Hamburgu wykorzystuje się produkowaną na miejscu energię wiatrową, żeby otrzymywać, składować i sprzedawać wodór w tym samym miejscu. To rozwiązanie wydaje się utopijnie doskonałe. Niskie koszty i samowystarczalność, oznaczająca choćby brak potrzeby przewożenia paliwa. Czy takie rozwiązanie okazałoby się wydajne, gdyby samochody z ogniwem paliwowym tankowały tu jeden za drugim? Zapytajmy też za Elonem Muskiem, czy nie byłoby prościej energii z wiatraków wykorzystać po prostu do ładowania baterii?
Z drugiej strony przed producentami samochodów na baterie także stoją potężne wyzwania. Można wierzyć, że w przyszłości większa część energii, potrzebnej do ich ładowania, będzie pochodzić ze źródeł odnawialnych. Problemem jest jednak sama produkcja baterii. Popyt na lit, kobalt i nikiel, potrzebne do tworzenia akumulatorów, w ostatnich latach ciągle wzrasta. To oznacza coraz bardziej intensywne wydobycie, które ma wyraźnie negatywny wpływ na środowisko.
Zastąpienie samochodów spalinowych elektrycznymi będzie wymagało olbrzymich ilości wspomnianych pierwiastków. Planuje się recykling akumulatorów, ale jeszcze nie wiadomo, w jakim stopniu odciąży to wydobycie. Dodajmy tutaj, że oczywiście samochody z ogniwami paliwowymi także wykorzystują baterie, ale w znacznie mniejszym stopniu. Dla porównania Toyota Mirai ma baterie pojemności 1,6 kWh, Tesla 3 od 50 do 75 kWh w zależności od wersji.
O jakiej skali zapotrzebowania na lit mówimy? Dr David Deak, były inżynier Tesli, mówi, że zaspokojenie potrzeb motoryzacji, opartej na bateriach, wymagałoby zwiększenia wydobycia z 182 tysięcy do 3,1 miliona ton litu rocznie. Powstaje obawa, że światowa gospodarka uzależniona od ropy naftowej mogłaby zmienić się w gospodarkę uzależnioną od litu.
W tej chwili przyszłość motoryzacji zależy od postępów w nauce. Pytanie brzmi, czy szybciej opracujemy długowieczne, szybko ładujące się baterie, czy metodę łatwego i taniego pozyskiwania czystego wodoru? Niestety, wydaje się, że to cena i wygoda okażą się czynnikami, które ostatecznie przesądzą o zwycięstwie jednej z opcji. To, która technologia będzie bardziej przyjazna dla środowiska może ostatecznie nie mieć żadnego znaczenia.


Podziel się

Skomentuj