Otoczenie podatkowe dla alternatywnych systemów napędowych zmieniło się 1 stycznia 2023 r. Firmy mogą teraz ubiegać się o ulgi podatkowe przy zakupie nowych pojazdów elektrycznych (EV) i pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCEV). To namacalny bodziec, który sygnalizuje, w jakim kierunku zmierza polityka w tym obszarze.
Nie są to jednak nowe pieniądze na nowy pomysł. Poszukiwania wodoru rozpoczęły się dwie dekady temu. W 2003 r. prezydent Bush w swoim orędziu o stanie Unii ogłosił inicjatywę na rzecz paliw wodorowych. Natychmiast podjęto działania legislacyjne. Ustawa o polityce energetycznej z 2005 r. i Zaawansowana Inicjatywa Energetyczna z 2006 r. zapewniły federalne wsparcie dla tego sektora. Cel był jasny: sprawić, aby pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi były praktyczne i niedrogie do roku 2020.
Zainteresowaniu globalnemu towarzyszyła polityka wewnętrzna. Unia Europejska, Japonia i Korea Południowa wspólnie zainwestowały miliardy dolarów w badania i rozwój. Widzą w nim ten sam potencjał.
Czym zatem jest ogniwo paliwowe? Dlaczego rządy, firmy prywatne i środowisko akademickie inwestują w to miliardy?
Odpowiedź leży w wydajności i emisji. Ogniwa paliwowe wytwarzają energię elektryczną w sposób cichy. Robią to bez zanieczyszczania środowiska. W przeciwieństwie do silników spalinowych spalających paliwa kopalne, jedynymi produktami ubocznymi ogniwa paliwowego są ciepło i woda.
Jak faktycznie działają wodorowe ogniwa paliwowe
Z technicznego punktu widzenia ogniwo paliwowe jest urządzeniem do elektrochemicznej konwersji energii. Został otwarty w XIX wieku. Jego zadanie jest proste: przekształca wodór i tlen w wodę. Ten proces konwersji wytwarza energię elektryczną.
Bardziej znasz inne podstawowe urządzenie elektrochemiczne: baterię.
Bateria przechowuje wszystkie składniki chemiczne w zamkniętej obudowie. Przekształca te chemikalia w energię elektryczną, aż się wyczerpią. Kiedy bateria się „rozładowuje”, możesz ją wyrzucić lub podłączyć do ładowarki, aby ją naładować. Energia w nim jest skończona.
Ogniwo paliwowe działa inaczej. Chemikalia stale napływają do elementu. Podczas gdy wodór i tlen są dostarczane, prąd wypływa na zewnątrz. Nie rozładowuje się. Nie wymaga ładowania. Potrzebuje tylko paliwa.
Większość stosowanych obecnie ogniw paliwowych wykorzystuje wodór jako anodę i tlen z powietrza jako katodę. To właśnie ten ciągły przepływ odróżnia je od akumulatorów. To podstawowa mechanika sprawia, że nadają się one do transportu ciężkiego i zastosowań wymagających dużych przebiegów, gdzie wąskim gardłem jest czas spędzony na ładowaniu.
Chemia energii
Zapomnij o cieple i hałasie silnika spalinowego. Ci „pożeracze gazu” spalają paliwo, wykorzystując rozprężające się gazy do napędzania tłoków. To mechaniczne. Jest brudno. Baterie są zaprojektowane inaczej – po prostu magazynują energię chemiczną i uwalniają ją w postaci energii elektrycznej, gdy zajdzie taka potrzeba. Ogniwa paliwowe to podejście hybrydowe. Generują bezpośrednio napięcie prądu stałego, zasilając silniki, oświetlenie i elektronikę bez etapu spalania.
Ale nie wszystkie ogniwa paliwowe są sobie równe. Klasyfikuje się je ze względu na rodzaj elektrolitu i temperaturę pracy. Niektóre są przeznaczone do sieci stacjonarnych. Inne są przeznaczone do dróg. Oto porównanie różnych składów chemicznych.
Ogniwa paliwowe z membraną polimerowo-elektrolitową (PEMFC)
To typ, który zobaczysz w pojazdach napędzanych wodorem. Ogniwo paliwowe z membraną polimerowo-elektrolitową (PEMFC), często nazywane ogniwem paliwowym z membraną do wymiany protonów, działa w niskich temperaturach. Mówimy o temperaturze 60–80 stopni Celsjusza (140–176°F).
Dlaczego to jest ważne? Czas rozgrzewki. Ponieważ działa w tak niskiej temperaturze, niemal natychmiast zaczyna wytwarzać energię. Wysoka gęstość mocy sprawia, że idealnie nadaje się do pojazdów, w których przestrzeń i masa mają kluczowe znaczenie.
Ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem (SOFC)
Podwyższamy temperaturę i otrzymujemy ogniwo paliwowe ze stałym tlenkiem. Urządzenia te pracują w zakresie temperatur od 700 do 1000 stopni Celsjusza. Nie są przeznaczone do sedanów. Przeznaczone są dla fabryk i miast.
Ekstremalne upały to miecz obosieczny. Z jednej strony powoduje to niszczenie części podczas cykli termicznych – włączanie i wyłączanie powoduje obciążenie materiałów. Z drugiej strony, jeśli działają nieprzerwanie, są niezwykle stabilne. Co więcej, ogniwa paliwowe ze stałym tlenkiem posiadają rekordową żywotność w stabilnych warunkach pracy.
Wysoka temperatura zapewnia również znaczny wzrost wydajności. Ciepło odpadowe wytwarza parę, która może napędzać turbiny w celu wytworzenia dodatkowej energii elektrycznej. Ta elektrociepłownia (CHP) wydobywa każdą kroplę energii z paliwa.
Alkaliczne ogniwa paliwowe (AFC)
Stara szkoła. Alkaliczne ogniwa paliwowe były podstawą wczesnego amerykańskiego programu kosmicznego. NASA wykorzystała go do zasilania wahadłowców i produkcji wody pitnej na pokładzie.
To skuteczne. Działa w niskich temperaturach. Ale on jest kruchy. Elektrolit alkaliczny jest niezwykle wrażliwy na zanieczyszczenia. Jeśli w powietrzu znajduje się choćby niewielka ilość CO2, wyłącza on element. Wymaga czystego wodoru i czystego tlenu. Ten wymóg czystości zwiększa koszty tak bardzo, że komercjalizacja jest mało prawdopodobna.
Ogniwa paliwowe ze stopionym węglanem (MCFC)
Podobnie jak ogniwa ze stałym tlenkiem w zastosowaniach stacjonarnych, MCFC działają w temperaturach powyżej 600 stopni Celsjusza. Używają stopionego roztworu soli jako elektrolitu.
Taka konstrukcja pozwala na ekstrakcję wodoru bezpośrednio z tradycyjnych paliw, takich jak gaz ziemny, bez konieczności stosowania zewnętrznych urządzeń do przetwarzania. Działają w niższych temperaturach niż ogniwa ze stałym tlenkiem, co oznacza, że nie wymagają egzotycznych i drogich materiałów. Jednak ciepło nadal powoduje problemy z korozją.
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego (PAFC)
Ogniwa paliwowe na bazie kwasu fosforowego są najdłużej obecne na rynku energii wodorowej. Znajdziesz je w elektrowniach stacjonarnych i autobusach przemysłowych.
Działają w wyższych temperaturach niż PEMFC. Oznacza to dłuższy czas nagrzewania, co wyklucza ich zastosowanie w samochodach. A co z ich przyszłością? Jest mgliście. Są mniej wydajne niż nowsze konstrukcje i wykorzystują toksyczny gaz jako katalizator. Branża stopniowo z nich rezygnuje.
Ogniwa paliwowe z bezpośrednim metanolem (DMFC)
Wyobraź sobie mniejszego, mniej wydajnego kuzyna PEMFC. Temperatury pracy są podobne, ale wydajność spada.
Problemem są koszty i materiały. Ogniwa paliwowe z bezpośrednim metanolem wymagają znacznych ilości platyny jako katalizatora. Platyna jest droga. To sprawia, że bezpośrednie ogniwa paliwowe na metanol są złożonym produktem dla rynku masowego, pomimo ich prostoty.
Odwracalne ogniwa paliwowe
Tutaj robi się ciekawie. Odwracalne ogniwo paliwowe łączy produkcję energii z jej magazynowaniem. Łączy w sobie standardowe ogniwo paliwowe z generatorem słonecznym lub wiatrowym.
Kiedy świeci słońce lub wieje wiatr, nadmiar energii jest wykorzystywany do rozbicia wody na wodór i tlen w procesie elektrolizy. Woda gromadzi się. Kiedy energia będzie później potrzebna, ogniwo paliwowe działa odwrotnie, przekształcając zmagazynowany wodór i tlen z powrotem w energię elektryczną i parę wodną.
Wydajność jest wysoka. Złożoność jest ogromna. Koszt jest zaporowy (zaporowo wysoki). Jednak koncepcja magazynowania energii odnawialnej w formie chemicznej to Święty Graal.
Krótka historia
Sir William Grove wynalazł pierwsze ogniwo paliwowe w 1839 roku. Wiedział, że elektroliza może rozdzielić wodę na wodór i tlen za pomocą prądu. Postawił hipotezę, że proces odwrotny – połączenie wodoru i tlenu – wytworzy energię elektryczną i wodę. Stworzył prymitywną wersję, którą nazwał „gazowym ogniwem galwanicznym”. Pracowała.
Pięćdziesiąt lat później Ludwig Mund i Charles Lenger ukuli termin „ogniwo paliwowe”, próbując stworzyć praktyczny model. Od tego czasu trwa wyścig o to, aby te wczesne prototypy nadawały się do użytku we współczesnym świecie.
Ogniwa paliwowe z membraną polimerowo-elektrolitową
Wspominaliśmy już wcześniej o PEMFC, ale zasługują na głębsze spojrzenie. Jeśli ogniwa paliwowe mają zastąpić zbiorniki gazu, to ta technologia przejmie większość pracy w sektorze transportu.
Ogniwo paliwowe z membraną polimerowo-elektrolitową (PEMFC) to nie tylko eksperyment laboratoryjny. To technologia, która najprawdopodobniej znajdzie się w Twoim następnym sedanie, autobusie miejskim, a może w Twoim garażu. Chemia ogranicza się tutaj do podstawowych zasad, ale inżynieria wymagana do napędzania samochodu nie jest prosta.
Aby zrozumieć, w jaki sposób wodór przekształca się w energię elektryczną, musimy przyjrzeć się anatomii stosu. Składa się z czterech głównych elementów, z których każdy ma swoją specyficzną funkcję, której nie można zignorować.
Anoda i katoda: gdzie rozpoczyna się proces
Zacznijmy od anody. To jest negatywna strona komórki. Jego głównym zadaniem jest usuwanie elektronów z cząsteczek wodoru, aby mogły napędzać silnik. Ale musi także wykonać ciężką pracę związaną z dystrybucją. Anoda posiada wytrawione kanały, które równomiernie rozprowadzają wodór na powierzchni katalizatora. Jeżeli przepływ jest nierówny, nastąpi miejscowe przegrzanie i nieefektywność.
Po drugiej stronie znajduje się katoda, elektroda dodatnia. Odzwierciedla strukturę anody, posiadając własne wytrawione kanały, ale tym razem rozprowadzają one tlen. Katoda zbiera elektrony powracające z obwodu zewnętrznego. Elektrony te spotykają się z jonami wodoru i tlenem na powierzchni katalizatora, zamykając obwód, tworząc wodę.
Membrana: Strażnik
Pomiędzy elektrodami znajduje się membrana do wymiany protonów. Wyglądem podejrzanie przypomina grubą folię spożywczą, ale niech Was to nie zmyli. Jest to specjalnie obrobiony polimer, który przepuszcza tylko dodatnio naładowane jony. Całkowicie blokuje elektrony.
Oto haczyk: membrana musi pozostać wilgotna. Jeśli wyschnie, przewodzenie protonów ustanie. Utrata stabilności spowoduje awarię całego ogniwa. Jest to wąski zakres roboczy, który sprawia, że zarządzanie temperaturą jest dla inżynierów ciągłym problemem.
Katalizator: platyna na węglu
Reakcja nie zachodzi sama. Potrzebujesz katalizatora. Zazwyczaj są to nanocząsteczki platyny cienko osadzone na kalce lub tkaninie. Materiał ma szorstką i porowatą strukturę, która maksymalizuje powierzchnię. Po co? Ponieważ większa powierzchnia oznacza, że jednocześnie może zachodzić więcej reakcji.
Strona pokryta platyną jest zwrócona w stronę PEM (membrana polimerowo-elektrolitowa). Jest to jedyna rzecz, która stoi pomiędzy wodorem i tlenem, powodując, że reagują one w kontrolowany sposób, a nie po prostu eksplodują.
Odpowiedź: od gazu do energii
Wyobraź sobie, że sprężony wodór uderza w anodę. Ciśnienie wymusza przepływ gazu przez katalizator. Gdy cząsteczka H2 zetknie się z platyną, ulega ona rozpadowi. Dla dwóch protonów (H+) i dwóch elektronów (e-).
Elektrony nie mają dokąd pójść, jak tylko na zewnątrz. Przepływają przez anodę, przechodzą przez obwód zewnętrzny – zasilający silnik napędowy – i wracają do katody.
Tymczasem tlen dociera do strony katody. Rozkłada się na atomy, z których każdy ma silny ładunek ujemny. Ładunek ten przyciąga jony H+ przez membranę po drugiej stronie. Tam jony spotykają się z atomami tlenu i powracającymi elektronami. Łączą się, tworząc wodę (H2O). To wszystko. Spaliny to po prostu para wodna.
Ale jest problem. Jedno takie ogniwo generuje tylko około 0,7 wolta. To nie wystarczy, aby obrócić silnik. Potrzebujesz stosu.
Montaż stosu i problem płytek bipolarnych
Aby uzyskać napięcie robocze, łączy się ze sobą dziesiątki lub setki takich ogniw. Płytki bipolarne łączą je szeregowo. Płyty te wytrzymują jednocześnie warunki utleniające i redukujące. Żyją w ogromnym stresie.
Głównym problemem jest tutaj stabilność. Jeśli stosowane są metalowe płyty bipolarne, są one podatne na korozję. Produkty uboczne, takie jak jony żelaza i chromu, mogą przedostać się do membrany i elektrod, z czasem pogarszając ich wydajność. Dlatego też w niskotemperaturowych ogniwach paliwowych często stosuje się metale lekkie, grafit lub kompozyty na bazie węgla i żywic termoutwardzalnych. Żywice termoutwardzalne to tworzywa sztuczne, które pozostają sztywne po podgrzaniu, oferując kompromis między przewodnością a odpornością na korozję.
Krótko o chemii
Matematyka nie kłamie. Proces jest czysty, wydajny i powtarza się w nieskończoność, pod warunkiem, że zastosujesz gaz.
Strona anody : 2H₂ → 4H⁺ + 4e⁻
Strona katody : O₂ + 4H⁺ + 4e⁻ → 2H₂O
Całkowita reakcja : 2H₂ + O₂ → 2H₂O
W teorii jest to eleganckie. Prawdziwa bitwa zaczyna się jednak od zapewnienia działania silnika przez 250 000 mil bez wysuszania membrany i zatruwania katalizatora.
Wydajność ogniw paliwowych
Luka w wydajności: ogniwa paliwowe a benzyna i akumulatory
Przejdźmy do rzeczy. Zmniejszenie zanieczyszczeń to największa zaleta ogniw paliwowych, ale tak naprawdę chodzi o wydajność. Aby zrozumieć, gdzie pojazdy na wodorowe ogniwa paliwowe wpisują się w krajobraz motoryzacyjny, należy spojrzeć na liczby, zanim koła w ogóle zaczną się poruszać. Ignorujemy typowe komponenty — opony, skrzynię biegów, zawieszenie — i skupiamy się wyłącznie na tym, jak każdy układ napędowy przekształca zmagazynowaną energię w ruch mechaniczny na kołach napędowych.
Najpierw przyjrzyjmy się samochodowi na wodorowe ogniwa paliwowe zasilanemu czystym wodorem. Potencjał jest tutaj oszałamiający. Samo ogniwo paliwowe może pracować z wydajnością około 80 procent. Oznacza to, że pobiera 80 procent energii z wodoru i przekształca ją w energię elektryczną. Jednak energia elektryczna nie zasila samochodu; robi to silnik elektryczny. Silnik elektryczny i falownik są również bardzo wydajne, wynoszące około 80 procent.
Wykonajmy obliczenia wzdłuż tego łańcucha: 80 procent pomnożone przez 80 procent. Daje to ogólną wydajność systemu na poziomie około 64 procent.
Porównaj to z silnikiem spalinowym. Typowy silnik benzynowy ma trudności z osiągnięciem sprawności na poziomie 20–30 procent. Większość tej energii jest po prostu tracona w postaci ciepła. Nawet najlepsze samochody elektryczne, których akumulatory ładują się z sieci i przekazują moc do silnika, zwykle osiągają sprawność od wtyczki do koła wynoszącą 70–80 procent. Ale poczekaj. Ten wskaźnik dotyczący akumulatorów ignoruje sposób, w jaki energia elektryczna została wyprodukowana. Gdy uwzględni się straty w wytwarzaniu i transmisji, efektywność „od źródła do koła” w przypadku pojazdów elektrycznych typu plug-in jest znacznie zmniejszona.
Jednak liczba 64 procent dla wodoru jest teoretyczna. Polega na wykorzystaniu czystego wodoru. W prawdziwym świecie łańcuchy dostaw są złożone. Jeśli pojazd wykorzystuje reforming parowy do ekstrakcji wodoru z paliw węglowodorowych, takich jak gaz ziemny lub alkohol, wydajność drastycznie spada. Reformatory wytwarzają ciepło, wytwarzają gazy odlotowe i mają trudności z produkcją czystego wodoru. Zanieczyszczenia zatruwają katalizator ogniwa paliwowego, zmniejszając jego wydajność. Z tego powodu Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) mocno stawia na infrastrukturę czystego wodoru, pomimo ogromnych wyzwań związanych z jego produkcją i magazynowaniem.
Paradoks wodoru
Wodór jest wszędzie. Jest to najobficiej występujący pierwiastek we Wszechświecie. Ale na Ziemi? Nie tak bardzo. Nie występuje w wolnej formie elementarnej (H2) oczekującej na pobranie. Trzeba to wyprodukować.
To jest „problem wodoru”. Aby otrzymać czysty wodór, należy go ekstrahować ze związków. To wymaga energii. Dużo energii. Niezależnie od tego, czy stosujesz parowy reforming metanu (wykorzystując ciepło z gazu ziemnego), czy elektrolizę (wykorzystując energię elektryczną do rozszczepiania cząsteczek wody), marnujesz energię na produkcję paliwa.
Tworzy to cykliczną dyskusję na temat efektywności. Jeśli do produkcji wodoru wykorzystujesz energię odnawialną, tracisz energię już na etapie elektrolizy (straty na poziomie około 20–25 procent). Następnie kompresujesz go lub upłynniasz w celu przechowywania (kolejna strata 10-15 procent). Następnie umieszcza się go w ogniwie paliwowym (sprawność wynosi 80 procent). Następnie napędzasz silnik (sprawność 80 procent).
Po zsumowaniu tych strat wydajność pojazdu napędzanego wodorowymi ogniwami paliwowymi jest często gorsza w porównaniu z pojazdem elektrycznym z prostym akumulatorem. Akumulator nie wymaga ekstrakcji, sprężania ani konwersji chemicznej na pompie. Po prostu tam jest, gotowy do użycia.
Po co więc w ogóle zawracać sobie głowę wodorem? Rezerwa mocy. Czas tankowania. Waga. Baterie są ciężkie. Zbiorniki wodoru są lżejsze i mają równoważną gęstość energii na dłuższych dystansach. Ale z punktu widzenia czystej termodynamiki akumulator wygrywa pod względem wydajności. Ogniwo paliwowe wygrywa pod względem wygody i gęstości energii.
Wybór to nie tylko
Rzeczywistość: efektywność gazu kontra elektryczności
Przebijmy się przez marketingowy szum. Standardowy silnik spalinowy (ICE) jest notorycznie nieefektywny. Ogólna wydajność wynosi około 20 procent. Oznacza to, że 80 procent energii cieplnej ze zbiornika jest tracone w postaci ciepła spalin, strat w chłodnicy lub tarcia pomp i wentylatorów. Tylko jedna piąta energii faktycznie porusza koła.
Pojazdy elektryczne (EV) opowiadają inną historię w garażu. Efektywność przekazywania energii z akumulatora na koła uderza swoją wysoką wartością. Przy sprawności akumulatora wynoszącej około 90 procent i sprawności zestawu silnik/inwerter wynoszącej 80 procent, ogólna wydajność systemu wynosi około 77 procent. To ogromna przepaść w porównaniu do samochodów na gaz.
Ale nie można poprzestać tylko na rurze wydechowej. Musisz przyjrzeć się sieci elektrycznej.
Problem „od studni do koła”
Jeśli ta energia elektryczna jest wytwarzana przez elektrownię węglową lub gazową, matematyka się zmienia. Te obiekty energetycznego spalania przekształcają jedynie około 40 procent swojej energii w energię elektryczną. Potem pojawia się sama stacja ładująca. Przekształcanie prądu przemiennego (AC) z sieci na prąd stały (DC) dla akumulatora nie jest rozwiązaniem idealnym; jego skuteczność wynosi około 90 procent.
Pomnóżmy te współczynniki wydajności: 77 procent (samochód) x 40 procent (elektrownia) x 90 procent (ładowarka).
Jaki jest wynik? Ogólna wydajność od źródła do koła wynosi tylko 28 procent.
To mniej, niż można by się spodziewać, ale ogólnie jest czystszy niż samochód napędzany gazem, zwłaszcza że sieć staje się bardziej ekologiczna. Jednak źródło energii ma ogromne znaczenie. Jeśli Twój pojazd elektryczny będzie ładowany z elektrowni wodnej (HPP), całkowicie ominiesz straty powstałe podczas spalania paliwa. Energia wodna jest praktycznie „darmowa” pod względem kosztów paliwa. W tym scenariuszu efektywność pojazdu elektrycznego od „od źródła do koła” wzrasta do około 69 procent.
Ogniwa paliwowe i zwrot w stronę nanotechnologii
Wodorowe ogniwa paliwowe stanowią opcję pośrednią, chociaż wciąż daleko im do powszechnego przyjęcia. Nowoczesne systemy, takie jak Honda Clarity, są w rzeczywistości systemami hybrydowymi. Do napędu wykorzystują małą baterię litową i silniki elektryczne, a ogniwo paliwowe działa jak przedłużacz zasięgu, ładując akumulator w drodze.
Naukowcy aktywnie pracują nad poprawą wydajności ogniw paliwowych. Wąskie gardło zawsze było katalizatorem. Platyna jest standardem, ale jest droga i rzadka. Nanotechnologia wkracza na scenę.
Złote katalizatory
Tutaj robi się ciekawie. Złoto jest chemicznie obojętne. Nie reaguje. Nie bez powodu jest metalem szlachetnym. Ale jeśli zmniejszysz cząstki złota do skali nanometrowej, ich zachowanie ulegnie odwróceniu. Stają się wysoce aktywnymi katalizatorami, potencjalnie dorównującymi wydajnością platynie.
Jeśli naukowcom uda się ustabilizować te nanocząstki na skalę przemysłową, pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi będą w końcu mogły dorównać wydajnością pojazdom akumulatorowo-elektrycznym zasilanym odnawialnymi źródłami energii. Fizyka na to pozwala. Problem inżynierski? Spraw, aby było to niedrogie. Tego celu jeszcze nie osiągnęliśmy. Rozbieżność pomiędzy potencjałem laboratorium a rzeczywistością w showroomie pozostaje duża.
Cena czystego wodoru
Bądźmy szczerzy w kwestii ekonomii. Dane Departamentu Energii (DOE) są niepokojące. W 2020 roku koszt produkcji wodoru w procesie elektrolizy osiągnął 279 dolarów za kilowatogodzinę. Optymistycznie prognozują spadek do 182 dolarów do 2030 roku. Brzmi lepiej, ale warto przyjrzeć się poziomowi podstawowemu. Standardowa elektrownia gazowa produkuje kilowatogodzinę za około 55 centów.
Koszty te można znacząco obniżyć wykorzystując do pozyskiwania wodoru paliwa kopalne. Ale to całkowicie zaprzecza samej idei przejścia na „zieloną” energię. W rezultacie otrzymujesz te same zanieczyszczenia, tylko z dodatkowymi etapami przetwarzania. Odwracalne ogniwa paliwowe mogłyby ostatecznie wypełnić tę lukę, zapewniając długoterminową wydajność i oszczędności. Ale do tego czasu bariera cenowa pozostaje kolosalna.
Testowanie cykliczne
Kolejną przeszkodą jest odporność na zużycie. Ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów (PEMFC) wymagają membran odpornych na temperatury powyżej 100 stopni Celsjusza. Muszą także działać w ujemnych temperaturach otoczenia i nie zamarzać. Dlaczego to jest ważne? Wyższe temperatury pracy oznaczają, że układ może tolerować więcej zanieczyszczeń w paliwie.
Samochody ciągle ruszają i zatrzymują się. Membrana musi pozostać stabilna pod wpływem szoków termicznych. Obecnie ulegają one degradacji podczas włączania i wyłączania ogniwa paliwowego. Jest to prosta rzeczywistość mechaniczna, która skutkuje słabymi właściwościami chemicznymi.
Utrzymaj wilgotność i trwałość
Membrany PEMFC pragną wilgoci. Wymagają uwodnienia, aby transportować protony wodoru. Jeśli popełnisz błąd, element ulegnie awarii. Naukowcy ścigają się, aby zapewnić działanie tych systemów w niskiej wilgotności, temperaturach poniżej zera i wysokich temperaturach. W temperaturze 80 stopni Celsjusza tracisz nawodnienie, chyba że zastosujesz nawilżanie pod wysokim ciśnieniem.
Półprzewodnikowe ogniwa paliwowe (SOFC) mają swoje własne problemy. Korozja materiałów stanowi ciągłe zagrożenie. Równie krucha jest szczelność uszczelek. Docelowy koszt SOFC wynosi 400 dolarów za kilowat – wymagania są mniej rygorystyczne niż w przypadku PEMFC – ale wysoki koszt materiałów utrudnia osiągnięcie tego wyniku. Ponadto odporność na zużycie pogarsza się za każdym razem, gdy element nagrzewa się do temperatury roboczej i schładza się do temperatury pokojowej. Cykle termiczne niszczą uszczelki.
Budowa sieci
Bez stacji benzynowych nie będziesz mógł sprzedawać samochodów. Aby pojazdy PEMFC mogły działać, potrzebujemy kompletnej infrastruktury do wytwarzania i dostarczania wodoru. Rurociągi. Transport samochodowy. Stacje benzynowe. Instalacje generujące. Strategia DOE jest prosta: stworzyć pojazd atrakcyjny pod względem komercyjnym, a infrastruktura będzie podążać za nim. To jest problem „kury i jajka”.
Skąd pochodzi wodór? W Stanach Zjednoczonych większość z nich to produkt uboczny rafinacji gazu ziemnego i ropy naftowej. Inną niezawodną metodą jest elektroliza. Do świeżej wody przykładasz prąd elektryczny, rozkładając ją na wodór i tlen. Problem polega na tym, że elektroliza wymaga dodatkowego źródła zasilania. Zmniejsza to moc wyjściową energii netto. Poruszasz energię, a nie ją tworzysz.
Utrzymywanie niewidzialnego
Standardowy zasięg samochodu ze zbiornikiem benzyny wynosi trzysta mil. Aby osiągnąć tę samą wydajność w pojeździe napędzanym ogniwami paliwowymi, należy rozwiązać problem przechowywania. Wodór jest masowy. Należy kontrolować wagę, objętość, koszt i bezpieczeństwo pojazdu.
Bezpieczeństwo to słoń w pokoju. Ustawodawcy nie napisali jeszcze przepisów dotyczących pracowników służb ratunkowych. Jaki jest protokół w przypadku zapalenia się pojazdu zasilanego ogniwami paliwowymi? Inżynierowie muszą projektować systemy dostarczania, które nie eksplodują. Nie chodzi tylko o prowadzenie pojazdu, ale także o przeżycie wypadku.
Zapachowe alternatywy
Naukowcy wykraczają poza membrany kwasu perfluorosulfonowego. Zwracają się ku membranom opartym na związkach aromatycznych. Nie dajcie się zwieść nazwie. Tu nie chodzi o zapach. Odnosi się to do struktur chemicznych, takich jak pierścienie benzenowe, pirydynowe lub indolowe. Konstrukcje te lepiej wytrzymują wysokie temperatury.
Ale tutaj jest kompromis. Nadal potrzebują nawilżenia. A kiedy wyschną, pęcznieją. To pęcznienie pogarsza wydajność ogniwa paliwowego. To kolejna zmienna, którą należy kontrolować w systemie, który już ma trudności z utrzymaniem się w całości.
Walka o niezależność energetyczną
Zaangażowanie finansowe jest imponujące. W produkcję wodorowych ogniw paliwowych zainwestowano już miliardy dolarów, a plan działania do roku 2050 przewiduje jeszcze większe inwestycje. Logika jest tu prosta. Stany Zjednoczone i inne kraje poszukują wodoru z tego samego powodu, dla którego rozwijają energię wiatrową i słoneczną: aby przełamać swoją zależność od ropy.
Oczywiście Stany Zjednoczone mogą produkować większość własnej ropy naftowej. Wciąż jednak jesteśmy przywiązani do zglobalizowanej gospodarki. Kiedy ceny gwałtownie rosną na Bliskim Wschodzie, odczuwamy to tutaj. To jest podatność. Spalanie paliw kopalnych uwalnia węgiel do atmosfery szybciej, niż natura jest w stanie go wchłonąć. Efekt widzimy na własne oczy. Temperatury rosną. Ekstremalne zjawiska pogodowe nie są już anomalią. Ośrodki miejskie dławią się problemami z oddychaniem związanymi z zanieczyszczeniem powietrza. Zmniejszenie zużycia paliw kopalnych nie jest jedynie celem politycznym. To jedyny sposób, aby planeta nadawała się do zamieszkania.
Ogniwa paliwowe stanowią czystą alternatywę. Nie emitują substancji zanieczyszczających. Jedynym produktem ubocznym jest czysta woda. W perspektywie krótkoterminowej inżynierowie nadal będą pozyskiwać wodór z gazu ziemnego. Jest to pragmatyczny środek tymczasowy. Ale Inicjatywa Wodorowa patrzy dalej. Plan długoterminowy obejmuje odnawialne i przyjazne dla środowiska metody produkcji.
Krajowa produkcja i globalna współpraca
Rozważmy chemię procesu. Wodór można otrzymać z wody metodą elektrolizy. Oznacza to, że Stany Zjednoczone mogą w coraz większym stopniu polegać na krajowych źródłach energii. Pozwala także uniknąć nieefektywności i zagrożeń dla środowiska związanych z transportem paliwa przez wody międzynarodowe. Mniej tankowców. Mniejsze ryzyko. Większe bezpieczeństwo energetyczne.
To nie jest solowy wysiłek. Zależność od ropy naftowej i globalne ocieplenie to problemy globalne, które wymagają globalnych rozwiązań. Kilka krajów łączy siły, aby przyspieszyć badania i rozwój technologii ogniw paliwowych. Jednym z najważniejszych jest Międzynarodowe Partnerstwo na rzecz Gospodarki Wodorowej. Łączą zasoby, aby przyspieszyć harmonogram wdrażania.
Droga przed nami
Bądźmy realistami. Naukowcy i producenci wciąż mają przed sobą dużą górę. Ogniwa paliwowe nie są jeszcze praktyczną, gotową do wdrożenia alternatywą dla obecnej infrastruktury energetycznej. Wyzwania są znaczące. Składowanie. Dystrybucja. Cena.
Jednak dzięki wsparciu i współpracy z całego świata cel stworzenia opłacalnego systemu energetycznego opartego na ogniwach paliwowych nie jest science fiction. To kwestia czasu. Być może kilka dekad. Może nawet mniej. Kawałki układane są na planszy. Pytanie tylko, czy będziemy mieli cierpliwość czekać na mata.
