Bosch: mobilność przyszłości potrzebuje ogniw paliwowych
Fot. Bosch
Neutralny dla klimatu układ napędowy na długie dystanse. Elektromobilność nabiera coraz większego znaczenia. Jest to ważny element obniżenia emisji CO2 powstającej w ruchu drogowym. Na ile ekonomiczna jest jednak eksploatacja dużych samochodów ciężarowych z 40-tonowym ładunkiem na długich dystansach przy użyciu wyłącznie energii elektrycznej z akumulatorów? Biorąc pod uwagę wagę akumulatorów, długi czas ładowania i ograniczony zasięg dzisiejszej technologii, elektryczne układy napędowe nie są najlepszym wyborem dla TIR-ów. Pomimo tego, nawet 40-tonowe ciężarówki będą mogły w niedalekiej przyszłości przejechać w trybie całkowicie elektrycznym ponad tysiąc kilometrów. Będzie to możliwe dzięki układowi napędowemu Bosch z ogniwami paliwowymi. Tego typu układ napędowy, zasilany wodorem, wytwarzanym przy użyciu energii odnawialnej, umożliwia neutralny dla klimatu transport towarów. Bosch robi pierwszy krok w tym kierunku, opracowując układ napędowy z ogniwami paliwowymi specjalnie dla ciężarówek i planuje rozpocząć jego produkcję seryjną w latach 2022–2023. Gdy już zespoły napędowe Bosch z ogniwami paliwowymi zadomowią się w ciężarówkach, będą coraz częściej pojawiać się w samochodach osobowych – słusznie stając się integralną częścią przyszłego portfolio układów napędowych.
Siedem powodów, dla których ogniwa paliwowe i wodór są kluczowymi elementami przyszłej mobilności:
1) Neutralność klimatyczna
W ogniwie paliwowym wodór (H2) reaguje z tlenem (O2) pochodzącym z otaczającego powietrza. Energia uwalniana w tej reakcji jest zamieniana na energię elektryczną, która jest wykorzystywana do jazdy. Powstają przy tym ciepło i czysta woda (H2O). H2 uzyskuje się metodą elektrolizy, w której woda jest rozdzielana na wodór i tlen za pomocą energii elektrycznej. Wytwarzanie energii elektrycznej z odnawialnych źródeł sprawia, że układ napędowy z ogniwami paliwowymi jest całkowicie neutralny dla klimatu. Szczególnie w przypadku dużych i ciężkich pojazdów, ogniwa paliwowe mają lepszy ślad węglowy niż czysto elektryczne napędy akumulatorowe, jeśli zsumuje się emisje CO2 związane z produkcją, eksploatacją i utylizacją. Wszystko, czego potrzebują pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi, oprócz zbiornika wodoru, to znacznie mniejsza bateria jako buforowy zasobnik energii. To znacznie zmniejsza ślad węglowy w produkcji. „Zalety ogniwa paliwowego naprawdę pojawiają się w tych obszarach, w których elektryczne układy napędowe z akumulatorem nie mogą wykazać zalet” – wyjaśnia dr Uwe Gackstatter, prezes działu Bosch Powertrain Solutions. „Oznacza to, że nie ma konkurencji między ogniwami paliwowymi, a akumulatorami; natomiast doskonale się uzupełniają”.
2) Możliwości zastosowania
Wodór ma wysoką gęstość energii. Jeden kilogram wodoru zawiera tyle energii, ile 3,3 litra oleju napędowego. Aby przejechać 100 kilometrów, samochód osobowy potrzebuje tylko około jednego kilograma; z kolei 40-tonowa ciężarówka potrzebuje ponad siedmiu kilogramów. Podobnie jak w przypadku oleju napędowego lub benzyny, napełnienie pustego zbiornika H2 zajmuje tylko kilka minut i można kontynuować podróż. „Ogniwa paliwowe to pierwszy wybór, gdy każdego dnia trzeba przemieszczać większe ładunki na wiele kilometrów” – podsumowuje zalety Gackstatter. W ramach finansowanego ze środków UE projektu H2Haul, Bosch współpracuje obecnie z innymi przedsiębiorstwami w celu zbudowania małej floty ciężarówek z ogniwami paliwowymi i wprowadzenia jej na drogi. Oprócz zastosowań mobilnych Bosch opracowuje stosy ogniw paliwowych do zastosowań stacjonarnych z wykorzystaniem technologii SOFC (ogniwa paliwowe z tlenkiem stałym). Ich przeznaczeniem są małe, rozproszone elektrownie w miastach, centra obliczeniowe i punkty ładowania pojazdów elektrycznych. Jeśli cele klimatyczne wyznaczone w Paryżu mają zostać osiągnięte, w przyszłości wodór będzie musiał zasilać nie tylko samochody osobowe i ciężarowe, ale także pociągi, samoloty i statki. Również przemysł energetyczny i stalowy planuje wykorzystanie wodoru.
3) Sprawność
Jednym z decydujących czynników wpływających na przyjazność dla klimatu i rentowność układu napędowego jest jego sprawność. W przypadku pojazdów z ogniwami paliwowymi jest ona około jednej czwartej większa niż w przypadku pojazdów z silnikami spalinowymi. Dodatkowo zwiększa ją zastosowanie hamowania rekuperacyjnego. Jeszcze bardziej efektywne są pojazdy akumulatorowo-elektryczne, które mogą magazynować energię elektryczną bezpośrednio w pojeździe i wykorzystywać ją do napędu. Ponieważ jednak wytwarzanie i zapotrzebowanie na energię nie zawsze pokrywają się w czasie i lokalizacji, energia elektryczna pochodząca z elektrowni wiatrowych i słonecznych często pozostaje niewykorzystana, ponieważ nie może znaleźć odbiorcy i nie można jej przechowywać. Tutaj widać zalety wodór. Nadwyżka energii elektrycznej może zostać wykorzystana do jego produkcji w sposób zdecentralizowany. Ponadto wodór daje się elastycznie przechowywać i transportować.
4) Koszty
Koszt wytwarzania zielonego wodoru znacznie spadnie, gdy zwiększą się moce produkcyjne, a cena energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych zmniejszy się. Hydrogen Council, zrzeszenie ponad 90 międzynarodowych firm, spodziewa się, że przy wielu zastosowaniach wodoru, koszty spadną o połowę w ciągu najbliższych dziesięciu lat, co uczyni je konkurencyjnymi w stosunku do innych technologii. Bosch pracuje obecnie ze start-upem Powercell nad opracowaniem stosu, serca ogniwa paliwowego, i przygotowaniem go do wprowadzenia na rynek, a następnie produkcji seryjnej. Celem współpracy jest stworzenie rozwiązania o wysokiej wydajności przy niskim koszcie. „W perspektywie średnioterminowej eksploatacja pojazdu z ogniwem paliwowym nie będzie droższa niż pojazdu z konwencjonalnym układem napędowym” – mówi Gack-statter.
5) Infrastruktura
Dzisiejsza sieć stacji tankowania wodoru nie zapewnia jeszcze pełnego pokrycia, ale liczba około 180 stacji do tankowania wodoru w Europie jest już wystarczająca dla niektórych ważnych szlaków transportowych. Aby przyspieszyć ekspansję, w wielu krajach firmy kooperują ze sobą i otrzymują wsparcie w postaci dotacji państwowych. Również w Niemczech politycy uznali ważną rolę wodoru w dekarbonizacji gospodarki, czyniąc go elementem Narodowej Strategii Wodorowej. Dla przykładu, spółka joint venture H2 Mobility zbuduje w Niemczech do końca 2020 r. około 100 publicznie dostępnych stacji paliw, a finansowany ze środków UE projekt H2Haul dotyczy nie tylko ciężarówek, ale także stacji paliw wymaganych na planowanych trasach. Japonia, Chiny i Korea Południowa również mają wszechstronne programy wsparcia.
6) Bezpieczeństwo
Stosowanie gazowego wodoru w pojazdach jest bezpieczne i nie stanowi większego zagrożenia niż inne paliwa lub akumulatory samochodowe. Zbiorniki wodoru nie stwarzają zwiększonego ryzyka wybuchu. Prawdą jest, że H2 spala się w połączeniu z tlenem i że mieszanina tych dwóch gazów powyżej pewnego stosunku jest wybuchowa. Ale wodór jest około 14 razy lżejszy od powietrza i dlatego jest wyjątkowo lotny. Na przykład każdy H2, który wydostaje się ze zbiornika pojazdu, ucieka szybciej niż może zareagować z otaczającym tlenem. W teście ogniowym przeprowadzonym w 2003 r. na samochodzie z ogniwami paliwowymi przez amerykańskich naukowców, wybuchł wprawdzie płomień, ale szybko zgasł. Pojazd pozostał w większości nieuszkodzony.
7) Czas
Produkcja wodoru to sprawdzony i prosty technologicznie proces. Oznacza to, że można go szybko rozwijać, aby sprostać większemu zapotrzebowaniu. Ponadto ogniwa paliwowe osiągnęły obecnie niezbędną dojrzałość technologiczną, niezbędną do ich komercjalizacji i powszechnego stosowania. Według Hydrogen Council gospodarka wodorowa może stać się konkurencyjna w ciągu najbliższych dziesięciu lat dzięki odpowiednim inwestycjom i przy woli politycznej. „Nadszedł czas na wejście w gospodarkę wodorową” - mówi Gackstat-ter.
