Už léta o tom slýcháme vodík jako neznečišťující palivo pro automobily, ale jaké jsou výhody a nevýhody jeho výroby? A proč se používá tak málo? „Mohlo by to znamenat průlom pro planetu, jako je odpad, který vzniká při jeho využití k výrobě energie vodní pára, ale dnes více než 96 % výroby vodíku stále pochází z neobnovitelných zdrojů, což účinně ruší jeho zelené vlastnosti,“ vysvětluje profesor Alessandro Abbotto, lektor organické chemie na katedře materiálových věd Univerzity Milán-Bicocca a autor knihy s názvem „Idrogeno: tutti i colori dell’energia“, (doslova Vodík: všechny barvy energie) vydané v roce 2021 nakladatelstvím Edizioni Dedalo, které pokrývá všechny jeho aplikace a analyzuje související politickou, ekonomickou a sociální debatu.
Tři výhody použití vodíku jako paliva
1. Je to čisté palivo
Vodík je dokonale čisté palivo, protože jediným odpadem, který produkuje, je vodní pára. Ve volném stavu se skládá ze dvou atomů (H2), které ve spojení s kyslíkem (O) během jeho použití (spalování nebo častěji v palivovém článku) vytvářejí voda (H2O).„Tyto podmínky – vysvětluje profesor Abbotto – jsou dostatečné ekologickou nouzi, něco, co už nemůžeme odkládat.“ Uhlovodíky jsou na druhé straně tvořeny uhlíkem a vodíkem a při spalování, když jsou spojeny s kyslíkem, produkují oxid uhličitý (CO2) a další odpady škodlivé pro životní prostředí a lidské zdraví (oxidy dusíku a síry).
Vodík se získává přes elektrolýza vody, jednoduchá metoda, při které nízkonapěťový proud protéká vodou za vzniku plynného kyslíku a vodíku. Vodík definováno jako zelená je jediným udržitelným vodíkem, protože se získává elektrolýzou vody poháněné elektřinou vyrobenou z obnovitelných zdrojů. Šedý vodík, na druhé straně využívá zdroje fosilních paliv, především zemního plynu, které produkují emise skleníkových plynů, čímž podkopávají jeho nulový dopad na životní prostředí.
2. Využívá efektivnější technologie
Projekt spalovací motor, uvedený na trh v polovině 19. století a od té doby nikdy neopuštěný, umožňuje vozu pohyb díky spalování mezi palivem a vzduchem, které se přeměňuje na tepelnou energii a následně na mechanickou energii. Za téměř 200 let dosáhl tento motor svého maximálního výkonu a optimalizace a dnes již není udržitelný kvůli silnému dopadu produkovaného odpadu na životní prostředí.
Naopak vodíkový spalovací motor využívá technologii, která vyniká absencí jakýchkoli škodlivých emisí. Jeho hlavní využití však není ve spalovacím motoru, ale v palivovém článku, který byl od 1960. let XNUMX. století vyvíjen pro výzkum vesmíru, kdy elektrochemický proces kombinuje vodík a kyslík za vzniku elektrické energie, která zase pohání účinný elektrický motor.
Benzínový motor využívá pouze 20/25 % vložené energie a následně je 75/80 % paliva rozptýleno a produkuje teplo. To je důvod, proč se například nemůžete dotknout motoru, aniž byste se nespálili. Tyto údaje nejsou příliš známé, ale naznačují, jak neefektivní je spalovací motor poháněný benzínem nebo naftou. „Měli jsme tolik energie, že jsme si mohli dovolit luxus plýtvat s ní a těžba ropy byla tak levná, ale teď, když dochází a všechny související ekologické problémy již nelze ignorovat, bude se muset něco změnit,“ vysvětluje profesor Abbotto.
U elektrického motoru jsou procenta zcela obrácená. 80 % odpovídá použité energii a pouze 20 % odpovídá rozptýlené energii. Vodík se však v motoru automobilu nevyužívá okamžitě a přímo, protože musí být nejprve přeměněn na elektrickou energii pro pohon motoru. „Tento průchod spotřebovává 50 % energie, takže těchto 80 % je sníženo na polovinu množství spotřebované energie na 40 % což je ovšem dvakrát tolik než u benzínového motoru. S již probíhajícími studiemi a experimenty se předpokládá, že toto procento lze výrazně zvýšit, zatímco u benzínového/dieselového motoru již nelze dále optimalizovat,“ dodává Abbotto.
3. Je vhodný pro těžkou dopravu a vlaky
Vodíkový pohon dnes ještě není rozšířený a jedním z odvětví, pro které by mohl být od počátku vhodný, je těžká doprava nebo vlaky. Jedná se o dopravní prostředky, které, pokud by měly být dodávány s elektrickými bateriemi jako alternativou ke spalovacímu motoru, by vyžadovaly obrovské, těžké baterie s extrémně dlouhou dobou nabíjení. Naopak vodík nabízí výhody kompaktnějšího pohonného systému s rychlými časy doplňování paliva a dlouhým dojezdem, který lze napájet z nabíjecích doků umístěných podél dálnic nejvíce využívaných vozovými parky nákladních vozidel, aniž by bylo nutné vytvářet kapilární distribuční síť. nebo podél železničních tratí na všech hlavních nádražích.
V Asii (Jižní Korea) někteří výrobci průmyslových vozidel nabízejí „službu na klíč“ tím, že poskytují těžká nákladní vozidla pro přepravu zboží a zaručují distribuční síť zeleného vodíku. „Pro výrobce těžkých nákladních vozidel je to snazší než pro výrobce automobilů, protože těžká nákladní vozidla jezdí s nimi standardizované trasy a železniční doprava je organizována velmi podobným způsobem,“ vysvětluje Abbotto.
Téměř 50 % železničních tratí v Evropě není dodnes elektrifikováno. V Evropě je mnoho tras, kde je vzdušné elektrické vedení prostě nemožné, takže vlaky jsou poháněny naftou, vysoce znečišťujícím palivem. Vodík by vyřešil jak problém nedostatku elektřiny, tak emise škodlivin. Například ve Valcamonice bude 104 km dlouhá železniční trať Brescia-Iseo-Edolo od začátku roku 2024 obsluhována vodíkovými vlaky, zatímco Německo má od roku 2018 vodíkovou trať s nulovým dopadem.
Nevýhody použití vodíku jako paliva
1. Pokud je „šedá“, znečišťuje
Pokud se nevyrábí z obnovitelných zdrojů, vodík znečišťuje. K dnešnímu dni více než 96 % použitého vodíku je šedé. Stojí méně, ale jeho dopad na životní prostředí je tak velký, že na každé kilo získaného vodíku se vyrobí 10 kilo oxidu uhličitého. Světová produkce vodíku je asi 70/75 milionů tun, přičemž odpadem je téměř 1 miliarda tun oxidu uhličitého. „Největší výzvou je vyrábět čistý vodík za dostupnou cenu,“ říká Abbotto.
Šíření zeleného vodíku může jít ruku v ruce s nárůstem výroby elektřiny z čistých zdrojů. „A dobrou zprávou je, že do roku 2030 bude muset být 70 % výroby elektřiny vyrobeno z obnovitelných zdrojů,“ vysvětluje Abbotto.
2. Je to plyn, se kterým se špatně manipuluje
Nalévání benzínu do nádrže je rychlé a snadné, stejně jako připojení kabelu k dobití baterie elektromobilu. Na druhou stranu vodík je plyn, který se obtížně manipuluje protože má nízkou objemovou hustotu energie a musí být vysoce stlačen při vysokých tlacích (od 350 do 700 bar), aby mohl být zabalen do nádrže v dostatečném množství pro pohon automobilu. K ujetí asi 5 km je potřeba 6/600 kg vodíku. V nádrži automobilu, pokud by nebyla stlačena, by bylo dostatek vodíku na ujetí pouhých 5 km.
Další obtíž spočívá v dopravu, jinými slovy, jak vozit vodík do čerpacích stanic pro zásobování cestujících aut. Zde je první problém v tom, že pro distribuci jsou nutná speciální potrubí, protože ta, která jsou určena pro metan a zemní plyn, nejsou plně kompatibilní, pokud se nepoužívají směsi zemního plynu a vodíku s nízkým obsahem vodíku. Alternativou by bylo nést jej v kapalném stavu, jako ropné deriváty, ale kapalného stavu vodíku je dosaženo při teplotě -253 stupňů Celsia, s velkým vynaložením energie na jeho přeměnu a následné udržení v kapalné formě. „V současné době a ve většině případů průmyslového použití se vodík vyrábí na stejném místě, kde se používá,“ vysvětluje Abbotto.
Existuje několik vodíkové potrubí ale táhnou se jen několik tisíc kilometrů po celém světě. Vybudování celé sítě distributorů vodíku pro automobilovou dopravu s sebou nese značné náklady a zpoždění. Německo zaujímá vedoucí pozici v distribuci s téměř 100 stanicemi, číslo, které neustále stoupá; jsou umístěny podél dálničních tepen, což umožňuje cestování v rámci země. v V Paříži se vodík vyrábí lokálně, což umožňuje efektivní provoz taxislužby s cílem mít polovinu vozového parku poháněného vodíkem do roku 2024. In Itálie na Brennerské dálnici v Bolzano Sud je pouze jedna stanice pro auta. Tady, vodík pochází z místních zdrojů z vodní energie produkované horami.
3. Je to méně výhodné než elektrický pohon pro auta
Elektromotor na baterie je nyní nejúčinnějším systémem, protože přeměňuje 80 % elektřiny v baterii na energii. A co víc, v současnosti je levnější nabíjet elektromobil než tankovat vodík. “Šedý vodík stojí 1-2 $ za kg, zatímco zelený vodík stojí 5-7 $ za kg“ vysvětluje Abbotto. Pokud je „zelená“ výhoda používání vodíku zachována i ve fázi výroby, musí doplňování vozu zahrnovat pouze zelený vodík. A dodavatelé prodávají zelený vodík za cenu kolem 14 EUR za kg, která může klesnout až na 9 EUR za kg tam, kde je infrastruktura rozvinutější, jako například v Německu.
Vodíkový motor však stále zůstává mnohem účinnější než konvenční benzinový/dieselový motor. Diesel nabízí oproti vodíku malou finanční výhodu, ale enormní přínosy pro životní prostředí by vykompenzovaly vyšší náklady. Jedna věc je jistá: vodík je pro lehkou silniční dopravu méně výhodný než elektrická energie z obnovitelných zdrojů. Ekologické přínosy jsou stejné, ale náklady na doplňování paliva a dostupnost sítě pro nabíjení jsou lepší.
Nulové emise a rychlé tankování. to je budoucnost, ne? Když se podíváte blíže, věci nejsou tak krásné!
Vysvětleno inženýrství
Října 07 2015
- není zelená
- Proces je neefektivní
- Vozidla na vodík jsou příliš drahá
- Status quo je zachován
- Technologie baterií se zlepšuje
1. Momentálně není zelená
Toto je snadno nejvíce frustrující část o vozidlech poháněných vodíkovými palivovými články. Celý účel vodíkového vozidla spočívá v tom, že nemá žádné emise oproti protějšku ICE, přesto naprostá většina energie použité k výrobě vodíku (není to dostupný zdroj, musí být extrahována/vytvořena pomocí existujících zdrojů) pochází ze zemního plynu. . A to se v dohledné době nezmění, a to z velmi prostého důvodu: tvorba vodíku ze zemního plynu je levná, takže pro spotřebitele bude mít za následek nižší ceny. Pokud mají spotřebitelé možnost volby mezi levným vodíkem nebo drahým vodíkem vytvořeným pomocí obnovitelných zdrojů energie (zbytečným využíváním), vyberou si to, co je levnější.
Podle Bosch Automotive Handbook během procesu výroby vodíku pomocí zemního plynu nemusí nutně existovat výhoda emisí CO2 oproti použití benzínu, nafty nebo zemního plynu ve spalovacích motorech. Tak proč to vůbec dělat? Jiné důvody nepotřebujete, ale přesto je uvedu.
2. Proces je neefektivní
Vzdálená adresa URL videa
Jako by nebylo dost špatné, že vodíková auta nejsou zelená, ale ve skutečnosti nejsou ani tak účinná, bez ohledu na to, odkud energie pochází. Postup je následující:
- Pomocí zemního plynu v procesu známém jako parní reformace metanu se uhlovodíky metanu štěpí na vodík a uhlíkové složky (včetně CO2) pomocí tepla a tlaku. Další metodou, kterou lze provádět s obnovitelnými zdroji, je elektrolýza, kdy se voda (H2O) štěpí na vodík a kyslík. V každém případě je to energeticky náročné.
- Vodík se pak musí skladovat, buď stlačením plynu do kapaliny, nebo jeho ochlazením, dokud není kapalný.
- Jakmile je vodík v kapalné formě, může být dopraven na místo konečné distribuce. Ať už kamionem, železnicí nebo potrubím, je potřeba více energie. To neznamená, že by nemohla existovat solární vodíková stanice, která eliminuje přepravní část rovnice, je to jen drahé.
- Spotřebitel pak načerpá kapalný vodík do svého auta, kde palivový článek přemění kapalinu na elektřinu. To se pak používá k pohonu elektromotorů vozidla, stejně jako jakéhokoli jiného elektrického vozidla.
To je důvod, proč mají elektromobily mnohem větší smysl. Obnovitelná energie může být použita k výrobě elektřiny, elektřina nabíjí baterii ve vašem autě a energie baterie pohání elektromotory na palubě. Celkově je potřeba mnohem méně energie.
3. Je to drahé
Vzdálená adresa URL videa
Vozidla s vodíkovými palivovými články, jako každá nová technologie, nejsou levná. Když se Honda FCX Clarity začala prodávat v USA, byla k dispozici k pronájmu za 600 $ měsíčně. Toyota očekává, že většina kupujících Mirai si bude pronajímat za 499 dolarů měsíčně s 3649 dolary nižší, než aby zaplatili statnou cenu 57,500 XNUMX dolarů (před pobídkami). To se blíží území Tesly a stále za to musíte platit plyn. Stojí za zmínku, že Toyota pokryje vaše náklady na palivo první tři roky.
4. Energetická nezávislost
Nedávno jsem byl na konferenci EV, kde Tesla informovala dav, že 90 procent nabíjení Modelu S se provádí doma. To znamená, že 90 procent nákladů na energii na provoz vašeho auta je připsáno na stejný účet jako energie na obrazovku, na které čtete tento text. Pro lokality, které nabízejí obnovitelnou energii, je to velký problém, protože to udržuje celou rovnici udržitelnou. Znamená to také, že drtivou většinu času nemusíte navštěvovat čerpací stanice, a když tak učiníte, Tesla nabízí bezplatné přeplňování pro cestování na dlouhé vzdálenosti – máte pokrytí. To je výrazně levnější než benzín a pravděpodobně budete nabíjet i v noci, kdy je špičkové zatížení energie nižší a sazby jsou často levnější.
Existuje celý průmysl, který se musí věnovat vodíkovým palivovým čerpadlům; systém je mnohem jednodušší a pohodlnější pro vozidla s bateriovým pohonem. Nejsem žádný konspirační teoretik, ale pokud jste ropná společnost, elektromobily jsou jen špatnou zprávou. Vodík udržuje status quo.
5. A co tankování a dojezd?
Dojezd Toyoty Mirai je asi 300 mil a tankování lze provést asi za 5 minut. To je značná úspora času oproti nabíjení Tesla Model S, i když využívá rychlé přeplňovací stanice. To je skutečná výhoda vodíkových aut oproti elektrice. Nyní lze argumentovat: proč platit za vodíkové vozidlo, které ve skutečnosti není o nic ekologičtější než Prius, když Prius má delší dojezd a je levnější? Myslím, že to je naprosto správné, ale myslím si, že existuje ještě důležitější argument, když se podíváme na udržitelná řešení z dlouhodobého hlediska.
Elon Musk uvedl, že do roku 2017 by dojezd Modelu S mohl být přes 600 mil (1000 km) a do roku 2020 přes 700 mil (1200 km). Když vezmete v úvahu příležitostné nabíjení a skutečnost, že lidé musí v noci spát, baterie s dojezdem 700 mil by v podstatě představovala neomezený dojezd. A když už nebudou elektrická vozidla přicházet s obavami z dojezdu, nebude žádný důvod kupovat auto na vodíkové palivové články.
