Jakýkoli rozhovor o tom, jak se vypořádat s problémem emisí z vozidel na fosilní paliva, dříve či později skončí na vodíku. Pro mnoho lidí je to zřejmé řešení problému – jeho vývoj vyžaduje jen trochu více času. Existuje však jeden velmi významný důvod, proč vodík není řešením, které svět potřebuje pro své ekologické problémy, alespoň ne pro jakoukoli formu osobní dopravy. Nezdá se, že by uniklo, jak je neefektivní ve srovnání s alternativami napájenými z baterie.
Jediný způsob, jak může být vodík skutečně zelený, je, když se vyrábí pomocí obnovitelné energie – která využívá . [+] mnohem více energie než nabíjení baterie.
Na povrchu zní vodík jako zázračné palivo k vyřešení všech našich ekologických problémů. Při použití v palivovém článku je jeho jediným vedlejším produktem voda, která jen těžko ničí atmosféru. Ale to, co lidi opravdu láká, je skutečnost, že můžete tankovat do vozidel na vodíkové palivové články stejným způsobem jako do auta na fosilní paliva. Nejsou nutné žádné změny životního stylu. Vaše auto bude mít uvnitř úplně jiný motor, ale pokud vás jeho mechanika baví, tak si toho ze dne na den nevšimnete. Můžete jen vyrazit na čerpací stanici, když potřebujete pětiminutové dobití, stejně jako za starých dobrých časů.
Vrozená chyba vodíku
Problém je v tom, že tato výhoda skrývá významnou chybu v technologii, která se nějak nepodařilo zahrnout do marketingové propagandy vodíkových evangelistů. Zdá se, že ti, kdo tyto zprávy poslouchali, tomu příliš nerozumí. Chyba je v zásadě způsobena zákony fyziky. Aby byl vodík zcela zelený, musí být vyroben elektrolyzováním vody, která ji rozdělí na H2 a O, ze kterých je vyroben. H2 můžete vyrábět z fosilních paliv (obvykle metanu), ale vytváří se buď „šedý“ vodík (který stále produkuje velké množství CO2), nebo „modrý“ vodík (který zachycuje 90% CO2 a ukládá jej, pouze oddálí problém) . Pouze elektrolýza vodíku z vody pomocí elektřiny vyrobené z obnovitelných zdrojů činí palivo zcela zelené.
Vodík již ztratil více než polovinu své energie, než se vůbec dostal k autu.
Toto je neefektivní systém, který plýtvá energií. Podle často citované studie Transport & Environment proces elektrolyzování vodíku již ztrácí 30% energie z procesu štěpení H2 z O. Pak máte dalších 26% ztráty zbývající energie z přenosu vodíku do palivová stanice, což znamená, že jste již ztratili celkem 48% energie, než se jakýkoli vodík dostane do vozidla. Něco z toho můžete ušetřit tím, že si na místě vyrobíte vodík, ale elektrárny na elektrolýzu stojí miliony, takže budou pravděpodobně centralizovány. Ve srovnání je typická ztráta z přenosu elektřiny po vodičích do nabíjecí stanice pouhých 5%, takže vám zbývá 95%.
VÍCE OD FORBES ADVISOR
Nejlepší cestovní pojišťovny
Nejlepší plány cestovního pojištění Covid-19
Věci už vypadají špatně pro vodík ještě předtím, než ho dokonce nasadíte do auta, ale pak máte neúčinnost hnacího ústrojí ve vozidle. Existují způsoby, jak spalovat vodík přímo pomocí typů syntetických paliv nebo dokonce pomocí pasty, ale tato paliva ztrácejí při výrobě ještě více energie a mohou mít také problémy s emisemi částic. Místo toho se tedy pro většinu osobních přepravních aplikací na bázi vodíku používá chytrá technologie zvaná palivový článek. To rekombinuje vodík a kyslík za vzniku vody, která také generuje elektřinu. Je to neuvěřitelný technický úspěch, ale bohužel v procesu ztratíte polovinu zbývající energie. To znamená, že jste nyní na 26% původní elektřiny.
Pohon na vodíkové palivové články je ze své podstaty méně účinný než akumulátorový.
V bateriově-elektrickém vozidle bude baterie typicky plýtvat pouze asi 5% energie vložené do něj během nabíjení, i když z konverze AC / DC dojde ke ztrátě dalších 5%. Napájení bude střídavé, ale baterie je stejnosměrná, proto je nutná konverze. Navzdory těmto ztrátám stále zbývá asi 85% vaší původní elektřiny k pohonu motorů automobilu.
DC / AC konverze a elektromotory používané u elektrických vozidel s palivovými články a bateriemi způsobují v obou případech další 15% ztrátu. Výsledkem je, že u BEV jste byli schopni použít přibližně 73% své původní elektřiny k pohonu, ale pouze 23% u FCEV. Jinými slovy, budete potřebovat přibližně třikrát více elektřiny, abyste mohli pohánět svůj FCEV na stejnou vzdálenost jako váš BEV. Existují určité variace přesného obrázku, u některých je rozdíl dvakrát, nikoli třikrát. Ale v každém případě plýtváte vodíkem obrovské množství energie. To jistě znamená, že vodík není ve světě s nedostatkem energie startér.
Vozidla s vodíkovými palivovými články jsou mnohem méně účinná než akumulátorová elektrická – a využívající syntetické . [+] spalovací paliva na bázi vodíku ještě horší.
Milovníci vodíku budou obvykle stejní lidé, kteří vám řeknou, že největším problémem u vozidel na elektrický pohon je to, že „síť to nedokáže unést“. Pokud ale síť nemůže nabít flotilu automobilů v zemi, když jsou nyní všechny BEV, jak se proboha vyrovná s tím, že bude muset dodávat dvakrát nebo třikrát tolik pro FCEV? Jedním z argumentů je, že vodík lze použít k ukládání přebytečné energie, což podle jedné zprávy z roku 2015 představovalo až 54% dodávek do sítě ve Velké Británii. Ale stejně tak mohou být baterie, a jak jsme již uvedli, efektivnější a také s menším plýtváním.
Vodík ztrácí půdu pod nohama
Zdá se, že tato zpráva v některých oblastech prochází. Přestože má Toyota v letošním roce nový Mirai, její prodejní vyhlídky nevypadají tak růžově. Nejživějším trhem pro FCEV je Kalifornie a objemy prodeje se tam zmenšují. V roce 12 poklesly o 2019% a v roce 55 o 2020%. Není překvapením, že s novým modelem, který se rýsuje v roce 2021, zaznamenala největší pokles stará Toyota Mirai. Ale všechny FCEV výrazně poklesly v prodeji, v jinak nárazovém roce u elektromobilů obecně.
Trpí dokonce i aplikace, kde se vodík obvykle považuje za hlavní výhodu. Jedním z těch, které se obvykle doporučují, jsou nákladní automobily, kde je rozhodující dojezd a hmotnost. Zdá se však, že se zde také objevují praskliny v odhodlání bývalých podporovatelů. Značka nákladních vozidel Scania společnosti Volkswagen ukončila vývoj H2 a tvrdí, že vodík je příliš neefektivní a drahý. Scania byla dříve jedním z předních prodejců nákladních vozidel na vodíkový pohon. Ale ztrojnásobení energie potřebné k pohonu vozidla na stejnou vzdálenost s vodíkem ve srovnání s bateriemi bylo pro švédskou společnost hřebíkem do rakve.
Předseda představenstva a generální ředitel společnosti Tesla Elon Musk vystoupí z nového „Semi“ elektrického kamionu během představení pro . [+] kupujících a novinářů 16. listopadu 2017 v Hawthorne v Kalifornii poblíž Los Angeles. / AFP PHOTO / Veronique DUPONT (Photo kredit by měl být VERONIQUE DUPONT / AFP přes Getty Images)
AFP prostřednictvím Getty Images
Koneckonců, Tesla TSLA TSLA by mohla dokázat, že stejně nepotřebujete vodík pro nákladní vozidlo s dlouhým dosahem. V listopadu loňského roku Elon Musk tvrdil, že Semi, jehož prototyp byl nedávno spatřen na silnicích v Nevadě, bude mít dojezd 621 mil. Nevýhodou by byla hmotnost baterií, která by údajně o tunu snížila 40tunovou kapacitu návazce. Rychlé tankování vodíku však nebude velkým přínosem, když Tesla Megacharger dokáže přidat 400 mil za 30 minut. Podle Federálního úřadu pro bezpečnost motorových vozidel je v USA požadavek, aby si řidič kamionu každých osm hodin udělal 30minutovou přestávku. S typickým rychlostním limitem 55 mph v Americe je to méně než 400 mil jízdy, takže 30minutové nabíjení bude v pořádku.
To u některých aplikací zcela nezlevňuje vodík. Letouny možná budou muset tuto technologii použít, kvůli váhové výhodě. Pokud máte bohatou obnovitelnou energii a pohotovou dodávku vody – řekněme větrnou farmu uprostřed oceánu – může mít vodík smysl pro tankování elektrických lodí na moři. Ale masivní neefektivnost FCEV je jistě slevuje pro většinu osobních přepravních aplikací. Proč tedy stále mluvíme o této technologii pro běžnou dopravu?
Na první pohled byl rok 2021 dobrým rokem pro elektrická vozidla s palivovými články (FCEV) na trzích osobních automobilů. Toyota se svou druhou generací Mirai FCEV a Hyundai se svým NEXO FCEV měly oba rekordní prodeje, což do značné míry vynahradilo oznámení Hondy v červnu 2021, že se rozhodla ukončit výrobu jejich Honda Clarity FCV (s odkazem na nedostatek vodíkové infrastruktury a slabá poptávka).
Pro Toyotu i Hyundai je nárůst prodejů působivým čtením. Uvedením druhé generace Mirai se celosvětový prodej vozů Toyota s palivovými články více než ztrojnásobil, z 1,770 2020 vozů v roce 5,918 na 2021 2017 v roce 2,741, a zastínil předchozí nejlepší prodejní rok v roce 2020, kdy se jich prodalo 6,781 42. Podobně pro Hyundai navázali na silný rok 9,620, kde prodali 2021 XNUMX palivových článků NEXO, čímž v roce XNUMX zvýšili prodej o XNUMX % na XNUMX XNUMX vozů.
Prodej osobních vozů Toyota a Hyundai Fuel Cell. Zdroj: IDTechEx
V nominální hodnotě se to jeví jako pozitivní pro průmysl palivových článků. Ale když se podíváte blíže na hybatele tohoto růstu, ukazuje to, kam až musí Toyota, Hyundai a vlády podporující zavádění vozidel s palivovými články zajít, aby tuto dynamiku vybudovaly.
Například v Kalifornii byl Mirai údajně k dispozici s 65% slevou z ceníkové ceny 50 20 $ +. Vzhledem k tomu, že Toyota kromě federálních a státních daňových pobídek v celkové výši dalších 12.5 2021 USD nabízí slevu 18 15 USD, byl Mirai v roce 50 k dispozici v USA za odstín pod 20 100,000 USD. Aby byla dohoda ještě oslazena, Toyota také nabídla kredit na palivo ve výši XNUMX XNUMX $ na první tři roky provozu. Auto za XNUMX XNUMX $ za méně než XNUMX XNUMX $ se XNUMX XNUMX kilometry paliva zdarma je nepochybně lákavá nabídka.
Pro Hyundai je to podobný příběh. Z 9,620 2021 vozů Hyundai NEXO prodaných celosvětově v roce 88 bylo 2021 % v Jižní Koreji. Jihokorejské národní a státní pobídky v roce 60 znamenaly, že prodej každého 30 50 $ NEXO byl podpořen dotací ve výši přibližně XNUMX XNUMX $. Atraktivní XNUMX% sleva. Je těžké si představit, jak je taková podpora životaschopná po nějaké dlouhodobé období.
To, co dělá nasazení vozidel Mirai a NEXO, ukazuje, že použití palivových článků s protonovou výměnnou membránou (PEM) v automobilových aplikacích je technologicky správné (ačkoli Hyundai v srpnu 15,000 svolal 2021 XNUMX NEXO, aby vyřešil chrastící problém). Palivové články PEM, které jako palivo využívají stlačený plynný vodík, mohou poskytnout větší dojezd a rychlejší dobu doplňování paliva než ekvivalentní elektrická vozidla na baterie. U FCEV však hlavním problémem nejsou palivové články ani chybějící infrastruktura pro doplňování vodíku (i když i ta je špatná) – jde o vysoké emise a náklady na samotný vodík.
Problémy s emisemi FCEV
Nedávná zpráva od IDTechEx, «Fuel Cell Electric Vehicles 2022-2042», obsahuje analýzu gCO2/km mezi emisemi z palivových článků a akumulátorů elektrických vozidel s palivovými články a jejich srovnáním s emisemi z nádrže na kolo současných automobilů se spalovacím motorem. Stejně jako výroba elektřiny, výroba vodíku (H2) má uhlíkovou emisní stopu. Zelený vodík s nízkým obsahem uhlíku se vyrábí elektrolýzou vody. Elektrolýza vyžaduje asi 50 kWh elektřiny k výrobě 1 kg H2, takže uhlíková stopa H2 vyrobený elektrolýzou je primárně vázán na uhlíkovou intenzitu použité elektřiny. Vyrábí se pomocí 100% obnovitelné elektřiny, zelené H2 může poskytnout palivo s extrémně nízkým obsahem uhlíku.
Problém je zelený H2 se zatím nevyrábí ve velkém množství a když je vyroben, je poměrně drahý. Naprostá většina (~ 95 %) dnešního vodíku se vyrábí parním metanovým reformováním zemního plynu, což je proces, který je levnější, ale vede k významnému CO2 emise. Tento „šedý H2“ má emisní stopu přibližně 10.9 kg CO2/kgH2.
Toyota udává spotřebu nového Mirai na 0.86 kg H2/100 km, takže jezdí na šedém H2 Mirai emituje kolem 94 gCO2/km, zatímco NEXO (1 kgH2/100 km) emituje kolem 109 gCO2/km. Tato čísla jsou pouze okrajovým zlepšením CO2 výfukové emise moderních spalovacích motorů. Všichni ekologicky smýšlející jednotlivci, kteří si zakoupili vozy FCEV, si mohou odpočinout s vědomím, že jejich nulové emise na silnici (pouze voda a teplo) zlepšují kvalitu místního ovzduší, ale pro záchranu planety stále existuje způsob, jak jít. Závěr je takový, že aby byla skutečně „zelená“ vozidla s palivovými články, potřebují zelený H2.
IDTechEx Odhad gCO2/km Emise pro pohonné jednotky osobních automobilů. Zdroj: IDTechEx
Problémy s cenou vodíkového paliva
V lednu 2022 se město Montpellier ve Francii rozhodlo zrušit objednávku na 51 autobusů s vodíkovými palivovými články místo toho, aby se rozhodlo pro elektrické, a zrušilo projekt Montpellier Horizon Hydrogène za 29 milionů eur (33 milionů USD). Ve spolupráci s Hynamics, dceřinou společností EDF, bylo záměrem postavit 2MW elektrolyzér se zásobníkem vodíku, poháněný 2.8 MW fotovoltaiky, který by denně vyráběl 800 kg zeleného vodíku pro vozový park autobusů. Při přezkoumání financí projektu se však dospělo k závěru, že provozní náklady autobusů s palivovými články by byly 0.95 eura (1.08 dolaru) na km ve srovnání s 0.15 eura (0.17 dolaru) za km u elektrobaterie. Provoz vodíkových autobusů by byl šestkrát dražší a stál 3 miliony eur ročně ve srovnání s 500 tisíci eur ročně u bateriových autobusů.
Zdroj levné zelené H2 bude rozhodující pro úspěch vozidel s palivovými články. Je to statečná vláda, která se zavázala k velkým veřejným výdajům na podporu nákupu vozidel s palivovými články pod příslibem, že jednoho dne bude palivo k dispozici, aby byly nízkoemisní. Výroba zeleného vodíku je nepochybně obrovskou příležitostí pro společnosti, které jsou ochotny investovat, i když existují značné problémy s výrobou a distribucí, které je třeba překonat, aby se H2 cenově výhodné automobilové palivo s nulovými emisemi. Pro OEM, kteří vyvíjejí vozidla s palivovými články posledních 30 let, nemůže sériová výroba levného zeleného vodíku přijít dost brzy, potřebovali ho už včera.
Chcete-li se dozvědět více, nová zpráva společnosti IDTechEx „Elektrická vozidla s palivovými články 2022–2042“ zkoumá současný stav vývoje vozidel s palivovými články pro osobní automobily, lehká užitková vozidla, nákladní automobily a městské autobusy. Zpráva pojednává o technických a ekonomických aspektech nasazení palivových článků v těchto různých dopravních aplikacích a představuje nezávislý výhled společnosti IDTechEx na 20 let pro budoucnost vozidel s palivovými články.
