Je vodík odpovědí na naše energetické potřeby? Letecký a strojní inženýr vysvětluje, jak přivést toto palivo na Zemi.
01 Sarah Nightingale
Vodíkové palivo, které vypouští rakety NASA do vesmíru a poskytuje elektrickou energii prostřednictvím palivových článků, produkuje pouze jeden odpad: vodu tak čistou, že ji může astronautská posádka pít.
Zde na Zemi se první automobily poháněné vodíkovými palivovými články dostaly na trh v roce 2015 a slibovaly čistší vzduch a zdravější planetu. Ale pokud jste ještě žádného na cestě neviděli, nejste sami. V USA je jich méně než 7,000 XNUMX, tak proč se vodík nedostal do hlavního proudu jako alternativa k benzinovým motorům?
Paul Ronney, profesor leteckého a strojního inženýrství na USC Viterbi School of Engineering, který studuje spalování a pohon, říká, že vodík má před sebou určité překážky, včetně účinnosti a nákladů. Studuje, co by bylo zapotřebí k překonání některých z nich. Zde nás přibližuje úloze vodíku v oblasti alternativních paliv.
Jaké výhody nabízejí auta poháněná vodíkovými palivovými články?
Nevypouštějí skleníkové plyny z výfuku, takže mohou snížit znečištění v městských oblastech se špatnou cirkulací vzduchu, jako je jižní Kalifornie v USA a mnoho velkých měst v Indii a Číně.
Auta na vodík znějí skřípavě. Proč je nevozíme všichni?
Na Zemi není prakticky žádný čistý vodík, protože je tak reaktivní. Většina vodíku se vyrábí z metanu [zemního plynu] v procesu, při kterém vzniká oxid uhličitý a další skleníkové plyny. Vodík lze také vyrobit z vody pomocí elektrolýzy, ale to vyžaduje elektrickou energii. Abychom toho dosáhli, vracíme se ke spalování fosilních paliv.
Lze vyrobit vodík bez vytváření skleníkových plynů?
Solární elektřina může být použita k rozdělení vody na vodík a kyslík pomocí elektrolýzy. Vzhledem k tomu, že solární energie poskytuje pouze zlomek celkové elektřiny vyrobené v USA, přesměrování solární elektřiny na výrobu vodíku nesnižuje emise skleníkových plynů. To by se mohlo změnit, pokud v budoucnu dojde k nárůstu solární elektřiny.
Vodík je jen tak čistý, jak čistá je energie použitá k jeho výrobě. Existují další omezení?
Vodík ve vozidlech se musí stlačovat v drahých vysokotlakých nádržích, což vyžaduje uhodli jste energii. Současná vodíková vozidla využívají k přeměně chemické energie na energii palivové články. Palivové články jsou velmi nákladné, protože jsou složité a vyžadují drahé materiály, jako je platina.
Můžeme to obejít?
Palivové články jsou přitažlivé, protože teoreticky překonávají omezení účinnosti spojená s tradičními spalovacími motory. Představte si plýtvání energií jako teplo a hluk v tradičním vozidle. Zatímco mnoho vědců zkoumá způsoby, jak vyrobit levnější palivové články, můj výzkum používá jiný přístup: zlepšení proveditelnosti spalovacích motorů, které využívají vodík.
Jaké jsou výhody spalování vodíku?
Za prvé a především, spalovací motory jsou levné na výrobu a lze je snadno upravit pro provoz na vodík. Stejně jako u palivových článků je hlavním odpadním produktem voda, nikoli oxid uhličitý. Na rozdíl od benzínu také vodík dobře hoří v podmínkách s nízkou spotřebou paliva, kde je mnohem více kyslíku než paliva. To je dobré pro úsporu paliva a také výrazně snižuje emise oxidů dusíku.
Co takhle používat vodík ve stacionárních aplikacích?
Dopravní sektor byl požádán, aby nesl tíhu odpovědnosti za snižování skleníkových plynů, i když přispívá pouze jednou třetinou. Pokud to s řešením změny klimatu myslíme vážně, musíme upustit od fosilních paliv také v aplikacích mimo vozidla. Myšlenka přivádět vodík do domácností nebo podniků se zdá přitažená za vlasy, ale je to možné. Současná infrastruktura kapalného zemního plynu by mohla být upravena pro vodík. Hořlavost vodíku představuje bezpečnostní riziko, ale správnými opatřeními lze tyto obavy zmírnit – elektřina je nebezpečná, přesto ji všichni využíváme.
Vodíkové palivové články mají dlouhou a složitou historii od své počáteční teorie až po koncepci. Předpokládá se, že první vodíkový palivový článek, který byl vynalezen, byl v roce 1842 velšským fyzikem Williamem Groveem a technologie používaná k maximalizaci výroby energie a výkonu se nadále vyvíjela. Velký průlom nastal v 1990. letech 700. století giganty v oboru palivových článků Ballard Power Systems, kde jejich soustava palivových článků dosáhla hustoty výkonu 700 wattů na kilogram. Těchto XNUMX wattů/kg stačilo k tomu, aby z hlediska výkonu mohlo konkurovat tradičním motorům na bázi ropy, a to ještě předtím, než bylo implementováno do mnohem větších automobilů, jako jsou autobusy a tramvaje.
Od té doby jsme viděli výzkumníky a výrobce z celého světa, kteří oznamovali další pokrok ve vývoji technologie vodíkových palivových článků. Byly doby, kdy to vypadalo, že auta na vodíkové palivové články budou dalším velkým krokem pro automobilový sektor, ale ani nyní se to ještě neuskutečnilo. S nedávným globálním posunem k tomu, abychom byli ohleduplnější k životnímu prostředí a upřednostňovali udržitelný rozvoj, by nyní nastal ten pravý čas, aby se automobily na vodíkové palivové články staly široce dostupnými pro každodenní použití. Takže stojí za to se ptát, proč na našich silnicích stále nevidíme auta na vodíkový pohon?
Současný trh
Od tohoto článku existují pouze 2 vodíková auta, která můžete vidět na silnicích, ale pravděpodobnost je extrémně nízká. Těmito vozy jsou Toyota Mirai a Hyundai Nexo, které nejsou v současné době k dispozici na objednávku, přičemž ve skutečnosti vlastní a používá se pouze odhadem 30 vozů Nexo. V podstatě je pro veřejnost téměř nemožné se k nim dostat, nicméně existují plány, že se trh s vodíkovými auty v příštích několika letech rozroste. BMW iX5 Hydrogen je dalším příkladem, který není příliš daleko a plánuje veřejnou dostupnost do roku 2030.
Dále je v plánu mnoho konceptů od různých výrobců, které možná existují spíše jako technický exponát, než aby byly proveditelné pro sériovou výrobu. Je pravděpodobné, že v průběhu let uvidíme na našich silnicích více a nové modely budou oznámeny, a je vzrušující vidět, co může být za rohem. Environmentální přínosy v době, kdy jsou klimatické změny a emise v popředí mnoha myslí, by mohly být nesmírně důležité pro budoucnost nejen automobilového odvětví, ale i planety jako celku.
3… 2… 1… Ne jít.
Nyní zodpovězte otázku, proč přesně stále nevidíme vodíková auta na našich silnicích. Odpověď spočívá v různých výzvách, z nichž každá se hromadí a vytváří nepříznivou situaci pro výrobce i veřejnost. Proti vodíkovým autům je zkrátka příliš mnoho na to, aby byly životaschopné pro sériovou výrobu.
Infrastruktura nabíjení nebo doplňování paliva je téma, kterého jsme se dotkli v nedávném blogu, který zdůraznil, jak důležitá je pro elektromobily. Je to stejné pro vodíková auta a je to jedna z hlavních výzev, kterým právě teď čelíme. Infrastruktura pro vodíková auta vážně chybí, čerpacích stanic je velmi málo. Tento nedostatek ztěžuje spotřebitelům doplňování paliva do vozidel, což omezuje praktičnost a pohodlí vlastnictví vozu na vodíkový pohon. Náklady na výstavbu a údržbu čerpacích stanic na vodík jsou navíc vysoké, což dále umocňuje nejednoznačnost a nejistota ohledně toho, kdy a zda vůbec se vodíková auta stanou hlavním proudem, což vede k odstrašení potenciálních investorů a zpomalení rozšiřování infrastruktury.
Další překážkou pro přijetí automobilů na vodíkový pohon jsou vysoké náklady na výrobu a skladování. Plynný vodík se primárně získává elektrolýzou, která vyžaduje značné množství energie. V současnosti se většina vodíku vyrábí pomocí fosilních paliv, což maří účel snižování uhlíkových emisí. Výroba vodíku pomocí obnovitelných zdrojů energie, jako je solární nebo větrná energie, zatím není ve velkém měřítku komerčně životaschopná. Skladování a přeprava vodíku je také velmi nákladná, protože jeho uchovávání v sobě zahrnuje složité inženýrství a materiály. Může snadno uniknout do atmosféry díky své nízké objemové hustotě energie a také je vysoce těkavý a reaktivní, což dále komplikuje otázky bezpečnosti během přepravy.
V zemích, kde existuje silná vládní podpora, jako je Japonsko a Německo, bylo přijetí automobilů na vodíkový pohon úspěšnější. Tyto vlády poskytly finanční pobídky pro nákup automobilů na vodíkový pohon, investovaly do rozvoje infrastruktury pro doplňování paliva a stanovily cíle pro snížení emisí uhlíku. V mnoha jiných zemích však chybí podpůrné politiky a předpisy, což brzdí růst trhu automobilů na vodíková paliva. Co se týče Spojeného království, vládní vodíková strategie obsahuje důvody k optimismu, ale stále uznává rozsah výzvy pro komerčně dostupné vodíkové automobily.
Hrají EV roli?
Při zvažování budoucnosti automobilů na vodíkový pohon je důležité je porovnat s jinými vozidly na alternativní paliva, jako jsou elektromobily a hybridy. Elektromobily si v posledních letech získaly významnou oblibu díky pokroku v technologii baterií, větší cenové dostupnosti a zvyšující se dostupnosti nabíjecí infrastruktury. Poptávka po EV drasticky vzrostla a trh s EV má pevný základ, aby rok od roku rostl.
Zatímco auta na vodíkový pohon mají oproti elektromobilům výhody, pokud jde o dobu doplňování paliva a potenciál efektivněji skladovat a přepravovat vodík, není pochyb o tom, že poptávka po elektromobilech v posledních letech měla dopad na dostupnost vodíkových vozů. Na výrobce byla náhle vznesena poptávka, která musela přesouvat obrovské objemy zdrojů do výroby elektromobilů, což potenciálně omezovalo jejich kapacitu pro výrobu vodíkových automobilů.
Proč investovat do čističky vzduchu?
Závěrem lze říci, že ačkoli auta na vodíkový pohon mají velký příslib jako čisté a udržitelné dopravní řešení, jejich přítomnost na silnicích v roce 2023 je stále omezená. Jak se infrastruktura rozšiřuje, výrobní náklady klesají a politiky se stávají více podpůrnými, můžeme začít pozorovat nárůst počtu aut na vodíkový pohon na našich silnicích. Je to pravděpodobně otázka „kdy“, spíše než „pokud“.
V Elmelin bedlivě sledujeme trh s vodíkovými automobily a cítíme se optimisticky ohledně toho, kam může tato technologie zajít a jak podpoří cestu k čisté nule. Specializujeme se na izolační řešení pro elektromobily a úzce spolupracujeme s automobilovým průmyslem, abychom se neustále učili a vyvíjeli. Pokud byste se chtěli o naší práci dozvědět více, neváhejte nás kontaktovat a rádi si promluvíme.
Poslední příspěvky
- Péče o elektromobily v zimě: Příprava a bezpečné nabíjení
- Digitální bateriový pas: Přehled, výhody a výzvy
- 5 potenciálních výhod plánované britské gigatovárny na baterie
- 3 výhody flexibilní slídové fólie jako izolačního řešení
- Proč na našich silnicích stále nevidíme vodíková auta?
