Palivové články poháněné vodíkem měly být před deseti lety „Další velkou věcí“, ale humbuk předběhl trh a technologii. Přesto některé tiché pokroky a stabilní práce mají tento sektor na pokraji významného dopadu – pokud nějaká slibná technologie přinese ovoce.
Netrvalo dlouho a svět se zdál být na vrcholu revoluce palivových článků. Ceny benzínu byly vysoké a technologie baterií ještě dostatečně nevyzrála pro realistická elektrická vozidla. Auta poháněná vodíkem byla připravena zaujmout mezeru na trhu a levná, čistá energie by byla k dispozici pro řadu dalších aplikací.
Každopádně to byl nápad. V roce 2017 jsou nyní komerčně dostupné tři modely vozidel s palivovými články – Honda Clarity Fuel Cell, Hyundai Tucson Fuel Cell a Toyota Mirai, ale infrastruktura pro pohonné hmoty je stále v plenkách. Existuje pouze několik desítek vodíkových čerpacích stanic, většinou v Kalifornii, která by jich měla mít do roku 100 asi 2020. Většina projekcí podílu na trhu naznačuje, že vozidla s palivovými články zůstanou prozatím novinkou.
V energetickém sektoru je situace trochu jiná. Palivové články zůstávají nepatrným podílem na celkové výrobě, ale tento podíl roste. Největší elektrárny na palivové články nyní sahají do desítek megawattů.
To, co je odlišuje od automobilového sektoru a co posunulo energetický sektor dále, je palivo – tyto projekty nejsou poháněny vodíkem, ale bohatými dodávkami levného zemního plynu. Palivové články, které jsou neseny společně s elektrárnami založenými na plynových turbínách v nedávném nadbytku břidlicového plynu, přitahují pozornost jako čistší a účinnější alternativa. Ale ani tam se cesta neobešla bez hrbolků.
The Limping Fuel Cell Business
Jako obchodní návrh palivové články zatím nesplnily svůj technologický slib. Vývojáři a podnikatelé byli schopni oslnit rizikové kapitalisty a přilákat konvenční investory, ale zatím nikdo nebyl schopen realizovat udržitelné zisky.
E2016tech ve svém hodnocení tohoto odvětví z roku 4 uvedl: „Odvětví palivových článků zůstává náročným místem. Zatímco některé společnosti a technologie postupují dále po horách směrem k vrcholu komerčního úspěchu, jiné visí v trhlinách nebo je pohltily laviny.“
Dobrou případovou studií nastíněnou GreenTech Media je ClearEdge, společnost z Oregonu založená v roce 2006. ClearEdge dokázala získat přibližně 136 milionů dolarů od Kohlberg Ventures, Applied Ventures, Big Basin Partners a Southern California Gas Co. Strategií ClearEdge bylo vyvinout Palivové články s protonovou výměnnou membránou (PEM) pro aplikace kombinované výroby tepla a elektřiny v hotelích, bytových domech a školách. Vyvíjeli modulární systémy v rozsahu od 5 kW do 200 kW.
Na konci roku 2012 společnost ClearEdge koupila společnost United Technologies Corp. s palivovými články. UTC Power byla nejzkušenější společností na výrobu palivových článků v USA, která vyvinula palivové články pro program NASA Apollo a raketoplán. Díky akvizici společnost ClearEdge opustila buňky PEM a přešla na systémy kyseliny fosforečné společnosti UTC v rozsahu 5 kW až 400 kW.
Moc to nešlo. V dubnu 2014 společnost ClearEdge vyhlásila bankrot. Koupil ji jihokorejský konglomerát Doosan a přejmenoval ji na Doosan Fuel Cell se sídlem v South Windsor, Connecticut, v bývalých kancelářích UTC. Její finanční výsledky nejsou veřejně dostupné, přestože prodává své produkty zejména v Asii.
Čtyři další společnosti jsou hlavními hráči v obchodu s palivovými články v USA. Tři jsou veřejně obchodované na burze NASDAQ a u čtvrtého se uvádí, že se chystá na první veřejnou nabídku.
 |
| 1. Napájecí skříň. Zařízení na palivové články Dominion Bridgeport v Connecticutu je poháněno pěti elektrárnami FuelCell Energy. Projekt o výkonu 14.9 MW byl spuštěn na konci roku 2013. S laskavým svolením: FuelCell Energy |
Energie palivových článků (FCE). Společnost FCE se sídlem v Danbury, Connecticut, existuje od roku 1969 a zaměřuje se na velké, multimegawattové systémy užitkového rozsahu. Zatím se zdá, že FCE nasadilo nejvíce elektráren založených na palivových článcích (obrázek 1), přičemž největší je systém o výkonu 59 MW v Jižní Koreji. Společnost v březnu oznámila své finanční výsledky za první čtvrtletí roku 2017 s celkovými výnosy 17 milionů USD ve srovnání s 35.5 miliony USD v prvním čtvrtletí roku 2016. To vedlo ke ztrátě pro akcionáře ve výši 0.39 USD/akcii ve srovnání se ztrátou 0.48 USD/akcii v roce první čtvrtletí roku 2016.
Společnost očekávala, že bude loni na podzim vybrána v nabídce Connecticutu na 700 MW zdrojů čistých technologií. Ve státem řízené aukci neuspěl žádný zájemce o palivové články. Hartford Courant sloupkař Dan Haar poznamenal: „Ve společnosti FuelCell Energy sídlící v Danbury byl útok obzvláště ostrý a přispěl k řadě propouštění.“
Akcie společnosti se obchodovaly kolem 1.50 USD za akcii. Pokud akcie klesnou pod 1 dolar, NASDAQ by mohl akcie delistovat.
Napájení ze zásuvky. Společnost Plug Power se sídlem v Lathamu v New Yorku byla založena v roce 1997 jako společný podnik detroitské DTE Energy and Mechanical Technology Inc. Společnost vstoupila na burzu v roce 2002 a specializovala se na vnitřní vysokozdvižné vozíky. Nyní také prodává motory na palivové články určené pro elektrická dodávková vozidla a pro pozemní letištní vozidla. Ve čtvrtém čtvrtletí roku 2016 společnost PlugPower ztratila 0.11 USD na akcii při tržbách 32.6 milionů USD. To je srovnatelné s příjmy za čtvrté čtvrtletí 2015 ve výši 38.4 milionu USD (ztráta 0.14 USD na akcii). Akcie společnosti se v polovině března obchodovaly za 1.01 USD/akcii.
Ballard Power Systems. Ballard sídlí ve Vancouveru v Kanadě, ale má velké zastoupení v USA. Je kotována na torontské burze a NASDAQ. Společnost byla založena v roce 1979 jako Ballard Research Inc. za účelem výzkumu a vývoje lithiových baterií. V roce 1989 se společnost zaměřila na palivové články PEM pro těžká nákladní vozidla, jako jsou autobusy a tramvaje, přenosné pohony a manipulace s materiálem.
Ballard vykázal ve čtvrtém čtvrtletí 2016 ztrátu 1.1 milionu USD (0.01 USD/akcii) při tržbách 30.7 milionu USD, ve srovnání s příjmy za čtvrté čtvrtletí 2015 ve výši 20 milionů USD a ztrátou 1.4 milionu USD (také 0.01 USD/akcii). Ballardovy akcie se obchodovaly kolem 2 USD/akcii.
BloomEnergy. Bloom je možná nejzajímavější z amerických hráčů na palivové články. Založil K.R. Sridhar v roce 2002, společnost Sunnyvale, Kalifornie, dokázala proniknout do bohaté žíly rizikového kapitálu v Silicon Valley. The Wall Street Journal uvedla, že společnost byla schopna získat 1.2 miliardy dolarů rizikového kapitálu. Hlavním z prvních investorů byl John Doer z legendární firmy Kleiner Perkins Caufield & Byers. Pro Kleiner Perkins to byl první podnik v oblasti energetiky.
Bloom prodává stacionární systémy palivových článků s pevnými oxidy pro komerční a průmyslovou distribuovanou výrobu (obrázek 2). V lednu IKEA oznámila, že dokončila instalaci svého čtvrtého „Bloom Boxu“ ve svém obchodě v San Diegu, čímž jej nastartovala k výrobě celkového výkonu 1.5 MW z palivových článků Bloom. Systém o výkonu 200 kW v San Diegu bude spolupracovat se stávajícím solárním polem o výkonu 252 kW a bude dodávat většinu energie pro obchod o rozloze 200,000 XNUMX čtverečních stop.
 |
| 2. Modulární. Palivové články Bloom Energy s pevným oxidem jsou určeny především pro komerční a průmyslové aplikace, jako je tento systém dodávaný společnosti AT&T. Telekomunikační gigant instaloval 21 MW systémů Bloom Energy na 34 místech v Kalifornii, Connecticutu, New Jersey a New Yorku. S laskavým svolením: Bloom Energy |
Projekt Časopis uvedl, že Bloom měl v roce 2.9 hodnotu 2011 miliardy dolarů a člen představenstva předpověděl, že společnost požádá o primární nabídku akcií (IPO) do roku 2014. To se nestalo. Loni v říjnu noviny uvedly, že „Bloom Energy, Inc., kdysi oklamaný startup v oblasti alternativní energie, který získal 1.2 miliardy dolarů, je v důvěrné registraci u Americké komise pro cenné papíry a burzy [SEC] pro IPO, podle lidí obeznámených s záležitost.”
To naznačuje, že květ může být mimo hodnotu Bloom Energy. Zpráva uvádí, že společnost podala žádost podle federálního zákona „Jumpstart our Business Startups Act“, který „umožňuje společnostem s příjmem nižším než 1 miliarda $ soukromě se zaregistrovat u SEC“. Finanční výsledky Bloom Energy nejsou veřejné.
Slibná technologie palivových článků
Základní technologie za palivovými články ve skutečnosti existuje již dlouhou dobu (viz postranní panel) a není to poprvé, co byla oslavována jako budoucnost energetiky. Navzdory škytavkám v mnoha rozvahách však stále existuje značný příslib palivových článků pro výrobu v užitkovém měřítku. Jednou z nejzajímavějších možností je využití palivových článků pro zachycování a ukládání uhlíku (CCS).
Palivové články mají více než 200letou historii. Průkopnický britský chemik z počátku 19. století Sir Humphry Davy – který v letech 1807 a 1808 izoloval také prvky vápník, stroncium, baryum, hořčík a bor – v roce 1801 předložil elektrochemický princip palivových článků. Usoudil, že by bylo možné obrátit štěpení vody na vodík a kyslík, generování proudu. Britský chemik, fyzik a právník William Grove obecně získal uznání za první palivový článek z roku 1839, který nazval „plynová voltaická baterie“.
 |
| 3. Vesmírná síla. Každá kosmická loď Apollo nesla tři palivové články, jako je tento. Vyráběly elektřinu pro kosmickou loď kombinací vodíku a kyslíku. Vedlejším produktem reakce byla voda, kterou mohla posádka vypít. S laskavým svolením: Creative Commons/James Humphreys |
Grove ukázal, že reakce mezi vodíkem a kyslíkem s platinovým katalyzátorem by mohla vytvořit proud. V té době to byl prostě zajímavý fenomén s neznámými praktickými aplikacemi.
V roce 1889 Charles Langer a Ludwig Mond vymysleli termín „palivový článek“, když se neúspěšně pokusili vyrobit praktické zařízení využívající vzduch a uhelný plyn. Mnoho dalších výzkumníků se také pokusilo použít palivové články k přímé přeměně uhlí na elektřinu, ale to byla slepá ulička.
V roce 1932 Francis Bacon, profesor inženýrství na Cambridge v Anglii, vynalezl základní palivový článek, ale trvalo mu až do roku 1959, než předvedl funkční design s výkonem 5 kW. Přibližně ve stejnou dobu představil Američan Harry Karl Ihrig zemědělský traktor poháněný palivovými články, který byl upraven pro použití jednotky o výkonu 15 kW (20 k). Americké letectvo ve spolupráci s Allis-Chalmersem brzy vyvinulo vozidla s palivovými články, včetně vysokozdvižného vozíku a golfového vozíku.
Jednoduchá, bezemisní technologie se ukázala jako vhodná pro určité vysoce specializované aplikace, jako je cestování vesmírem. NASA na přelomu 1950. a 1960. let používala palivové články pro své pilotované vesmírné mise, zdokonalovala technologii membrán pro výměnu protonů pomocí platiny jako katalyzátoru, kterou použila v programu Gemini. Dceřiná společnost Pratt-Whitney, později získaná společností United Technologies Corp., vyvinula palivový článek o výkonu 1.5 kW pro použití v programu Apollo (obrázek 3) a v raketoplánu, který poskytuje elektřinu a pitnou vodu pro posádky.
Tyto rané návrhy fungovaly dostatečně dobře, ale pro běžné použití byly příliš drahé. Arabské ropné embargo a následný dramatický nárůst cen ropy v 1970. letech podnítily nové podniky s palivovými články. Mnohé z nich byly zaměřeny na dopravu a automobilky po celém světě experimentovaly s elektrickými vozidly s palivovými články. Vývoj kolem palivových článků s roztaveným uhličitanem v 1970. a 1980. letech XNUMX. století, financovaný vládou a energetickými společnostmi, zvýšil vyhlídku na reformu zemního plynu na vodík pro pohon velkých stacionárních elektráren.
Na přelomu století se vyhlídky na palivové články v užitkovém měřítku z velké části vytratily a pozornost se obrátila k menším systémům, pro dopravní aplikace a pro distribuovanou energii na straně zákazníka elektroměru. Tyto dvě aplikace nadále dominují, ale ani jedna z nich dosud nevedla k tomu, že by se palivové články staly něčím jiným než specializovanými hráči.
V polovině roku 2016 společnost ExxonMobil otřásla světem palivových článků oznámením, že rozšiřuje svou dříve soukromou spolupráci s FCE, aby prozkoumala využití její technologie k zachycování oxidu uhličitého (CO2) ze spalin zemního plynu. To, co odlišuje tento přístup, je to, že – pokud to funguje – spíše než aby to byl parazitický odtok na elektrárně, ve skutečnosti by generoval další energii.
Normálně v palivových článcích s roztaveným uhličitanem FCE se metan reformuje v anodě článku a vytváří CO2 a vodík, který se pak používá k výrobě elektřiny spojením s kyslíkem z okolního vzduchu za vzniku elektrického proudu a výfukových proudů vodní páry a CO2. Palivový článek zachycující uhlík by byl stále poháněn metanem, ale použitím spalin namísto okolního vzduchu mohou chemické reakce v článku koncentrovat až 90 % přicházejícího CO.2, který proudí s CO2 vznikající v procesu reformování do normálního výfukového proudu, kde může být snadno oddělen od vodní páry. Podle FCE je výstupní výkon větší než parazitický odběr z předchozích technologií CCS.
V říjnu FCE a ExxonMobil oznámily, že zavádějí pilotní test v závodě Southern Co.’s Plant Barry v Alabamě, aby shromáždili data pro vývoj rozsáhlého testu využívajícího spaliny z výfukových proudů uhlí i zemního plynu. Partnerem projektu je také Ministerstvo energetiky, které již podporuje výzkum FCE v oblasti CCS uhelných elektráren. Toto oznámení přitáhlo další pozornost a další společnosti v USA a Kanadě se obrátily na FCE o možných aplikacích CCS, a to nejen ve výrobě energie, ale i v dalších oblastech, jako je zpracování ropy a plynu, výroba cementu a ocelárny.
Podle Tonyho Lea, viceprezidenta FCE pro aplikace a pokročilé technologie, se kterým hovořil POWER v březnu budou FCE a ExxonMobil pracovat na počátečním testování a konstrukci na příštích devět až 12 měsíců s cílem zahájit výstavbu v roce 2018 a zahájit koncem roku 2018 nebo 2019. Leo řekl, že přístup se příliš neliší, ať už používá se uhlí nebo spaliny zemního plynu.
„Protože v moderních uhelných elektrárnách dochází k velkému čištění spalin, primární rozdíly jsou pouze v tom, že uhelné spaliny mají okolní teplotu, ale mají vyšší CO.2 koncentrace, což usnadňuje zachycení,“ řekl. „Ale protože náš palivový článek je vysokoteplotní systém, teplejší spaliny z plynové turbíny znamenají, že z ní můžeme zachytit tepelnou energii. Takže obojí má své plusy i mínusy.“
ExxonMobil se neostýchal jejich nadšení pro partnerství. Vijay Swarup, viceprezident pro výzkum a vývoj, nazval technologii „změnou hry“ pro CCS, když byla poprvé oznámena. Na znamení toho, jak vážně společnost bere věci, nový generální ředitel Darren Woods v blogovém příspěvku z 23. února označil projekt za jednu ze svých priorit pro budoucnost společnosti. “ExxonMobil investuje značné prostředky do CCS, včetně výzkumu nové technologie využívající palivové články, které by mohly CCS učinit dostupnějším a rozšířit jeho využití.”
Cesta k zisku?
Palivové články zůstávají relativně drahým prostředkem pro výrobu energie a opakované klopýtnutí některých společností vyrábějících palivové články jasně ukazují, že sektor stále hledá ziskové místo. Může to být CCS? Zatím žádná jiná technologie CCS nenabízí to, co by mohly palivové články, přičemž všechny ostatní přístupy jsou parazitické – někdy velmi velké – na generaci. Pokud FCE a ExxonMobil dokážou zajistit, aby to fungovalo nákladově efektivně, CCS by mohla být „zabijácká aplikace“, kterou palivové články hledaly po celá desetiletí. ■
–Thomas W. Overton, JD je přidruženým editorem POWER a Kennedy Maize je dlouholetý energetický novinář a častý přispěvatel do POWER.
