S dopravou odpovědnou za významné procento globálních skleníkových plynůse objevily dvě technologie jako životaschopná řešení pro dekarbonizaci – bateriová elektrická vozidla a vozidla s vodíkovými palivovými články. Zde prozkoumáme vědeckou a patentovou oblast, abychom odhalili, která se pravděpodobně stane nejschůdnější alternativou k vozidlům s benzínovým a naftovým pohonem.
Baterie EV – rychlý úvod
Bateriové elektrické vozidlo používá k napájení motoru vozidla palubní baterii, která zahrnuje různé konfigurace bateriových článků. Přestože existuje mnoho variant architektury bateriových článků založených na různých kombinacích a materiálech anody, katody a elektrolytu, obecný princip je stejný – poskytnout zařízení, které přeměňuje uloženou chemickou energii na elektrickou energii. To poskytuje elektrický proud, který se používá k pohonu elektromotorů, které roztáčí kola, vrtule a další mechanismy.
Baterie EV – nevýhody
Navzdory ekologickým a úsporným výhodám bateriových elektrických vozidel mají lithium-iontové baterie – považované za nejlepší v současnosti dostupné – pouze přibližně 1 % energetické hustoty benzínu nebo nafty. Z tohoto důvodu se menší a lehčí vozidla jeví jako nejlepší kandidáti na bateriové elektrické pohonné jednotky. Jak se vozidla zvětšují, velikost a hmotnost bateriového bloku potřebného k napájení vozidla, stejně jako dostupný dojezd, začíná činit bateriové napájení méně atraktivní možností.
EV s vodíkovými palivovými články – výhody
Vodíkové palivové články mají mnohem větší hustotu akumulace energie než lithium-iontové baterie, čímž nabízejí značnou výhodu dojezdu pro elektromobily a zároveň jsou lehčí a zabírají méně místa. Vozidla na vodíkový pohon lze také natankovat během několika minut, zatímco u vozidel s bateriovým pohonem je třeba počkat, než se baterie nabije.
EV s vodíkovými palivovými články – rychlý úvod
Stejně jako u elektromobilů na baterie, i elektromobily s vodíkovými palivovými články využívají elektřinu k pohonu elektromotoru. To je generováno palivovým článkem poháněným vodíkem, spíše než odebíráním elektřiny přímo z baterie. Palivový článek generuje elektřinu prostřednictvím elektrochemické reakce, při které se vodík a kyslík spojují za vzniku elektřiny, tepla a vody. Palivový článek se skládá z anody, katody a elektrolytové membrány. Obecně řečeno, vodík vstupuje do palivového článku přes anodu, kde se rozlévá na elektrony a protony. Vodíkové ionty procházejí elektrolytem, který tlačí elektrony přes obvod, generuje elektrický proud a přebytečné teplo. Kyslík vstupující na katodu se spojuje s elektrony z elektrického obvodu a vodíkovými ionty, které prošly elektrolytem z anody, čímž vzniká neškodná emise – voda.
EV s vodíkovými palivovými články – nevýhody
Technické výzvy, kterým čelí elektrická vozidla s vodíkovými palivovými články, jsou dostupnost a čistá výroba vodíku a využití vodíku jako zdroje energie.
Výroba vodíku vyžaduje značné množství energie, takže způsob jeho výroby je rozhodující pro jeho dopad na životní prostředí. Navzdory tomu, že vodík je bezbarvý plyn, je označován řadou barev, které naznačují dopad jeho výroby na životní prostředí, například:
- Šedý vodík se vyrábí z fosilních paliv v procesu, který uvolňuje CO2 do atmosféry. V současnosti se jedná o nejlevnější a nejběžnější formu vodíku.
- Modrý vodík se také vyrábí pomocí fosilních paliv, ale výsledný CO2 se zachycuje, aby se omezily emise skleníkových plynů. Proces zachycování uhlíku znamená, že modrý vodík je dražší než jeho šedý protějšek. Nedávno oznámená investice britské vlády do vodíkové ekonomiky se silně opírá o produkci modrého vodíku. Existují však pochybnosti o tom, jak čistý proces skutečně je, přičemž některá čísla naznačují, že se uvolňuje 5–15 % vyprodukovaného CO2, což by mohlo vést k tomu, že se do atmosféry uvolní miliony tun CO2 ročně.
- Zelený vodík se vyrábí pomocí elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, jako je vítr a slunce, což z něj činí nejčistší formu vodíku. Jedna z nejslibnějších možností zeleného vodíku využívá elektřinu z obnovitelných zdrojů k napájení elektrolýzy vody. V tomto procesu hraje kritickou roli chemie, která štěpí vodu na vodík a kyslík. Elektrolyzéry se liší materiálem elektrolytu a provozní teplotou. Některé příklady zahrnují alkalické elektrolyzéry, elektrolyzéry s protonovou výměnnou membránou a elektrolyzéry s iontoměničovou membránou. Cena zeleného vodíku je nakonec mnohem vyšší než u modrého nebo šedého kvůli ceně elektrolyzérů a elektrické energii potřebné k jejich provozu.
Budoucnost osobní dopravy a hlavolam o energetických ztrátách
Z tohoto důvodu panuje současná shoda v tom, že budoucnost osobních vozidel a vozidel s krátkým dojezdem (jako jsou dodávkové vozy v centru města) spočívá v bateriových elektrických pohonných jednotkách. Zatímco se má za to, že elektrická vozidla s vodíkovými palivovými články mají uplatnění také v této oblasti, inovace se z velké části soustředí na použití vodíkových palivových článků pro přepravu většího rozsahu a na delší vzdálenosti, jak odhalil přehled současné patentové aktivity v této oblasti.
Pokud je jedním z vašich hlavních cílů záchrana planety, jsou elektrická vozidla na baterie podstatně energeticky účinnější než vozidla s vodíkovými palivovými články, když vezmete v úvahu řadu kroků mezi výrobou energie a pohonem. U elektromobilu na baterie, jakmile je elektřina vyrobena (doufejme z obnovitelného zdroje), proces jejího dodávání do místa nabíjení vašeho vozidla znamená, že se ztratí přibližně 5 % elektřiny. Proces nabíjení a vybíjení baterie ztrácí dalších 10 %. Nakonec motor při jízdě spotřebovává dalších 5 %. To znamená celkovou ztrátu 20 %.
U vodíkového palivového článku musíte nejprve přeměnit elektřinu na vodík elektrolýzou, která má pouze 75% účinnost. Plyn se pak musí stlačit, zchladit a přepravit, přičemž ztratí dalších 10 %. Proces přeměny vodíku zpět na elektřinu v palivových článcích je pouze 60% účinný, poté máte stejnou 5% ztrátu z pohonu motoru vozidla jako u elektromobilu na baterie. Celková ztráta je 62 %, což je více než trojnásobek.
Jinak řečeno, na každý kW dodávky elektřiny získáte 800 W energie pro akumulátorové elektrické vozidlo, ale pouze 380 W pro vozidlo s vodíkovými palivovými články – tedy méně než polovinu. To je obrovská neefektivita, pokud doufáte v zelenější budoucnost, a to ani nezapočítává skutečnost, že 95 % vodíku se v současnosti vyrábí z fosilních paliv.
Budoucnost technologie vodíkových palivových článků
Přesto má vodík stále mezery, kde jeho hlavní přednosti – lehkost a rychlé doplňování paliva – poskytují jasnou výhodu. I když je možné přizpůsobit osobní životní styl jízdy strategickým zastávkám pro nabíjení baterie, není to ideální pro komerční vozidla nebo vozy veřejné dopravy na dlouhé vzdálenosti, jako jsou vlaky nebo autobusy, které spoléhají na rychlé doplňování paliva, aby se zkrátily čekací doby na dlouhé vzdálenosti.
Přehled současných inovací v oblasti vozidel s vodíkovými palivovými články odhaluje použití technologie vodíkových palivových článků v oblastech, jako jsou:
Námořní technologie
Daewoo v současné době vyvíjí vodíkové pohonné systémy pro námořní aplikace. Korejský patent KR20190054206A popisuje pohonný systém pro ponorky na bázi palivových článků poháněný kapalným vodíkem. Korejský patent KR20190073050 popisuje hybridní vodíkový energetický systém založený na palivových článcích pro loď využívající zkapalněný plynný vodík jako palivo pro výrobu elektřiny pro pohon otáčení hřídele vrtule.
Kromě toho výzkum Zhejiang Ocean University popsaný v čínském patentu CN110758708 zahrnuje lodní hybridní pohonný systém s palivovými články, který integruje vodíkové palivové články a baterii. Za normálního provozu poskytuje vodíkový palivový článek energii pro pohonný systém, ale za podmínek, které vyžadují vyšší výstupní výkon, palivový článek a baterie společně pohánějí loď.
Letectví
Vodíkové palivové články jsou také zkoumány jako zdroj energie pro letectví. Čínské patenty CN211543883 a CN 211253048 popisují bezpilotní letoun poháněný vodíkovým palivovým článkem.
Mezitím Airbus usiluje o letadla na vodíkový pohon a naznačil, že do roku 2025 rozhodne, zda je tato technologie komerčně životaschopná. Společnost předpokládá, že její první vodíková dopravní letadla mohou vstoupit do provozu v roce 2035.
V roce 2008 Boeing postavil letadlo na vodíkový pohon a o čtyři roky později představil Phantom Eye – bezpilotní letoun poháněný kapalným vodíkem, který dokáže létat až čtyři dny ve výšce 20,000 2005 metrů. Boeing podal mnoho patentových přihlášek týkajících se letů na vodíkový pohon, včetně W084156/7,871,042, který popisuje letadlo s vodíkovými palivovými články, které stlačuje okolní vzduch pro oxidační činidlo, a USXNUMX XNUMX XNUMX, který popisuje řešení pro skladování kapalného vodíkového paliva se sníženou hmotností nádrže. .
Budoucnost je. hybridní?
Zatímco vodíkové palivové články nabízejí čistý a energeticky hustý zdroj energie pro sektor dopravy, tato technologie je v současnosti drahá s omezenou podpůrnou infrastrukturou. Navzdory tomu se zdá, že vodíková energie se vyvíjí jako předchůdce pro přepravu na dlouhé vzdálenosti as výhodou lehčího pohonného systému než alternativa bateriových článků. Nedávné komerční investice do vozidel na vodíkový pohon zaznamenaly vývoj technologií na vodíkový pohon pro nákladní lodě, vlaky a sanitky. Jakmile bude technologie dostatečně vyvinuta, vodík má potenciál zvýšit dojezd a řešit otázku doby nabíjení, zejména u větších bateriových sad.
V současnosti však technologie lithium-iontových baterií zůstává komerčně nejpokročilejším a nejpraktičtějším řešením pro napájení osobních a jiných lehkých elektrických vozidel. S 1,800 novými ultrarychlými nabíjecími stanicemi, které mají být instalovány na britských dálničních čerpacích stanicích jako součást vládního investičního programu do energetické sítě ve výši 40 miliard liber, a s dalšími finančními prostředky na cestě k pomoci připravit zemi na ekologičtější způsoby dopravy, Zdá se, že počet bateriových elektrických vozidel se bude v příštích několika letech rozšiřovat, protože se řeší obavy spotřebitelů z dojezdu a vlastnictví elektromobilů se více normalizuje.
