W dobie zanieczyszczeń i coraz większych problemów ekologicznych naszej planety, podjęto decyzję o elektryfikacji pojazdów. Ten proces już się zaczął, ale ogromnych trudności przysparza konstruktorom znaczna masa i ograniczona wydajność baterii. Elektryczne pojazdy wymagają też zbudowania gęstej, globalnej infrastruktury ładowania. Alternatywą już dziś wdrażaną do różnego rodzaju pojazdów są zasilane wodorem ogniwa paliwowe. Mogą one skutecznie zastąpić baterie - są od nich o wiele lżejsze i efektywniejsze. Ogniwa wodorowe generują energię elektryczną bezpośrednio na pokładzie pojazdu. Oto najważniejsze fakty o wodorze i pojazdach na ogniwa paliwowe.
Wodór jest powszechnie występującym w przyrodzie pierwiastkiem, wchodzącym w skład wielu substancji. Można go pozyskiwać z łatwo dostępnych źródeł, np. przez elektrolizę wody, z odpadów rolnych lub komunalnych. Do jego wytworzenia potrzebna jest energia i substancja zawierająca wodór. Można go produkować w dowolnym miejscu.
Wodór pozwala przechowywać więcej energii niż akumulator o tej samej masie. Z tego powodu ogniwa paliwowe mogą okazać się rozwiązaniem problemu deficytu surowców kluczowych dla produkcji akumulatorów, takich jak kobalt. Energetyka wodorowa może być także sposobem na zwiększenie niezależności energetycznej państwa, ograniczając nasze uzależnienie od importu ropy naftowej i gazu z rynków wrażliwych na sytuację polityczną.
Znakomity nośnik energii
Sam wodór jest nie tyle paliwem, co nośnikiem energii, umożliwiającym jej wygodne i efektywne przechowywanie i transportowanie. Pozwala łatwiej i bardziej ekonomicznie gromadzić energię. Powszechnie stosowane w napędach elektrycznych akumulatory trakcyjne ustępują technologii wodorowej pod względem ilości gromadzonej energii i szybkości ładowania.
Wodór jest praktyczniejszy nawet od elektrowni szczytowo-pompowych, magazynujących prąd na skalę przemysłową, ponieważ elektrolizery wody mogą mieć praktycznie dowolną wielkość i można je instalować w niemal każdym miejscu. To rozwiązanie, w okresach mniejszego zapotrzebowania na prąd, pozwala zagospodarować nadmiar energii elektrycznej, wytwarzanej przez turbiny wiatrowe, panele fotowoltaiczne lub konwencjonalne elektrownie.
Na tym nie koniec zalet wodoru. Można go pozyskiwać bez obciążania środowiska naturalnego z czystych surowców, przy wykorzystaniu energii odnawialnej lub np. w procesie utylizacji odpadów z użyciem metody parowego reformingu metanu. Wykorzystanie nadmiaru prądu z elektrowni wiatrowych lub słonecznych w okresach mniejszego zapotrzebowania pozwala lepiej gospodarować zasobami infrastruktury energetycznej i obniża koszty produkcji, a pozyskiwanie wodoru z odpadów przyczynia się do ograniczenia emisji zwiększającego efekt cieplarniany metanu. Wytwarzanie energii elektrycznej z wodoru nie powoduje powstawania żadnych szkodliwych dla środowiska substancji. Jedynym produktem ubocznym reakcji jest… woda.
Wodór jest bezpieczny
Owszem, jest gazem łatwopalnym i w połączeniu z powietrzem tworzy wybuchową mieszankę, ale w praktyce stwarza o wiele mniejsze zagrożenie, niż popularny gaz LPG albo benzyna. Ze względu na to, że jest 14-krotnie lżejszy od powietrza, w przypadku rozszczelnienia instalacji natychmiast ulatuje w górę, zanim utworzy niebezpieczną mieszankę.
W przeciwieństwie do benzyny i LPG, nawet w przypadku zapłonu wodór nie powoduje wielkich szkód, ponieważ nie rozlewa się po podłożu. Pali się wąskim, szybko uciekającym ku górze płomieniem, wytwarzającym niewiele promieniowania cieplnego.
Ponadto instalacje wodorowe są wykonane w sposób gwarantujący szczelność i wyposażone w zwielokrotnione zabezpieczenia. Np. ściany zbiorników z wodorem w zasilanej ogniwami paliwowymi Toyocie Mirai wykonano z zastosowaniem niezwykle wytrzymałych włókien węglowych.
Wodór nie tylko w samochodach
Na wodorowej rewolucji mogą skorzystać m. in. żegluga i porty. Do połowy 2019 roku w San Francisco rozpoczną się morskie testy pierwszego w USA statku, zasilanego ogniwami wodorowymi. Water-Go-Round będzie pierwszym na świecie komercyjnym promem z tego rodzaju napędem. Swoją służbę w białej flocie ma rozpocząć już w drugiej połowie przyszłego roku. To nie jedyny statek z napędem wodorowym, który powstaje w Kalifornii.
Kolejny projekt to jednostka badawcza ZERO-V, która będzie wykorzystywana przez Instytut Oceanograficzny Scripps. Główną zaletą statku o zerowej emisji jest cicha praca. To ważny czynnik dla naukowców, badających ocean i żyjące w nim wrażliwe na hałas i wibracje zwierzęta. Z tej samej przyczyny UE finansuje projekt na rzecz ogniw paliwowych i technologii wodorowych MARANDA, wykorzystujący napęd wodorowy na statku badawczym VTT. Pasażerski prom zasilany wodorem będzie wkrótce pływać również po wodach Norwegii. Zaletą ogniw paliwowych na statkach jest także brak wywołujących chorobę morską i szkodliwych dla zdrowia oparów oleju napędowego.
Z wodorowych napędów mogą korzystać również porty. Te znajdujące się w Los Angeles i Long Beach planują przejście na zeroemisyjne technologie dla swoich pojazdów i urządzeń, aby do 2035 roku nie emitować żadnych zanieczyszczeń. Z technologii ogniw paliwowych będą korzystać również porty w Auckland w Nowej Zelandii oraz hiszpańskiej Walencji.
Obecnie żegluga jest odpowiedzialna za 2,2 proc. rocznych emisji gazów cieplarnianych na świecie. Prognozy globalnej emisji dwutlenku węgla przez statki wskazują jednak, że do 2050 roku może ona wzrosnąć do poziomu 10 - 15 proc. Dlatego wodór może odegrać kluczową rolę w przyszłości transportu morskiego. Jego powszechne zastosowanie do 2050 roku może doprowadzić do dekarbonizacji sektora żeglugi aż o 96 proc.
Zakłada się, że potrzebny m.in. żegludze wodór mógłby być masowo produkowany na Bliskim Wschodzie, gdzie dostępna jest tania odnawialna energia elektryczna, a następnie transportowany statkami. Porty w Los Angeles i Long Beach dysponują już projektami urządzeń do obsługi ładunków wodorowych w ogniwach paliwowych, które mogą zostać uruchomione już w 2019 roku.
Przejście na ogniwa paliwowe w żegludze byłoby proste ze względu na to, że już dziś większość kontenerowców korzysta z silników elektrycznych, zasilanych przez agregaty prądotwórcze. Jest również duży potencjał eksportu wodoru z krajów o ogromnych zasobach odnawialnych, takich jak Australia, Nowa Zelandia i Chile. Produkowany tam i na Bliskim Wschodzie wodór mógłby się stać źródłem zasilania również dla zelektryfikowanego transportu na lądzie.
Ogniwa wodorowe nadają się do zastosowania w każdym rodzaju pojazdów, napędzanych silnikami elektrycznymi. Sięgnęła po nie np. francuska kolej SNCF, która zapowiedziała wprowadzenie całego taboru wodorowych pociągów we wszystkich regionach kraju. Pierwsze składy mają pojawić się na torach do 2022 roku, a do roku 2035 roku całkowicie wyprzeć z Francji pociągi napędzane olejem napędowym.
Ciężarówki i auta na wodór
Do obsługi amerykańskich portów w Los Angeles i Long Beach wykorzystywana jest także pierwsza na świecie ciężarówka z napędem wodorowym o mocy ponad 670 KM i 1800 Nm maksymalnego momentu obrotowego. W samochodzie pracują dwa zestawy ogniw paliwowych z Toyoty Mirai. Ładowność ciężarówki wynosi 36 290 kg, a jej zasięg z obciążeniem to ponad 320 km na jednym tankowaniu.
Wodorowa ciężarówka służy do transportu towarów z terminali portowych w Los Angeles i Long Beach do pociągów towarowych i magazynów. Codziennie pokonuje ok. 320 km, emitując wyłącznie czystą wodę. Dodajmy, że napędy wodorowe znajdziemy także w wózkach widłowych, pracujących w wielu fabrykach, oraz w miejskich autobusach w Japonii. Trwają tam również testy wodorowych samochodów dostawczych.
Zaczęło się jednak od samochodów. Pierwszymi seryjnie produkowanymi samochodami elektrycznymi, zasilanym ogniwami wodorowymi, były Hyundai ix35 Fuel Cell i Toyota Mirai (jap. „przyszłość”), zdolna pokonać na pełnych zbiornikach dystans od 550 do ok. 700 km. Ich napełnianie wodorem zajmuje ok. 3 min. Na rynku pojawiło się też kilka innych, zasilanych wodorem modeli, jak Honda FCX Clarity czy Nissan X-Trail FCV i Hyundai Nexo, a ostatnio Mercedes GLC F-Cell.
Wodorowa Toyota ma dwa zbiorniki o łącznej pojemności 122 l, mieszczące łącznie 5 kg wodoru, zmagazynowanego pod ciśnieniem 700 barów. Co ciekawe, ogniwa paliwowe Mirai można wykorzystać również do zasilania prądem gospodarstwa domowego. W bagażniku znajduje się gniazdo, do którego można podłączyć zewnętrzne odbiorniki prądu. Mirai z powodzeniem zastąpi generatory Diesla, nie powodując hałasu ani zanieczyszczenia powietrza i dostarczając energii wystarczającej na dwa dni zasilania jednorodzinnego domu.
Elektryczny silnik o mocy 154 KM i momencie obrotowym 335 Nm rozpędza Toyotę Mirai w 9 sekund do setki i maksymalnie do prędkości 178 km/h. Jest zasilany ogniwami paliwowymi, generującymi prąd z reakcji wodoru i tlenu w 370 warstwowych ogniwach paliwowych. Pojazd zużywa średnio 0,76 kg wodoru na 100 km. W Europie funkcjonują już duże floty wodorowych sedanów Toyoty, ok. 100 taksówek jeździ po Paryżu, ponad 50 aut w wypożyczalni w Londynie, w Hamburgu 35 takich samochodów wozi pasażerów w serwisie ridesharingowym.
Tankowanie wodoru w Polsce
Sieć stacji tankowania wodoru na świecie szybko się rozrasta. W Europie od kilku lat działa ich już kilkadziesiąt, a wkrótce będzie ich kilkaset. Uruchomienie do końca 2021 roku dwóch stacji tankowania wodoru w Polsce, przede wszystkim z myślą o zasilanych ogniwami paliwowymi pojazdach komunikacji miejskiej, zapowiedziała właśnie Grupa Lotos.
Wodór po raz pierwszy będzie można zatankować przy rafinerii Grupy Lotos w Gdańsku oraz na stacji LOTOS przy ul. Łopuszańskiej w Warszawie. Wodorowe stacje są częścią projektu Niebieski Szlak, mającego na celu rozbudowę sieci stacji ładowania samochodów elektrycznych.
Zanim powstaną, Lotos rozpocznie produkcję wodoru o bardzo wysokiej czystości (99,999%), niezbędnego do zasilania ogniw paliwowych w samochodach. Taki rodzaj czystego paliwa zapewni daleki zasięg pojazdu (450 km), bez konieczności dodatkowego tankowania wodoru na trasie pomiędzy stolicą Polski a rafinerią w Gdańsku i ograniczy koszty inwestowania w dodatkową infrastrukturę sieci elektroenergetycznych. Gdańska rafineria w ramach projektu EFRA zmodernizuje swoją instalację i wybuduje dodatkową do jego oczyszczania. Docelowo Lotos będzie produkować ponad 16,5 tony wodoru na godzinę (obecnie ok. 13 t/h).
Dodajmy, że do 2030 roku także Grupa PGE planuje zbudować 9 stacji tankowania wodoru w Białymstoku, Szczecinie, okolicach Łodzi i Trójmiasta, a także Katowicach, Wrocławiu i Krakowie. Stacje mają powstać wzdłuż przebiegających przez Polskę transeuropejskich dróg, łączących Morze Północne z Bałtykiem i Morze Bałtyckie z Adriatykiem.
Wodór pozwala przechowywać więcej energii niż akumulator o tej samej masie. Z tego powodu ogniwa paliwowe mogą okazać się rozwiązaniem problemu deficytu surowców kluczowych dla produkcji akumulatorów, takich jak kobalt. Energetyka wodorowa może być także sposobem na zwiększenie niezależności energetycznej państwa, ograniczając nasze uzależnienie od importu ropy naftowej i gazu z rynków wrażliwych na sytuację polityczną.
Znakomity nośnik energii
Sam wodór jest nie tyle paliwem, co nośnikiem energii, umożliwiającym jej wygodne i efektywne przechowywanie i transportowanie. Pozwala łatwiej i bardziej ekonomicznie gromadzić energię. Powszechnie stosowane w napędach elektrycznych akumulatory trakcyjne ustępują technologii wodorowej pod względem ilości gromadzonej energii i szybkości ładowania.
Wodór jest praktyczniejszy nawet od elektrowni szczytowo-pompowych, magazynujących prąd na skalę przemysłową, ponieważ elektrolizery wody mogą mieć praktycznie dowolną wielkość i można je instalować w niemal każdym miejscu. To rozwiązanie, w okresach mniejszego zapotrzebowania na prąd, pozwala zagospodarować nadmiar energii elektrycznej, wytwarzanej przez turbiny wiatrowe, panele fotowoltaiczne lub konwencjonalne elektrownie.
Na tym nie koniec zalet wodoru. Można go pozyskiwać bez obciążania środowiska naturalnego z czystych surowców, przy wykorzystaniu energii odnawialnej lub np. w procesie utylizacji odpadów z użyciem metody parowego reformingu metanu. Wykorzystanie nadmiaru prądu z elektrowni wiatrowych lub słonecznych w okresach mniejszego zapotrzebowania pozwala lepiej gospodarować zasobami infrastruktury energetycznej i obniża koszty produkcji, a pozyskiwanie wodoru z odpadów przyczynia się do ograniczenia emisji zwiększającego efekt cieplarniany metanu. Wytwarzanie energii elektrycznej z wodoru nie powoduje powstawania żadnych szkodliwych dla środowiska substancji. Jedynym produktem ubocznym reakcji jest… woda.
Wodór jest bezpieczny
Owszem, jest gazem łatwopalnym i w połączeniu z powietrzem tworzy wybuchową mieszankę, ale w praktyce stwarza o wiele mniejsze zagrożenie, niż popularny gaz LPG albo benzyna. Ze względu na to, że jest 14-krotnie lżejszy od powietrza, w przypadku rozszczelnienia instalacji natychmiast ulatuje w górę, zanim utworzy niebezpieczną mieszankę.
W przeciwieństwie do benzyny i LPG, nawet w przypadku zapłonu wodór nie powoduje wielkich szkód, ponieważ nie rozlewa się po podłożu. Pali się wąskim, szybko uciekającym ku górze płomieniem, wytwarzającym niewiele promieniowania cieplnego.
Ponadto instalacje wodorowe są wykonane w sposób gwarantujący szczelność i wyposażone w zwielokrotnione zabezpieczenia. Np. ściany zbiorników z wodorem w zasilanej ogniwami paliwowymi Toyocie Mirai wykonano z zastosowaniem niezwykle wytrzymałych włókien węglowych.
Wodór nie tylko w samochodach
Na wodorowej rewolucji mogą skorzystać m. in. żegluga i porty. Do połowy 2019 roku w San Francisco rozpoczną się morskie testy pierwszego w USA statku, zasilanego ogniwami wodorowymi. Water-Go-Round będzie pierwszym na świecie komercyjnym promem z tego rodzaju napędem. Swoją służbę w białej flocie ma rozpocząć już w drugiej połowie przyszłego roku. To nie jedyny statek z napędem wodorowym, który powstaje w Kalifornii.
Kolejny projekt to jednostka badawcza ZERO-V, która będzie wykorzystywana przez Instytut Oceanograficzny Scripps. Główną zaletą statku o zerowej emisji jest cicha praca. To ważny czynnik dla naukowców, badających ocean i żyjące w nim wrażliwe na hałas i wibracje zwierzęta. Z tej samej przyczyny UE finansuje projekt na rzecz ogniw paliwowych i technologii wodorowych MARANDA, wykorzystujący napęd wodorowy na statku badawczym VTT. Pasażerski prom zasilany wodorem będzie wkrótce pływać również po wodach Norwegii. Zaletą ogniw paliwowych na statkach jest także brak wywołujących chorobę morską i szkodliwych dla zdrowia oparów oleju napędowego.
Z wodorowych napędów mogą korzystać również porty. Te znajdujące się w Los Angeles i Long Beach planują przejście na zeroemisyjne technologie dla swoich pojazdów i urządzeń, aby do 2035 roku nie emitować żadnych zanieczyszczeń. Z technologii ogniw paliwowych będą korzystać również porty w Auckland w Nowej Zelandii oraz hiszpańskiej Walencji.
Obecnie żegluga jest odpowiedzialna za 2,2 proc. rocznych emisji gazów cieplarnianych na świecie. Prognozy globalnej emisji dwutlenku węgla przez statki wskazują jednak, że do 2050 roku może ona wzrosnąć do poziomu 10 - 15 proc. Dlatego wodór może odegrać kluczową rolę w przyszłości transportu morskiego. Jego powszechne zastosowanie do 2050 roku może doprowadzić do dekarbonizacji sektora żeglugi aż o 96 proc.
Zakłada się, że potrzebny m.in. żegludze wodór mógłby być masowo produkowany na Bliskim Wschodzie, gdzie dostępna jest tania odnawialna energia elektryczna, a następnie transportowany statkami. Porty w Los Angeles i Long Beach dysponują już projektami urządzeń do obsługi ładunków wodorowych w ogniwach paliwowych, które mogą zostać uruchomione już w 2019 roku.
Przejście na ogniwa paliwowe w żegludze byłoby proste ze względu na to, że już dziś większość kontenerowców korzysta z silników elektrycznych, zasilanych przez agregaty prądotwórcze. Jest również duży potencjał eksportu wodoru z krajów o ogromnych zasobach odnawialnych, takich jak Australia, Nowa Zelandia i Chile. Produkowany tam i na Bliskim Wschodzie wodór mógłby się stać źródłem zasilania również dla zelektryfikowanego transportu na lądzie.
Ogniwa wodorowe nadają się do zastosowania w każdym rodzaju pojazdów, napędzanych silnikami elektrycznymi. Sięgnęła po nie np. francuska kolej SNCF, która zapowiedziała wprowadzenie całego taboru wodorowych pociągów we wszystkich regionach kraju. Pierwsze składy mają pojawić się na torach do 2022 roku, a do roku 2035 roku całkowicie wyprzeć z Francji pociągi napędzane olejem napędowym.
Ciężarówki i auta na wodór
Do obsługi amerykańskich portów w Los Angeles i Long Beach wykorzystywana jest także pierwsza na świecie ciężarówka z napędem wodorowym o mocy ponad 670 KM i 1800 Nm maksymalnego momentu obrotowego. W samochodzie pracują dwa zestawy ogniw paliwowych z Toyoty Mirai. Ładowność ciężarówki wynosi 36 290 kg, a jej zasięg z obciążeniem to ponad 320 km na jednym tankowaniu.
Wodorowa ciężarówka służy do transportu towarów z terminali portowych w Los Angeles i Long Beach do pociągów towarowych i magazynów. Codziennie pokonuje ok. 320 km, emitując wyłącznie czystą wodę. Dodajmy, że napędy wodorowe znajdziemy także w wózkach widłowych, pracujących w wielu fabrykach, oraz w miejskich autobusach w Japonii. Trwają tam również testy wodorowych samochodów dostawczych.
Zaczęło się jednak od samochodów. Pierwszymi seryjnie produkowanymi samochodami elektrycznymi, zasilanym ogniwami wodorowymi, były Hyundai ix35 Fuel Cell i Toyota Mirai (jap. „przyszłość”), zdolna pokonać na pełnych zbiornikach dystans od 550 do ok. 700 km. Ich napełnianie wodorem zajmuje ok. 3 min. Na rynku pojawiło się też kilka innych, zasilanych wodorem modeli, jak Honda FCX Clarity czy Nissan X-Trail FCV i Hyundai Nexo, a ostatnio Mercedes GLC F-Cell.
Wodorowa Toyota ma dwa zbiorniki o łącznej pojemności 122 l, mieszczące łącznie 5 kg wodoru, zmagazynowanego pod ciśnieniem 700 barów. Co ciekawe, ogniwa paliwowe Mirai można wykorzystać również do zasilania prądem gospodarstwa domowego. W bagażniku znajduje się gniazdo, do którego można podłączyć zewnętrzne odbiorniki prądu. Mirai z powodzeniem zastąpi generatory Diesla, nie powodując hałasu ani zanieczyszczenia powietrza i dostarczając energii wystarczającej na dwa dni zasilania jednorodzinnego domu.
Elektryczny silnik o mocy 154 KM i momencie obrotowym 335 Nm rozpędza Toyotę Mirai w 9 sekund do setki i maksymalnie do prędkości 178 km/h. Jest zasilany ogniwami paliwowymi, generującymi prąd z reakcji wodoru i tlenu w 370 warstwowych ogniwach paliwowych. Pojazd zużywa średnio 0,76 kg wodoru na 100 km. W Europie funkcjonują już duże floty wodorowych sedanów Toyoty, ok. 100 taksówek jeździ po Paryżu, ponad 50 aut w wypożyczalni w Londynie, w Hamburgu 35 takich samochodów wozi pasażerów w serwisie ridesharingowym.
Tankowanie wodoru w Polsce
Sieć stacji tankowania wodoru na świecie szybko się rozrasta. W Europie od kilku lat działa ich już kilkadziesiąt, a wkrótce będzie ich kilkaset. Uruchomienie do końca 2021 roku dwóch stacji tankowania wodoru w Polsce, przede wszystkim z myślą o zasilanych ogniwami paliwowymi pojazdach komunikacji miejskiej, zapowiedziała właśnie Grupa Lotos.
Wodór po raz pierwszy będzie można zatankować przy rafinerii Grupy Lotos w Gdańsku oraz na stacji LOTOS przy ul. Łopuszańskiej w Warszawie. Wodorowe stacje są częścią projektu Niebieski Szlak, mającego na celu rozbudowę sieci stacji ładowania samochodów elektrycznych.
Zanim powstaną, Lotos rozpocznie produkcję wodoru o bardzo wysokiej czystości (99,999%), niezbędnego do zasilania ogniw paliwowych w samochodach. Taki rodzaj czystego paliwa zapewni daleki zasięg pojazdu (450 km), bez konieczności dodatkowego tankowania wodoru na trasie pomiędzy stolicą Polski a rafinerią w Gdańsku i ograniczy koszty inwestowania w dodatkową infrastrukturę sieci elektroenergetycznych. Gdańska rafineria w ramach projektu EFRA zmodernizuje swoją instalację i wybuduje dodatkową do jego oczyszczania. Docelowo Lotos będzie produkować ponad 16,5 tony wodoru na godzinę (obecnie ok. 13 t/h).
Dodajmy, że do 2030 roku także Grupa PGE planuje zbudować 9 stacji tankowania wodoru w Białymstoku, Szczecinie, okolicach Łodzi i Trójmiasta, a także Katowicach, Wrocławiu i Krakowie. Stacje mają powstać wzdłuż przebiegających przez Polskę transeuropejskich dróg, łączących Morze Północne z Bałtykiem i Morze Bałtyckie z Adriatykiem.
