Run on Less with Hydrogen Fuel Cells – RMI

Run on Less with Hydrogen Fuel Cells

Originally posted on ACT news.

Ale pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi (FCEV) istnieją od lat 60. ubiegłego wieku, ostatnio pojawiły się jako potencjalne rozwiązanie dekarbonizacji transportu ciężkiego. Nikola Motors właśnie ogłosiła, że pozyskała 1 miliard dolarów finansowania dla swojej technologii pojazdów wodorowych, dodając kilku znaczących nowych partnerów, w tym CNHI i Bosch. Na początku tego roku firma uruchomiła również śmiałą mapę drogową dla 700 stacji paliw w całym kraju i nawiązała współpracę z firmą Anheuser-Busch w zakresie 800 pojazdów, aby pomóc w dekarbonizacji jej floty towarowej. Co sprawia, że pojazdy FCEV są dobrym wyborem do dekarbonizacji transportu ciężkiego? Przyjrzyjmy się podobieństwom, zaletom i wyzwaniom związanym z pojazdami FCEV w porównaniu z konwencjonalnymi samochodami ciężarowymi o napędzie spalinowym.

It’s the Same, Only Better

Jedną z zalet pojazdów FCEV jest to, że wodór wykorzystuje infrastrukturę tankowania podobną do konwencjonalnych samochodów ciężarowych. Oznacza to, że pojazdy FCEV mogłyby być tankowane na istniejących przystankach dla ciężarówek w całym kraju, a wrażenia z tankowania byłyby podobne. Ciężarówkę można napełnić wodorem w mniej niż 15 minut, a proces tankowania FCEV jest podobny do tankowania ciężarówki z silnikiem wysokoprężnym; wodór jest pompowany do zbiornika pojazdu za pomocą pompy gazowej i dyszy, która jest podobna do tradycyjnej pompy do oleju napędowego.

Inną zaletą jest gęstość energetyczna wodoru. Gęstość energii oleju napędowego wynosi 45,5 megadżula na kilogram (MJ/kg), nieco mniej niż gęstość energii benzyny, która ma gęstość energii 45,8 MJ/kg. Natomiast wodór ma gęstość energetyczną około 120 MJ/kg, czyli prawie trzy razy większą niż olej napędowy czy benzyna. W kategoriach elektrycznych, gęstość energetyczna wodoru jest równa 33,6 kWh energii użytkowej na kilogram, w porównaniu z olejem napędowym, który posiada tylko około 12-14 kWh na kilogram. Oznacza to, że 1 kg wodoru, wykorzystany w ogniwie paliwowym do zasilania silnika elektrycznego, zawiera mniej więcej tyle samo energii, co galon oleju napędowego. Biorąc to pod uwagę, Nikola twierdzi, że jej pojazdy mogą uzyskać od 12 do 15 mpg, znacznie powyżej średniej krajowej dla ciężarówek z silnikiem diesla, która wynosi około 6,4 mpg.

Elektryczne układy napędowe są również bardziej wydajne niż silniki spalinowe. Z silnikiem spalinowym, około 50% energii wytworzonej jest przekazywane do ciepła, ale elektryczne układy napędowe tracą tylko 10% swojej energii do ciepła. Ta różnica wydajności pokazuje, jak wiele konsumenci tracą przy mniej wydajnych silnikach spalinowych.

Cena jest kolejnym atrakcyjnym atrybutem wodoru. Ceny oleju napędowego są obecnie bliskie $3.00 za galon, a przy niedawnym ograniczeniu produkcji ropy w Arabii Saudyjskiej, rozsądnie jest oczekiwać dalszego wzrostu cen oleju napędowego. Jednak jeśli chodzi o wodór, ostatnie analizy Bloomberg New Energy Finance sugerują, że cena produkcji wodoru w przeliczeniu na kilogram może wynieść zaledwie 1,40 USD za kilogram w ciągu około dekady.

Jeśli chodzi o transport ciężki, waga ma znaczenie. Pojazdy FCEV oferują ten sam wysoki moment obrotowy, który występuje w pojazdach elektrycznych zasilanych z akumulatorów, ale przy niższej masie. Przykładem jest szacunkowa różnica wagi pomiędzy elektrycznym Lionem 8 z akumulatorem a Nikolą One zasilaną wodorowymi ogniwami paliwowymi; Lion 8 posiada pakiet akumulatorów 480 kWh o zasięgu 250 mil, co odpowiada około 2-5 tonom. Szacuje się, że Nikola One, o zasięgu około 500-750 mil, ma zestaw akumulatorów o pojemności 250 kWh, który prawdopodobnie ważyłby około 2,5-3 ton.

Biorąc pod uwagę te czynniki, istnieje wyraźna droga do tego, aby wodór stał się niskoemisyjnym, tanim i lekkim paliwem alternatywnym dla ciężkich samochodów ciężarowych. Ciężarówki FCEV nie są jednak pozbawione wyzwań.

Niełatwo być zielonym

Mimo że wodór gazowy nie ma koloru ani zapachu, aby wesprzeć dekarbonizację transportu ciężkiego, będziemy potrzebować zielonego wodoru i to w dużej ilości. Zielony wodór, zwany również wodorem odnawialnym, to wodór wytwarzany wyłącznie przy użyciu energii odnawialnej, zazwyczaj w procesie elektrolizy. Elektroliza wody wykorzystuje energię elektryczną do rozdzielenia wody na gazowy wodór (H2) i tlen (O2), przekształcając energię elektryczną w energię chemiczną. Nadal istnieją pytania dotyczące tego, jak szybko produkcja zielonego wodoru może się skalować; zdolności produkcyjne elektrolizerów dopiero zaczynają się znacząco zwiększać.

Główne wyzwania związane z wodorem sprowadzają się do transportu i przechowywania. Wodór jest produkowany w postaci gazowej i musi być przechowywany pod ciśnieniem lub bezpośrednio skraplany. Oba te procesy wymagają dodatkowej energii, która może pochodzić ze źródeł odnawialnych lub nie. Pojawiają się metody, które wykorzystują wiązania chemiczne (zwykle określane jako płynne organiczne nośniki wodoru) lub amoniak do transportu wodoru w stabilnym stanie. Metody te nie wymagają ciśnienia ani kriogenicznego skraplania, a zatem wymagają mniej energii do transportu i przechowywania wodoru. Jednak technologia ta jest nadal na stosunkowo wczesnym etapie rozwoju i nie jest gotowa do przyjęcia na szeroką skalę.

Innym rozwiązaniem problemów związanych z transportem i przechowywaniem jest skupienie się na produkcji lokalnej. Nikola nawiązała współpracę z firmami Nel i Bosch, aby stworzyć sieć lokalnych stacji produkcji wodoru, które wykorzystują odnawialne źródła energii i elektrolizery, odcinając w ten sposób łańcuch logistyczny dostaw konwencjonalnego oleju napędowego i benzyny. W przyszłości moglibyśmy również potencjalnie wykorzystać infrastrukturę gazu ziemnego do transportu wodoru, zmniejszając potrzebę rozbudowy infrastruktury na dużą skalę. To może również zaoferować środki do zapewnienia wodoru z centralnych węzłów produkcyjnych, a nie zlokalizowane budowy.

Jedną inną wadą wodoru jest zasięg. Według Nikoli, zasięg ciężarówki na ogniwa paliwowe wynosi 500-750 mil, w zależności od obciążenia i terenu; ciężarówki Toyota Kenworth FCEV mają zasięg około 300 mil. To niewiele w porównaniu z ciężarówkami na olej napędowy, które mogą przejechać ponad 1000 mil bez tankowania. Jednak przy ograniczeniu kierowców do 500 mil dziennie, czynnik ten może nie powodować znaczących zakłóceń w standardowej praktyce.

How Soon is Now?

Nawet pomimo wyzwań, czas na wodór jest teraz, a oto dlaczego:

Widzimy zwiększoną presję regulacyjną i zapotrzebowanie przemysłu. Unia Europejska zobowiązała się do usunięcia pojazdów napędzanych benzyną i olejem napędowym do 2030 roku. W tym samym czasie normy czystego paliwa i związane z nimi inwestycje w Kalifornii i Kanadzie tworzą podstawy polityczne dla zmian. Hyundai planuje produkcję do 700 000 pojazdów FCEV rocznie do roku 2030, a Japonia zamierza wyprodukować 800 000 pojazdów FCEV do roku 2030. Przy kosztach technologii, które na kilku rynkach mają osiągnąć próg rentowności w stosunku do samochodów ciężarowych z silnikiem Diesla, istnieje znaczący rozmach i inwestycje w wodór.

Im więcej projektów, które w coraz większym stopniu wykorzystują technologie ogniw paliwowych, tym większy potencjał redukcji kosztów i inwestycji w tę technologię. Zobowiązanie Chin do wprowadzenia 1 miliona pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi na drogi do 2030 roku (przy 7,6 miliarda dolarów zainwestowanych w ciężki sprzęt ciężarowy) oferuje ogromny potencjał dla znacznego postępu w zakresie wydajności i kosztów pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi.

Wodór już wcześniej był świadkiem fałszywych świtów, ale ta niskoemisyjna alternatywa jest forsowana przez niektóre z największych firm na świecie w wielu sektorach. Toyota Kenworth ma długą historię rozwoju ciężarówek wykorzystujących technologię ogniw paliwowych, a w 2019 r. dodała 10 T680s, które będą używane w porcie Los Angeles i w całej południowej Kalifornii. Shell niedawno zainwestował znaczne środki w wielkoskalowe elektrolizery wodoru, które oferują zeroemisyjną opcję produkcji wodoru. Na początku tego miesiąca firma Cummins przejęła wiodącą na rynku firmę Hydrogenics, zajmującą się produkcją elektrolizerów i ogniw paliwowych, za 290 milionów dolarów. Są to sygnały poważnego zaangażowania liderów branży w rozwój technologii wodorowych i ogniw paliwowych.

Rocky Mountain Institute (RMI) pracuje nad określeniem możliwości zielonego wodoru w celu przyspieszenia dekarbonizacji w sektorach, które z trudem czynią postępy, a my dopiero teraz zaczynamy dostrzegać rolę i pozycję, jaką ta technologia może mieć w dekarbonizacji sektora transportu towarowego. Mamy nadzieję, że dołączysz do RMI i North American Council for Freight Efficiency (NACFE) w dyskusji panelowej na temat wodoru w transporcie ciężarowym w dniu 8 października.