Ni dizel, ni benzin, a ni RAZVIKANA STRUJA – vodik i gorivne ćelije pogon su budućnosti

Eto koliko su čisti auti na vodik! Mireia Belmonte, olimpijska pobjednica trči u zatvorenom mjehuriću povezanom s ispušnim sustavom Hyundai Nexoa.

Udiše “ispušne ostatke” i trči. Sve je to moguće, jer vodikove gorivne stanice tijekom rada emitiraju samo vodenu paru, a Hyundai Nexo i slični auti na vodik pročišćavaju i 99,9 posto zraka. Nema zbora, vodik je gorivo budućnosti. Već danas napajaju više od 35.000 viličara i pružaju samostalnu rezervnu energiju tvrtkama poput Applea, Googlea i Microsofta, dok u Njemačkoj gorivne stanice napajaju mnoge vlakove. Najprodavanije vozilo s gorivnim ćelijama je Toyota Mirai, koja je u svojoj šestogodišnjoj povijesti pronašla nešto više od 11.000 kupaca, najviše u Kaliforniji. Istiskivanje motora s unutarnjim izgaranjem stalno se približava, a problemi baterijskih električnih vozila i dalje su preveliki za mnoge. No, drugo rješenje za održivu mobilnost je buđenje na tržištu koje izaziva vodik! Od korisnika zahtijeva mnogo manje prilagodbi i žrtvi. Mogu li gorivne ćelije zaista biti budućnost automobilske industrije?

Vodikovi automobili trenutačno dosežu snagu samo do 130 kilovata, mnogo manje od pristupačne električne baterije. Tehnologija električnih vozila na baterije ograničena je uglavnom na lakša prijevozna sredstva (automobili, skuteri …). Napredak tehnologije gorivih ćelija mogao bi, zbog svoje kompaktnosti, manje težine i većeg dometa, omogućiti velike udaljenosti pa čak i zračni i vodeni prijevoz. KPMG je 2017. godine proveo istraživanje među 1000 rukovoditelja u automobilskoj industriji, koje je pokazalo da čak njih 78 posto vjeruje da će vodikove gorivne ćelije biti revolucionarna tehnologija čiste mobilnosti koja dugoročno ima bolju budućnost od električnih vozila na baterije. Za Papin posjet Katoličkoj biskupskoj konferenciji u Japanu, Toyota je pripremila dva modela Mirai prve generacije s povišenom pozornicom i sjedalom, tako da u visinu mjere čak 2,7 metara.

Kad je riječ o održivoj i čistoj mobilnosti električna vozila na baterije (BEV) svima su prvo na jeziku. U posljednjem desetljeću, uz podršku gotovo kultnih sljedbenika i sve restriktivnijeg zakonodavstva za motore s unutarnjim izgaranjem, počeli su povećavati svoj tržišni udio. Čitav automobilski sektor taj je trend s određenim kašnjenjem konačno internacionalizirao. Zašto ne, međutim, skok u čistu mobilnost očito je neizbježan, a sve stroži ekološki zahtjevi prevelika su prepreka za mnoge proizvođače, jer bi u to morali uložiti milijarde eura, što se nikad ne bi isplatilo.

Neke tradicionalne marke automobila, uključujući Jaguar, električne će automobile prodavati tek od 2025. godine nadalje. Mnogi se od nas pitaju kako ćemo svoj način života prilagoditi kompromisima automobila na baterije. Ironično je da se električni automobili prodaju prvenstveno uz reklamiranje životnog stila koji bi kupci trebali željeti u ovo doba. Rani “usvojitelji” novih tehnologija, koji su fascinirani perspektivom električnog automobila, nalaze se samo u ograničenom broju (ali još je više nas dinosaura koji ćemo izbjegavati električne automobile, jer se radije držimo ugodnijih starih navika).

Svakim je danom sve manje objektivnih argumenata protiv BEV-a. Najveći problem su stanice za punjenje. I, naravno, nedosljedni sustavi plaćanja, netočne veze, prometne punionice, bezbroj telefonskih aplikacija i, naravno, neuspjeh u postizanju obećane snage punjenja. Ali to su samo neki od uobičajenih problema. Čak i u savršenim uvjetima ne postižu efikasnost benzinskih crpki, gdje se za pet minuta moguće vratiti na cestu s punim spremnikom goriva i potom tjedan dana zaboraviti na benzinsku, katkad i više. S nekim autima, poput onih s dizelskim Opelovim 2.0 ECOTEC motorima moguće je prevaliti s jednim spremnikom i više od tisuću kilometara. Toliko mnogi prevaljuju u mjesec dana. Mnogima je ova utjeha teška ili se ne žele odreći. Hoće li to uopće biti potrebno?

Gorive ćelije

Postoji li onda rješenje i jesu li to gorive ćelije i prije svega vodik kao ZERO EMISSION pogon. Izum gorivih ćelija, koje su elektrokemijskom reakcijom stvorile električnu struju, datira iz 1839. godine, a stvarni zamah dobio je tek 1950-ih i 1960-ih, kada su se počeli koristiti u američkoj Nacionalnoj zrakoplovnoj upravi (NASA). U program Apollo uvedene su gorivne stanice snage 1,5 kilovata, koje su astronautima pružale napajanje i opskrbljivale ih pitkom vodom.

Kasnije su svoje mjesto pronašli i u Sjedinjenim Državama i drugdje u podmornicama i brojnim vojnim programima. Gorivne stanice generiraju čistu električnu energiju i mogu koristiti niz goriva, dok se automobilska industrija fokusira na vodik. U tom slučaju automobili ne generiraju štetne emisije, jer u zrak emitiraju samo toplinu i vodenu paru. Vodik je u svom najčišćem obliku netoksičan plin bez boje i mirisa.

Međutim, kada je vodik gorivo, poput električne energije, on je prijenosnik energije, a ne izvor. Vodik je najrasprostranjeniji element u svemiru, iako ga je praktički nemoguće pronaći samostalno na Zemlji – mora se dobiti iz drugih izvora. Poput električne energije i vodik se može dobiti održivo iz obnovljivih izvora, poput elektrolize, koja troši sunčevu energiju ili energiju vjetra, iako se u praksi ispostavlja da “dizajneri” rijetko biraju takav pristup.

Samo dva posto od godišnjih 600 milijardi kubičnih metara vodika dobije se elektrolizom, jer se može dobiti i iz prirodnog plina, naftnih derivata i mnogih drugih izvora energije. Tijekom postupka proizvodnje vodika stvaraju se štetne emisije i CO2. Isti je problem s proizvodnjom električne energije, pa je kritična prednost vodika to što je prijenosno gorivo. Vodik se stoga treba proizvoditi samo na mjestima gdje se energija za elektrolizu dobiva organskim putem, skladišti i, poput naftnih derivata, transportira na potrebna mjesta.

Kako djeluje?

Izvor električne energije su dakle gorivne ćelije. Gorivne ćelije s dobivenom energijom opskrbljuju električni motor koji pokreće vozilo, pa su tako vozila s vodikovim gorivnim ćelijama klasificirana kao električna vozila (HFCEV). Gorivna ćelija sastoji se od dvije elektrode: anode i katode, odnosno negativnog i pozitivnog pola, koji su odvojeni elektrolitom s čvrstom membranom. Anoda prima molekule vodika, gdje ih katalizator – poput platine – dijeli na elektrone i protone. Elektroni u vanjskom krugu stvaraju električnu struju i toplinu, a protoni putuju kroz porozni elektrolit.

Na katodi se protoni, elektroni i kisik kombiniraju i tvore molekule vode. Između katode i anode stvara se napon, a povezane elektrode generiraju pogonsku energiju. Taj se postupak naziva hladnim sagorijevanjem, a kada koristimo vodik, osim električne energije, jedini nusproizvodi su voda i toplina. Kada se vodik proizvodi na ekološki održiv način, vozila ne uzrokuju dodatno zagađenje.

Gorivne stanice su stoga čisti, učinkoviti i tihi izvor energije. Oni proizvode električnu energiju sve dok je dostupan izvor goriva. Izvor goriva, u ovom slučaju vodik, mora se stlačiti kako bi postao upotrebljiv kao gorivo za vozilo. Trenutni standard je 700 bara. Također se hladi na pumpama, tako da se ne zagrijava i širi kada se upumpava u vozilo. Veličina spremnika za vodik u vozilima s gorivnim ćelijama izražava se u kilogramima, a danas se njihova veličina kreće između pet i šest kilograma, što je dovoljno da dosegne oko 600 kilometara i prilično je konkurentna u usporedbi s automobilima s motorima s unutarnjim izgaranjem.

Na današnjim stanicama za punjenje vodika spremnik se može napuniti za manje od pet minuta, što je također usporedivo s vozilima s motorima s unutarnjim izgaranjem. Cijene vodika uvelike se razlikuju ovisno o mjestu, ali kreću se između pet i deset eura po kilogramu i vremenom opadaju, pa nude kilometrinu sličnu vrijednosti kao naftni proizvodi. Očekuje se da će proizvodnja vodika pasti za dodatnih 30 posto do kraja desetljeća, prema Međunarodnoj energetskoj agenciji. Doseg vozila također se povećava regenerativnim kočenjem, koje akumulator puni inače izgubljenom energijom. Nešto slično kao i kod elektroautomobila

Kako je sa sigurnošću?

Što se tiče skladištenja vodika, može se pojaviti još jedno pitanje – pitanje sigurnosti. Poput naftnih derivata i litij-ionskih baterija i vodik je zapaljiv. Tako što je problematično u prijevozu, dolijevanju goriva i nesrećama. Mnogi od vas pomislit će na katastrofalnu nesreću zepellina Hindenburg, u kojoj je vodik također imao veliku ulogu u širenju požara. Nesretne okolnosti tog dana nemoguće je ponoviti u automobilu s gorivim ćelijama, jer su spremnici za gorivo izrađeni od ugljičnih vlakana i testirani su brojnim udarcima, požarima i balističkim napadima, pružajući istu razinu sigurnosti kao i automobili s unutarnjim izgaranjem motori.

Primjerice, u Toyoti su “probušili gorivo” (gorivne ćelije) samo municijom kalibra 50. U slučaju curenja, sustavi su dizajnirani tako da omogućuju sigurno ispuštanje, a vodik se raspršuje visoko u atmosferu u uskom tijeku i ne zadržava se na tlu, ili ne gori toliko dugo kao benzin. I gorivne ćelije i vodik novost su za automobilsku industriju, ali obje su već dobro ispitane u industriji, tako da nema neočekivane opasnosti. U Americi se koriste više od pola stoljeća, a danas napajaju više od 35.000 viličara i pružaju samostalnu rezervnu energiju tvrtkama poput Applea, Googlea i Microsofta, dok u Njemačkoj gorivne stanice napajaju mnoge vlakove.

Gorive ćelije ili baterije?

Trenutno baterijska vozila na električni pogon nisu ni do koljena klasičnim autima na fosilna goriva, a ni onima na gorivne ćelije. Najprodavanije vozilo s gorivnim ćelijama je Toyota Mirai, koja je u svojoj šestogodišnjoj povijesti pronašla nešto više od 11.000 kupaca, a oko polovice svih vozila s gorivim ćelijama vozi se američkom saveznom državom Kalifornija. Što je kap u moru kada te brojke usporedimo s prodajom baterijskih vozila.

Snaga gorivih ćelija također zaostaje za baterijama. Vodikovi automobili trenutačno dosežu snagu samo do 130 kilovata, mnogo manje od pristupačne električne baterije. Štoviše, na cijelom automobilskom tržištu ponuda različitih modela gorivih ćelija može se nabrojati na prste jedne ruke, a niti jedan od njih nije dostupan u nas, a ni u našoj neposrednoj blizini. Razlozi za to su, naravno, očiti – kupci čekaju da se infrastruktura punjenja proširi, a investitori čekaju kupce. Začarani krug iz kojeg će biti još teže izaći nego s BEV-om, jer se ta vozila ne mogu puniti kod kuće.

Rezultat je O crpki s vodikom u Hrvatrskoj te samo jedna benzinska crpka u Sloveniji, na Petrolovoj benzinskoj pumpi u Lescama, ima mogućnost skladištenja i vodika. No i ona ponekad radi sporo zbog nekorištenja, a ponekad uopće. Postoje planovi za produljenje, naravno, ali se datumi iznova odgađaju. U Europi je najviše pumpi za vodik u Njemačkoj, gdje ih ima nešto više od 50 – mnogo, ali daleko od dovoljnih. Gorivne ćelije su stoga još uvijek daleko od svog tehnološkog potencijala. Baterije gube samo oko 17 posto uložene energije tijekom punjenja i pražnjenja zbog energetske neučinkovitosti, dok se više od polovice uložene energije gubi u ciklusu od elektrolize do proizvedene energije gorivih ćelija. Automobili bi mogli povratiti dio ove energije koristeći toplinu koja je stvorena kao nusprodukt hladnog izgaranja za funkcije grijanja i hlađenja. No budući da su sposobni za veće skladištenje energije, gorivne ćelije mogu ponuditi veći domet od litij-ionskih baterija za četvrtinu cijene razvojem učinkovitosti.

Infrastruktura punionica također je kratkoročno skuplja za vodik nego za električnu energiju, no budući da je distribucija vodika centralno organizirana na crpkama, vaga u korist vodika bila bi nagnuta već u slučaju da postoji i manje od milijun vozila. Također, današnja tehnologija baterija suočit će se s ograničenjima prirodnih materijala poput kobalta. Vrijeme punjenja akumulatorskih vozila, koja će biti konkurentna vozilima s motorima s unutarnjim izgaranjem ili gorivim ćelijama, još je uvijek daleko, možda čak i nepremostiva prepreka.

Proširenje dometa s više baterija zbog dodatne težine i zauzetog prostora može brzo imati negativan učinak, a dodavanje volumena u spremnik za vodik mnogo je manji i jeftiniji problem. Također je vrijedno spomenuti da je tehnologija električnih vozila na baterije ograničena uglavnom na lakša prijevozna sredstva (automobili, skuteri …), a napredak tehnologije gorivih ćelija mogao bi, zbog svoje kompaktnosti, manje težine i većeg dometa, omogućiti velike udaljenosti pa čak i zračni i vodeni prijevoz.

Kao i svaka nova tehnologija, ovdje će ekonomija razmjera igrati ključnu ulogu. Posljednjih godina investicijski fondovi uglavnom su se usredotočili na razvoj baterijskih električnih vozila, njihovu infrastrukturu za punjenje i učinkovitiju i jeftiniju baterijsku tehnologiju, jer je odskočna daska bila povoljnija.

Ali baterije su već zrela tehnologija koja u razvijenoj fazi zahtijeva više kompromisa od gorivih ćelija. KPMG je 2017. godine proveo istraživanje među 1000 rukovoditelja u automobilskoj industriji, koje je pokazalo da čak 78 posto vjeruje da će vodikove gorivne ćelije biti revolucionarna tehnologija čiste mobilnosti koja dugoročno ima bolju budućnost od električnih vozila na baterije. naznačiti vrijeme punjenja i infrastrukturne zahtjeve. No, trenutno je najveći izazov ili nedostatak infrastrukture razvoj vodikovih gorivnih ćelija.

U prvom su planu investitori i vlade koje imaju moć podržati – ili suzbiti – razvoj gorivih ćelija u automobilskoj industriji. Potrošački faktor igrat će ključnu ulogu. Hoćemo li dobrovoljno prihvatiti kompromise oko baterija ili inzistirati na udobnosti i starim navikama toliko dugo da će i plan B biti u potpunosti razvijen?

Elektroliza

Ekološki najprihvatljiviji postupak za dobivanje vodika je elektroliza. To je kemijski postupak koji omogućuje električnom strujom razdvajanje vode na sastavne elemente, vodik i kisik. Ako se korištena električna energija dobije ekološki održivo, proizvedeni vodik bit će gorivo za transport potpuno bez generiranih emisija.

GM Electrovan

Tijekom svemirske utrke 1960-ih, gorivne ćelije igrale su važnu ulogu, a njihov tehnološki napredak također je nadahnuo General Motors. Rezultat je bio jedno od najnaprednijih električnih vozila i prvi automobil na pogon na gorivne ćelije. Doseg GMC Electrovana 1966. godine s spremnicima za tekući vodik i kisik iznosio je 241 kilometar, kontinuirana snaga 32 kilovata, a maksimalna snaga čak 160 kilovata.

Projekt je trajao dvije godine i napušten je zbog visokih troškova i vremenskih ograničenja. Instalacija cijevi bila je dugačka 168 metara, tako da je u kombiju sa šest sjedala bilo dovoljno mjesta za samo dva putnika, a masa je prelazila tri tone.

Toyota Mirai imala je i počasnu titulu papinskog automobila. Za Papin posjet Katoličkoj biskupskoj konferenciji u Japanu, Toyota je pripremila dva modela Mirai prve generacije s povišenom pozornicom i sjedalom, tako da u visinu mjere čak 2,7 metara.

Hyundai je pokazao čistoću modela Nexo videom na kojem olimpijska prvakinja Mireia Belmonte trči u zatvorenom mjehuriću povezanom s ispušnim sustavom Nexo. Budući da vodikove gorivne stanice tijekom rada emitiraju samo vodenu paru, a Nexo u međuvremenu pročišćava 99,9 posto zraka.