Kam nas vodi vodik? So gorivne celice dolgoročna rešitev za čisto mobilnost?

»Vodik je nepogrešljiv vir energije za dosego prehoda v nizkoogljično družbo, saj ga je mogoče uporabljati za skladiščenje in prevoz vetrne, sončne in elektrike iz drugih obnovljivih virov in z njim napajati transport in številne druge stvari.« Takeshi Uchiyamada, predsednik Toyota Motor Corporation in sopredsednik Sveta za vodik, je s temi besedami povzel, kako danes razmišljajo nekateri vodje transportnega in energetskega sektorja. Razogljičenje cestnega prometa je ključno pri omejevanju globalnega porasta temperatur ozračja za dve stopinji do leta 2050. Danes je transportni sektor popolnoma odvisen od fosilnih goriv in v zrak izpusti več kot 20 odstotkov vsega ogljikovega dioksida. In gotovo je, da bo ta delež v prihodnjih letih še naraščal. Kot kažejo napovedi, se bo do leta 2050 dvignil na približno 35 odstotkov in vodil k povišanju temperature za štiri stopinje, če seveda ne bomo ukrepali. Scenarij, po katerem se bo ozračje do leta 2050 ogrelo le za dve stopinji, namreč v enakem obdobju zahteva zmanjšanje izpustov ogljikovega dioksida za 40 odstotkov. Povprečni izpusti na kilometer se morajo zmanjšati za več kot 70 odstotkov, in to kljub povečanjem izpustov v ogljično bolj intenzivnem cestnem tovornem transportu in zračnem prometu.

Da bi globalno segrevanje ozračja do leta 2050 omejili zgolj na prirastek dveh stopinj, bi bil do leta 2030 na cestah potreben ekvivalent 160 milijonov nizkoemisijskih vozil – 80 milijonov z ničelnimi emisijami in 80 milijonov priključnohibridnih električnih vozil. In to je le dobrih 12 let. Da bi dosegli ambiciozni cilj, bomo potrebovali širok razpon tehnologij. Ker se razpon vozil, njihova prilagodljivost in zmogljivosti zelo razlikujejo med segmenti, bodo v različnih segmentih v različnih razmerjih potrebni baterijska električna vozila, vozila na gorivne celice, biogoriva in sintetična goriva. Če se bomo pri doseganju razogljičenja prometa zatekali le k eni tehnologiji, se nam lahko zgodi ne le to, da ne bomo dosegli želenega zmanjšanja emisij, ampak tudi tvegamo, da v tej edini tehnologiji – ali pa hitrosti njenih proizvodnih in oskrbovalnih linij – ne bomo dosegli napredka, ki smo ga pričakovali.

Vendar pa tehnološki razvoj ne bo potekal na račun ene ali druge tehnologije. Razvoj baterijskih električnih in avtomobilov na gorivne celice bo verjetno potekal v sinergiji. Obe tehnologiji sta namreč odvisni od električnih pogonskih sklopov in imata koristi od tehničnega razvoja komponent. Baterijski električni avtomobili se ponašajo z najvišjo energetsko učinkovitostjo 'od vira do porabnika' (60 odstotkov, ko se napajajo z elektriko iz obnovljivih virov, 30–35 odstotkov, ko jih poganja elektrika, proizvedena iz premoga ali plina; primerljivo s približno 25–30 odstotki avtomobilov z motorji na notranje zgorevanje), baterije pa imajo najmanjšo energijsko gostoto na maso (0,6 MJ na kg), kar jih dela primerne za lažja vozila in krajše razdalje.

Vodik na 'pole positionu' ... sčasoma

Torej, vodik, ki je shranjen v avtomobilu, ima veliko večjo energetsko gostoto na maso (okrog 2,3 MJ na kg) kot baterije, zato lahko avtomobili s pogonom na gorivne celice prevozijo daljše razdalje. Bolje se obnesejo predvsem težji avtomobili, za katere so baterije preveč nepraktične in neučinkovite. Vendar pa je energetska učinkovitost avtomobilov na vodikove celice manjša od baterijskih (v grobem 30 odstotkov 'od vira do porabnika', če se vodik proizvede s pomočjo elektrike). Če uporabimo ocene stroškov za leto 2030, bi lahko baterijski električni avtomobil z baterijo s kapaciteto 30 kilovatnih ur (kakršna je bila v Nissanu Leafu letnika 2016) bil za približno 35 odstotkov cenejši kot avtomobil na gorivne celice s podobno sposobnostjo shranjevanja energije. Ko pa se bodo kapacitete povečale, bodo avtomobili na gorivne celice postali cenejši, saj dodajanje volumna posod za vodik stane manj kot dodajanje baterij. Pri približno 55 kilovatnih urah bosta oba pogona stala enako, kar v dosegu pomeni 300 kilometrov. Nad tem bodo avtomobili na gorivne celice verjetno cenejši od baterijskih električnih. Pri dosegu okoli tisoč kilometrov, ki je najvišji, ki ga ponujajo avtomobili z motorji na notranje zgorevanje, bodo imeli avtomobili z gorivnimi celicami stroškovno prednost v višini približno 55 odstotkov.

Stroški infrastrukture

Izboljšave učinkovitosti gorivnih celic bodo porabo goriva do leta 2030 zmanjšale za 20–35 odstotkov. Prav tako bo po pričakovanjih tudi cena kilograma vodika padla, ko se bo povečala infrastruktura za njegovo distribucijo in prodajo. Zaradi teh izboljšav bi lahko gorivne celice v vseh segmentih pridobile prednost pred dizli, in to celo, če cene nafte ostanejo pri današnjih nizkih vrednostih. To bo pomembno predvsem za potrošnike, ki se redno vozijo na dolge razdalje, in za gospodarska vozila, ki so redno v uporabi. O stroških infrastrukture za polnjenje avtomobilov z vodikom se pogosto razpravlja. Načrt, ki so ga izdelali pri Svetu za vodik, predvideva, da bo za vzpostavitev zahtevane infrastrukture črpalk za vodik do leta 2030 potrebnih 1.500–2.000 ameriških dolarjev na avtomobil z gorivnimi celicami. In to je podobno stroškom vzpostavitve infrastrukture za napajanje baterijskih električnih vozil, glede na to, da hišni polnilnik trenutno stane okoli dva tisoč dolarjev. Okoli leta 2030 bi se stroški polnilne infrastrukture lahko zmanjšali na manj kot tisoč dolarjev na vozilo. Primerjalna študija med stroški infrastrukture za 20 milijonov vozil z gorivnimi celicami in 20 milijonov baterijskih električnih avtomobilov, ki so jo izvedli v Nemčiji, je pokazala, da bi ob upoštevanju vložkov v električno omrežje infrastruktura za avtomobile z gorivnimi celicami lahko bila celo veliko cenejša od infrastrukture za baterijska električna vozila. Če upoštevamo celotne stroške lastništva (nakup, gorivo in vzdrževanje), bi stroškovno zaostajanje avtomobilov z gorivnimi celicami za avtomobili z motorji na notranje zgorevanje v obdobju med 2025 in 2030 lahko celo padlo pod deset odstotkov, seveda upoštevajoč prevožene kilometre in ceno goriva. Statistiki so za osnovo vzeli osebne avtomobile segmentov C in D (VW Golf/VW Passat). Zmanjšanje stroškov tja do 80 odstotkov bo seveda posledica povečanja števila takšnih avtomobilov. Večina pocenitev bo posledica povečanja proizvodnje avtomobilov in širitve polnilne infrastrukture do leta 2025. Stroški lastništva so navsezadnje močno odvisni tudi od uporabe – bolj se vozilo uporablja, večje so prednosti avtomobilov na gorivne celice in baterijskih električnih avtomobilov pred avtomobili z motorji na notranje zgorevanje.

Druga nedavna študija, ki sta jo izvedla Juelich Research Centre in H2 Mobilind, je izpostavila zanimive zaključke v zvezi s stroški infrastrukture. Mreža postaj za polnjenje baterij bo dolgoročno dražja od vodika. Vse do flote v velikosti 100 tisoč vozil bodo predvideni stroški vodikove mobilnosti znesli okoli 450 milijonov evrov. Stroški enake infrastrukture za polnjenje baterijskih električnih vozil znašajo 310 milijonov evrov. A ker je distribucija vodika organizirana centralno na črpalkah, vodikova možnost potem hitro postane cenejša. Ko je na cestah enkrat milijon vozil, stroški vodikove infrastrukture znašajo okoli 1,9 milijarde evrov, struktura za polnjenje baterij pa 2,8 milijarde evrov. Vodik lahko sicer postane bolj drag v vmesnem obdobju med prehodom na 100-odstotno zeleni vodik iz vršne električne energije, saj njegova uporaba zahteva tudi vzpostavitev zmogljivosti za njegovo hranjenje.

Ko pa penetracija na trg enkrat doseže 20 milijonov vozil, bodo investicije v infrastrukturo za polnjenje baterij zahtevale okoli 51 milijard evrov, kar bo veliko dražje od vodikove mobilnosti, ki bo zahtevala približno 40 milijard evrov. Povzetek študije, ki ga je podal prof. dr. Stolten, direktor inštituta za razvoj elektrokemičnih procesov na Juelich Research Centre, je takšen, da ne potrebuje znanstvene razlage: »Vlagati moramo v oboje.«

Udobje in okoljska škoda

Drugi pomemben razlog za to, da se potrošniki prilagodijo novim tehnologijam, je tudi udobje. V nedavni anketi, ki so jo izvedli na Nizozemskem, je okoli 75 odstotkov anketiranih odgovorilo, da razmišljajo o električnem avtomobilu, a bi jih bilo le 35 odstotkov zadovoljnih z avtomobilom, ki ima doseg manj kot 600 kilometrov. Medtem ko večina sedanjih lastnikov svoje električne avtomobile polni doma, le 40–50 odstotkov polnjenj poteka na zanje določenih mestih doma ali v službi, kar polnjenje naredi manj privlačno za tiste, ki nimajo dostopa do priključkov za nočno polnjenje. Za te morda možnost, ki jo izberejo, ni najbolj poceni – veliki dosegi in hitri polnilni časi baterij bi morda v tem primeru lahko pretehtali razmisleke o ceni.

Zgolj z vidika škode za okolje pa najmanj škodljiva pot morda ni ta, ki se nam takšna tudi zdi. Emisije baterijskih električnih vozil so odvisne od kombinacije sredstev za pridobivanje elektrike za pogon avtomobilov in elektrike, ki je potrebna za energetsko potratno proizvodnjo baterij. Ko gre za polnjenje majhnega baterijskega električnega avtomobila, se ekvivalent emisij ogljikovega dioksida trenutno giblje med približno 35 grami na kilometer v Veliki Britaniji (ali Sloveniji) in 80 in več grami na kilometer v državah, kjer je proizvodnja elektrike močno odvisna od premoga (na primer Kitajska). Proizvodnja baterij zahteva precejšnje količine mineralov, katerih pridobivanje in predelava zahtevata veliko energije. Ker je večina energije električne, je izračun izpustov spet odvisen od načina pridobivanja elektrike. Glede na študije, ekvivalentni izpusti segajo od 70 gramov na kilometer (pri trenutni kombinaciji virov) do 25 gramov na kilometer (ob popolnoma obnovljivih virih elektrike). S tem se skupne emisije električnih avtomobilov, ki vozijo na Kitajskem, dvignejo na raven izpustov avtomobilov z motorji na notranje zgorevanje, v Nemčiji pa na raven avtomobilov z gorivnimi celicami, ki točijo 'čisti' vodik. Ko se za proizvodnjo in polnjenje uporablja zelena energija, so ekvivalentni izpusti ogljikovega dioksida pri baterijskih električnih avtomobilih in avtomobilih na gorivne celice enaki.

Mostovi k vzdržnemu planetu

Največji podjetniki, ekonomisti, sociologi in znanstveniki sveta se vsako leto srečajo v švicarskem Davosu, kjer poskušajo določiti ukrepe, ki naj bi jih izvedli, da bi bil naš planet boljši, predvsem pa, da bi na njem lahko živeli tudi naši otroci in vnuki. Leta 2017 je tam nastal Hydrogen Council (Svet za vodik), skupina, ki so jo oblikovali avtomobilski proizvajalci (Audi, BMW, Honda, Toyota in Hyundai), ki vodijo v razvoju uporabe vodika kot sredstva za pogon vozil, in distributerji vodika (Linde, Shell, Total, Air Liquide med drugimi podjetji).

Skupina si prizadeva, da bi spodbudila velike investicije in definiranje ugodnega pravnega okvirja, tako da avtomobili s pogonom na vodik ne bi ostali le večna obljuba za dan po jutrišnjem. Organizacija je izvedla tudi več študij, ki so pokazale, da vodikovo gospodarstvo potrebuje 20–25 milijard ameriških dolarjev letnih vložkov, kar je skupno 280 milijard do leta 2030. Za proizvodnjo vodika bi od tega namenili 110 milijard oziroma 40 odstotkov, za shranjevanje/prevoz/distribucijo 80 milijard oziroma 33 odstotkov, za razvoj produkta in proizvodnih kapacitet pa 70 milijard oziroma 25 odstotkov. Preostalih 20 milijard bi namenili vzpostavitvi novih poslovnih modelov (flot taksijev, delitvenih shem, transporta izdelkov po načelu 'delivery on demand' itd). Številke se morda zdijo astronomske, a če upoštevamo, da se danes v energijo investira 1,7 bilijona dolarjev (650 milijard v nafto in plin, 300 milijard v obnovljive vire energije, 300 milijard v industrijo itd.), lahko hitro ugotovimo, da gre bolj za transfer sredstev kot pa njihovo povečanje.

Ta organizacija je izvedla tudi prvo obsežno študijo potenciala vodika in ekonomsko izvedljivega, finančno privlačnega in družbeno koristnega načina njegove uporabe, z ultimativnim ciljem, da izboljšamo zrak, ki ga dihamo. Tehnologija je že dobro znana, vendar pa bi nam takšne velikanske naložbe in povečanje proizvodnje omogočili premik z danes proizvedenih osmih EJ (eksadžulov) na 80 EJ do leta 2050, kar je enako 18 odstotkom vse energije, ki naj bi jo tega leta porabili po vsem svetu, ali dovolj za oskrbo globalnih potreb na planetu za dva meseca in pol (1 EJ = 1018 J, energetski paket, podoben 7 milijonom ton vodika ali 278 TWh elektrike ali 170 milijonom sodčkov surove nafte).

Če bo vse potekalo v skladu z izsledki študije – nekaj, kar bi lahko potrdili, če bi imeli časovni stroj in bi lahko skočili v leto 2050 – bi moralo tedaj biti v prometu 400 milijonov vodikovih avtomobilov (četrtina vseh) – plus 15–20 milijonov tovornjakov in avtobusov (okoli četrtina vseh), 20 odstotkov vlakov in pet odstotkov letal in tovornih ladij, zaradi česar bi se lahko proizvodnja surove nafte zmanjšala za 20 milijonov sodčkov na leto, v zrak pa bi na leto izpustili 3,2 gigatone manj ogljikovega dioksida. Če bi lahko uporabili briljantni izum, ki ga je v svojem romanu napovedal H. G. Wells, bi lahko našli tudi približno 30 milijonov vzdržnih služb, ki bodo nastale v vodikovi družbi.

A če se vrnemo v leto 2018, lahko vidimo velike težave z ustvarjanjem infrastrukture za oskrbo vozil z vodikom, ki, čeprav je večja kot pred desetimi leti, ostaja pri ceni milijona dolarjev za postajo z dvema polnilnicama. Danes je po vsem svetu okoli 375 vodikovih črpalk, njihovo število pa bi se moralo v naslednjih dveh letih potrojiti na 1.100, leta 2025 doseči število 2.800, leta 2030 pa bi jih moralo biti 5.300. Tako vsaj načrtuje Svet za vodik. V tem trenutku se lahko kupci odločajo le med tremi avtomobili s pogonom na gorivne celice. Prva je uspešnica Toyota Mirai, ki so jo od predstavitve pred dvema letoma prodali v 5.400 primerkih, druga je Honda Clarity, ki so jo predstavili lani in prodali 642 primerkov, najnovejši pa je Hyundai Nexo, ki so ga predstavili v prvi polovici letošnjega leta in bi ga predvidoma radi prodali v količini 2.000–3.000 primerkov letno.

Pomeni izrazov

Gorivna celica (Fuell Cell): Posebna galvanska celica, ki tvori električno energijo s kemično reakcijo med vodikom in kisikom. Gorivno celico sestavljajo elektrode, ki so med seboj ločene z membrano ali elektrolitom (ionski prevodnik). Gorivna celica proizvaja električno energijo in toploto. Zaradi visoke zmogljivosti in učinkovitosti je gorivna celica z membrano iz polimernega elektrolita (PEM = Polymer Electrolyte Membrane) posebno primerna za uporabo v avtomobilih. V njej plastična membrana PEM deluje v vlogi elektrolita, ki lahko prevaja protone, njena delovna temperatura pa je okoli 80 stopinj Celzija.

Sklad gorivnih celic (Fuell Cell stack): Več gorivnih celic, ki so povezane v seriji, da se poveča električna napetost. Skupaj so zložene v strukturo sendviča.

Vodik (H2): Najmanjši in najlažji element v periodnem sistemu. Vodik sestavljata negativno nabiti elektron in pozitivno nabiti proton. Vodik je najpogostejši element vesolja, a zaradi visoke reaktivne sposobnosti se skoraj izključno pojavlja v spojinah. Takšni so voda in ogljikovi hidrati, med katerimi sta tudi naravni plin in surova nafta. V prosti obliki se vodik pojavlja le v sledeh v atmosferi in ognjeniških plinih. Vodik je plin brez barve, vonja in okusa.

Elektron: Negativno nabit osnovni delec. Elektroni v gibanju tvorijo električni tok.

Proton: Pozitivno nabit osnovni delec.

Ion: Pozitivno (kation) ali negativno (anion) nabit delec.

Pregled avtomobilov FCEV

Honda Clarity FCV

Honda Clarity je lani postala modelna družina, v kateri sta tudi priključnohibridna in baterijsko-električna različica, a an začetku je to ime označevalo predvsem Hondine limuzine s pogonom na gorivne celice. Leta 2016 predstavljena Honda Clarity FCV spada že v drugo generacijo, ki je nasledila leta 2008 predstavljeno Hondo FCX Clarity. Elektrika, ki jo proizvajajo vodikove gorivne celice, se shranjuje v litij-ionski bateriji, iz katere se napaja 130-kilovatni elektromotor. Zaloga vodika zadošča za približno 700 kilometrov vožnje.

Hyundai Nexo

Nexo je Hyundai zasnoval z danes priljubljeno križansko karoserijo, kakršno je imel tudi njegov predhodnik, Hyundai ix35 Fuell Cell, a ima v nasprotju s predhodnikom popolnoma svojo platformo. S polno zalogo vodika lahko prevozi do 800 kilometrov in v 9,5 sekunde pospeši do 100 kilometrov na uro. Za to je zaslužen 120-kilovatni elektromotor, ki se napaja iz gorivnih celic z močjo 95 kilovatov in baterije z močjo 40 kilovatov.

Toyota Mirai

Toyota je z leta 2014 predstavljenim Miraiem pripravila prvi avtomobil na gorivne celice, ki ga je ponudila tudi v redni prodaji. Elektrika, ki jo proizvajajo 114-kilovatne vodikove gorivne celice, poganja 114-kilovatni elektromotor. Pogonski vodik je shranjen v posebnih posodah iz kompozitne plastike, zadostuje pa za do 700 kilometrov do okolja prijazne vožnje. Pospeševanje do 100 kilometrov na uro traja dobrih devet sekund.