Gorivne celice - Plan B čiste mobilnosti

Ko je govor o trajnostni mobilnosti, beseda vedno najprej nanese na baterijsko električna vozila (BEV). V zadnjem desetletju so ta s podporo skoraj kultnih sledilcev in z vedno bolj restriktivno zakonodajo za motorje z notranjim zgorevanjem začela povečevati svoj tržni delež in ta trend je z nekolikšnim zamikom končno ponotranjila tudi celotna avtomobilska industrija. Zakaj vendar ne, preskok na čisto mobilnost je očitno neizbežen, vedno strožje okoljevarstvene zahteve pa so za številne proizvajalce prevelika ovira, saj bi za njen preskok morali vložiti veliko milijard evrov, ki se ne bi nikoli povrnili.

Nekatere tradicionalne avtomobilske znamke, med njimi tudi Jaguar, bodo že od leta 2025 prodajale le še električne avtomobile. Številni se ob tem sprašujemo, kako nam bo življenjski slog uspelo prilagoditi kompromisom baterijsko električnih avtomobilov. Ironično, saj električne avtomobile prodajajo predvsem z obljubo življenjskega sloga, ki naj bi si ga kupci v teh časih želeli. Zgodnji posvojitelji novih tehnologij, ki jih perspektiva električnega avtomobila navdušuje, se najdejo le v omejenih številkah (a še več nas je dinozavrov, ki se bomo električnim avtomobilom izogibali, saj se raje držimo udobnejših starih navad).

Objektivnih argumentov proti BEV je z vsakim dnevom manj, a tisti glavni črni oblak ostaja: največji odstop od tradicionalne avtomobilske izkušnje so polnilnice. Pa seveda nedosledni plačilni sistemi, napačni priključki, zasedene polnilnice, nešteto telefonskih aplikacij in seveda nedoseganje obljubljene polnilne moči. Pa to so le nekatere od pogostih težav. Tudi v popolnih razmerah namreč ne dosegajo uporabniške prijaznosti bencinskih servisov, kjer se je mogoče vrniti na cesto s polnim rezervoarjem goriva v petih minutah. Številni se temu udobju težko ali pa nočejo odpovedati. Pa bo to sploh potrebno?

Gorivne celice

Tu pridemo do gorivnih celic. Izum gorivnih celic, ki so električni tok ustvarjale z elektrokemično reakcijo, sega v daljno leto 1839, pravi zagon pa so dobile šele v petdesetih in šestdesetih letih 20. stoletja, ko so jih začeli uporabljati v ameriški Nacionalni zrakoplovni in vesoljski upravi (NASA). Gorivne celice, ki so premogle moč 1,5 kilovata, so uvedli v program Apollo, in sicer so astronavtom zagotavljale električno moč ter jih preskrbovale s pitno vodo.

Kasneje so svoje mesto tako po ZDA kot drugod našle tudi v podmornicah in številnih vojaških programih. Gorivne celice namreč ustvarjajo čisto električno energijo in lahko uporabljajo vrsto goriv, v avtomobilski industriji pa se osredotočajo na vodik. V tem primeru avtomobili ne ustvarjajo škodljivih emisij, saj v zrak izpustijo samo toploto in vodne hlape. Vodik je v svoji najčistejši obliki nestrupen plin brez barve in vonja.

Kadar pa je vodik gorivo, je tako kot elektrika prenašalec energije, ne njen vir. Vodik je najbolj razširjen element v vesolju, čeprav ga je na Zemlji praktično nemogoče najti v samostojni obliki – treba ga je pridobivati iz drugih virov. Tako kot elektriko je tudi vodik mogoče pridobivati trajnostno iz obnovljivih virov, na primer z elektrolizo, ki porablja sončno ali vetrno energijo, čeprav se v praksi izkaže, da tak pristop snovalci redko izberejo.

Le dva odstotka od letne količine 600 milijard kubičnih metrov vodika pridobijo z elektrolizo, saj ga je mogoče pridobivati tudi iz zemeljskega plina, naftnih derivatov in številnih drugih energetskih virov, a se pri tem med postopkom pridobivanja vodika ustvarjajo škodljive emisije in CO₂. Ista težava je tudi pri pridobivanju električne energije, zato je kritična prednost za vodik, da je prenosljivo gorivo. Vodik bi se torej moral proizvajati le na lokacijah, kjer je energija za elektrolizo pridobljena ekološko, se shranil in tako kot naftni derivati razvažal na potrebne lokacije.

Kako deluje?

Vir električne energije so torej gorivne celice. Gorivne celice s pridobljeno energijo napajajo električni motor, ki poganja vozilo, zato se vozila na vodikove gorivne celice uvrščajo med električna vozila (HFCEV). Gorivno celico sestavljata dve elektrodi: anoda in katoda, torej negativni in pozitivni pol, ki ju ločuje elektrolit s trdno membrano. Anoda sprejema molekule vodika, kjer jih katalizator – na primer platina – razdeli na elektrone in protone. Elektroni v zunanjem tokokrogu ustvarjajo električni tok in toploto, protoni pa potujejo skozi porozni elektrolit.

Na katodi se protoni, elektroni in kisik združijo in ustvarijo molekule vode. Med katodo in anodo se ustvari napetost, povezani elektrodi pa ustvarjata pogonsko energijo. Ta proces imenujemo hladno zgorevanje, kadar uporabljamo vodik pa sta poleg električne energije stranska produkta le še voda in toplota. Kadar je vodik pridobljen na ekološko trajnostni način, vozila ne povzročajo dodatnega onesnaževanja.

Gorivne celice so torej čist, učinkovit in tih energetski vir. Električno energijo proizvajajo, dokler je na voljo vir goriva. Vir goriva, v tem primeru vodik, mora biti stisnjen, da postane uporaben kot gorivo za vozilo. Trenutni standard je 700 barov. Na črpalkah je tudi ohlajen, da se ne ogreva in širi, ko se črpa v vozilo. Velikost vodikovih rezervoarjev v vozilih na gorivne celice je izražena v kilogramih, danes pa se njihova velikost giblje med petimi in šestimi kilogrami, kar zadošča za doseg okoli 600 kilometrov in je povsem konkurenčno v primerjavi z avtomobili z motorji z notranjim zgorevanjem.

Na današnjih vodikovih polnilnicah je mogoče rezervoar napolniti že v manj kot petih minutah, kar je prav tako primerljivo z vozili z motorji z notranjim izgorevanjem. Cene vodika se glede na lokacijo zelo razlikujejo, vendar se gibljejo med petimi in desetimi evri na kilogram ter se sčasoma nižajo, torej na prevoženi kilometer ponujajo podobno vrednost kot naftni derivati. Cena pridobivanja vodika naj bi se po ocenah Mednarodne agencije za energijo do konca desetletja spustila še za 30 odstotkov. Doseg vozil pa se podaljšuje tudi z regenerativnim zaviranjem, ki s sicer izgubljeno energijo polni baterijo.

In kako je z varnostjo?

Ko je govor o shranjevanju vodika, se lahko poraja še eno vprašanje – vprašanje varnosti. Tako kot naftni derivati in litij-ionske baterije je tudi vodik vnetljiv, kar je problematično pri transportu, črpanju goriva in nesrečah. Številni boste pomislili na katastrofalno nesrečo zračne ladje Hindenburg, pri kateri je k širjenju požara veliko vlogo odigral tudi vodik. Nesrečne okoliščine tistega dne je v avtomobilu na gorivne celice nemogoče ponoviti, saj so posode za gorivo sestavljene iz ogljikovih vlaken in so preizkušene s številnimi udarci, požari in tudi balističnimi napadi ter zagotavljajo enako raven varnosti kot avtomobili z motorji na notranje zgorevanje.

Pri Toyoti, na primer, so posodo za gorivo prebili šele z nabojem kalibra .50. V primeru puščanja so zasnovani sistemi, ki omogočajo varno sproščanje, vodik pa se v ozkem toku razprši visoko v ozračje ter se ne zadržuje pri tleh ali gori tako dolgo kot bencin. Tako gorivne celice kot vodik so za avtomobilsko industrijo novost, a je oboje že precej preizkušeno v industriji, zato ni nepričakovane nevarnosti. V Ameriki ju uporabljajo že več kot pol stoletja, danes pa poganjajo več kot 35 tisoč viličarjev in zagotvljajo samostojno rezervno napajanje mimo električnega omrežja podjetjem, kot so Apple, Google in Microsoft, v Nemčiji pa gorivne celice poganjajo že številne vlake.

Gorivne celice ali baterije?

V tem trenutku vozila na gorivne celice baterijsko električnim ne sežejo niti do kolen – ali v tem primeru baterij. Najbolje prodajano vozilo na gorivne celice je Toyota Mirai, ki je v svoji šestletni zgodovini našla komaj nekaj več kot 11 tisoč kupcev, približno polovica vseh avtomobilov na gorivne celice pa vozi po ameriški zvezni državi Kaliforniji. Kar je kaplja v morje, ko te številke primerjamo s prodajo baterijsko električnih vozil.

Tudi moč gorivnih celic zaostaja za baterijami. Avtomobili na vodik trenutno dosegajo le moč do 130 kilovatov, precej manj kot cenovno primerljivi baterijsko električni. Še več, na celotnem avtomobilskem trgu lahko ponudbo različnih modelov na gorivne celice preštejemo na prste ene roke, niti eden pa ni na voljo v Sloveniji. Razlogi za to so seveda očitni – kupci čakajo na razširitev polnilne infrastrukture in investitorji na kupce. Začarani krog, iz katerega bo še teže priti kot pri BEV, saj teh vozil ni mogoče polniti doma.

Rezultat tega je samo ena polnilnica v Sloveniji, na Petrolovem bencinskem servisu v Lescah, ki zaradi neuporabe včasih deluje počasi, včasih pa sploh ne. Načrti za razširitev seveda so, toda datumi se vedno znova prestavljajo. V Evropi je največ črpalk vodika v Nemčiji, kjer jih je nekaj čez 50 – veliko, a še zdaleč ne dovolj.

Gorivne celice so torej še daleč od svojega tehnološkega potenciala. Baterije zaradi energetske neučinkovitosti med polnjenjem in praznjenjem izgubijo le približno 17 odstotkov vnosa električne energije, medtem ko se v ciklu od elektrolize do proizvedene energije gorivne celice izgubi več kot polovica vnesene energije.

Avtomobili bi lahko nekaj te energije povrnili z uporabo toplote, ki nastane kot stranski produkt hladnega zgorevanja, za ogrevalne in hladilne funkcije. A ker so zmožne večjega shranjevanja energije, bi gorivne celice z razvojem učinkovitosti lahko ponudile večji doseg kot litij-ionske baterije že za četrtino cene.

Tudi infrastruktura polnilnih postaj je kratkoročno dražja pri vodiku kot pri elektriki, a ker je distribucija vodika centralno organizirana na črpalkah, bi se tehtnica v prid vodika nagnila že pri manj kot milijonu vozil. Prav tako bo današnja baterijska tehnologija naletela na omejitve naravnih materialov, kot je kobalt. Polnilni čas baterijskih vozil, ki bo konkurenčen vozilom z motorji na notranje zgorevanje ali gorivne celice, je še daleč, morda bo celo nepremostljiva ovira.

Podaljševanje dosega z večjo količino baterij zaradi dodatne teže in zavzetega prostora lahko hitro prinese negativen učinek, dodajanje volumna posodi za vodik pa predstavlja precej manjši in cenejši problem. Vredno je omeniti tudi, da je tehnologija baterijsko električnih vozil omejena predvsem na lažja prevozna sredstva (avtomobili, skuterji …), napredek v tehnologiji gorivnih celic pa bi zaradi svoje kompaktnosti, manjše teže in možnosti večjega dosega lahko omogočil prestop na trajnostno mobilnost tudi tovornjakom za dolge razdalje ter celo zračnemu in vodnemu prometu.

Kot pri vsaki novi tehnologiji bo torej ključno vlogo tudi tukaj odigrala ekonomija obsega. V zadnjih letih so se investicijska sredstva v večini usmerjala v razvoj baterijsko električnih vozil, njihove polnilne infrastrukture ter učinkovitejše in cenejše baterijske tehnologije, saj je bila odskočna deska ugodnejša.

A baterije so že zrela tehnologija, ki v razviti fazi zahtevajo več kompromisov kot gorivne celice. Leta 2017 so pri KPMG izvedli raziskavo med 1000 vodilnimi direktorji v avtomobilski industriji, ki je pokazala, da jih kar 78 odstotkov verjame, da bodo vodikove gorivne celice prelomna tehnologija čiste mobilnosti, ki ima dolgoročno boljšo prihodnost kot baterijsko električna vozila, kot vodilni razlog pa navajajo polnilne čase in infrastrukturne zahteve. A v tem trenutku je infrastruktura oziroma njeno pomanjkanje največji izziv ravno razvoj vodikovih gorivnih celic.

Na prvi potezi so investitorji in vlade, ki imajo moč podpreti – ali zatreti – razvoj gorivnih celic v avtomobilski industriji. Ključno vlogo bo odigral dejavnik potrošnika. Bomo prostovoljno sprejeli kompromise pri baterijah ali vztrajali pri udobju in starih navadah toliko časa, da se bo do konca razvil tudi plan B?

Elektroliza

Najbolj okolju prijazen postopek pridobivanja vodika je elektroliza. To je kemijski postopek, ki omogoča ločevanje vode na njene sestavne elemente, vodik in kisik, z električnim tokom. Če bo uporabljena električna energija pridobljena ekološko trajnostno, bo pridobljeni vodik gorivo za prevoz popolnoma brez ustvarjenih emisij.

GM Electrovan

Med vesoljsko dirko v šestdesetih letih prejšnjega stoletja so gorivne celice odigrale pomembno vlogo, njihov tehnološki napredek pa je navdahnil tudi General Motors. Rezultat je bilo eno najnaprednejših električnih vozil in prvi avtomobil, ki so ga poganjale gorivne celice. Doseg GMC Electrovana je leta 1966 z rezervoarji tekočega vodika in kisika znašal 241 kilometrov, neprekinjena moč je znašala 32 kilovatov in največja moč kar 160 kilovatov.

Projekt je trajal dve leti, opustili pa so ga zaradi visokih stroškov in časovnih tehnoloških omejitev. Napeljava cevi je bila dolga kar 168 metrov, tako da je bilo v šestsedež­nem kombiju dovolj prostora le še za dva potnika, teža pa je presegala tri tone.

Toyota Mirai je imela tudi častni naziv papeškega avtomobila. Za papežev obisk katoliške škofovske konference na Japonskem so pri Toyoti pripravili dva modela Mirai prve generacije z dvignjenim odrom in sedežem, tako da sta v višino merila kar 2,7 metra.

Hyundai je čistočo modela Nexo prikazal z videom, v katerem v zaprtem mehurčku, povezanim z Nexovim izpušnim sistemom, teče olimpijska prvakinja Mireia Belmonte. Ker vodikove gorivne celice ob delovanju izpustijo samo vodne hlape, Nexo pa med tem prečisti 99,9 odstotka zraka, to ni bila nobena težava.

Novo na Metroplay: "Prebivalec Sardinije in prebivalec Ljubljane se razlikujeta v tisoče stvareh" | Leon Bedrač, 3. del