ENERGETYKA, RYNEK ENERGII - CIRE.pl - energetyka zaczyna dzień od CIREWodór
Właścicielem portalu jest ARE S.A.
ARE S.A.

SZUKAJ:



PANEL LOGOWANIA

X
Portal CIRE.PL wykorzystuje mechanizm plików cookies. Jeśli nie chcesz, aby nasz serwer zapisywał na Twoim urządzeniu pliki cookies, zablokuj ich stosowanie w swojej przeglądarce. Szczegóły.


Raport: pojazdy zasilane wodorem przyszłością transportu ciężarowego i autobusowego
19.02.2020r. 06:19

Wiesław Drozdowski, redaktor CIRE
Przyszłością transportu ciężarowego i autobusowego, z punktu widzenia emisji w całym cyklu eksploatacji, są pojazdy z ogniwami paliwowymi zasilane wodorem - wynika z raportu "Fueling the Future of Mobility: Hydrogen and Fuel cell solutions for transport", opracowanego przez Deloitte China i Ballard Power Systems.
Raport ogłoszony został w styczniu br. na targach Consumer Technology Association CES 2020 w Las Vegas. Dokument zawiera kompleksową analizę całkowitego kosztu posiadania, przy zastosowaniu obiektywnego modelu dla różnych scenariuszy, wykorzystania transportu ciężarowego w wybranych geograficznie miejscach (ciężarówki logistyczne w Szanghaju, samochody ciężarowe w Kalifornii i autobusy tranzytowe w Londynie) oraz przegląd wpływu technologii ogniw paliwowych na środowisko obecnie i w przyszłości.

Chociaż całkowity koszt posiadania (Total Cost of Ownership - TCO) dla pojazdów z napędem elektrycznym zasilanym wodorowymi ogniwami paliwowymi (FCEV) jest obecnie wyższy niż dla tego typu pojazdów z napędem zasilanym z akumulatorów (BEV) i pojazdów spalinowych (ICEV), to w miarę postępu technologii produkcji i poprawy ekonomii skali oraz spadku kosztów wytwarzania paliwa wodorowego i rozwoju infrastruktury, staną się one znacznie tańsze. Szacuje się, że TCO użytkowych pojazdów napędzanych wodorem spadnie o ponad 50 proc. w ciągu następnych 10 lat. Wyrównanie progów rentowności dla FCEV i BEV nastąpi w 2024 r. a dla FCEV i ICEV w 2028 r.



Biorąc pod uwagę koszty operacyjne, w 2019 r. pojazdy FCEV były o 40-90 proc. droższe niż pojazdy BEV i ICEV. Najważniejszym czynnikiem przy obniżaniu kosztów operacyjnych jest koszt wytwarzania wodoru, który według prognoz znacznie spadnie we wszystkich regionach geograficznych ze względu na zwiększanie udziału energii z OZE do jego produkcji. Obecnie ten udział wynosi niecałe 5 proc. Innymi czynnikami pozostają: rozbudowa infrastruktury wspierającej oraz rozwój systemów transportowych.

Warto zauważyć, że w przyjętym modelu TCO nie uwzględniono dotacji i zachęt rządowych. Działania rządów wielu państw wspierających rozwój technologii wodorowych może przyspieszyć oszacowane w raporcie terminy, co do obniżki kosztów dla pojazdów FCEV.

Z punktu widzenia emisji szkodliwych substancji i wpływu na środowisko, pojazdy FCEV są "czystsze" niż pojazdy BEV i ICEV. Nie należy przy tym zapominać o ciągłym ich ulepszaniu w miarę wzrostu produkcji i rozwoju systemów dystrybucji wodoru. Szczególnie, w zestawieniu pojazdów BEV i FCEV, te ostatnie wypadają lepiej, biorąc pod uwagę kryterium wymagań w zakresie niezbędnych surowców. Silniki elektryczne w pojazdach BEV napędzają akumulatory, do produkcji których stosowane są metale jak lit i kobalt. Ponadto, po zakończeniu eksploatacji, pojazdy FCEV są tańsze w recyklingu niż pojazdy BEV.

Warto zwrócić uwagę, że podczas działania ogniw paliwowych w pojazdach FCEV, energia chemiczna wodoru przekształcana jest w energię elektryczną, a ta w pracę mechaniczną silnika i falownika. Efektywność energetyczna dla FCEV i BEV jest taka sama i mieści się w przedziale 45-55 proc. Jest to spowodowane, przede wszystkim, utratą energii podczas konwersji energii chemicznej wodoru na energię elektryczną. Wraz z postępem w rozwoju technologii wodorowych będzie możliwe odzyskanie większej ilości ciepła z ogniwa paliwowego i dostarczenie go do pojazdu, zwiększając potencjalnie wydajność o 5 proc.

Obecnie wodór można wytwarzać przy zastosowaniu szeregu źródeł energii i technologii. Globalna produkcja wodoru jest obecnie zdominowana przez wykorzystywanie paliw kopalnych, stanowiąc 96 proc. wodoru produkowanego na całym świecie. Jedynie 4 proc. pochodzi z elektrolizy wody.



Obecnie na całym świecie roczna produkcja czystego wodoru wynosi około 70 mln ton, z czego większość wykorzystywana jest do rafinacji ropy naftowej i produkcji przemysłowej (np. amoniaku). W produkcji FCEV stosuje się obecnie niecałe 100 tys. ton wodoru.

Powód, dla którego większość wodoru jest wytwarzana metodami "nieczystymi", wynika z kilku przyczyn:
1. Tradycyjnie wodór jest wykorzystywany głównie w procesach przemysłowych, a transport i ogniwa paliwowe stanowią bardzo niewielką część zużycia. To powoduje, że w przeważającej mierze, nie skupiano się na pozyskiwaniu wodoru z OZE.
2. Elektroliza wody, choć zasadniczo bardzo prosta, jest obecnie droga w porównaniu z innymi metodami produkcji. Należy tutaj zwrócić uwagę, że na odnawialne źródła energii (a nawet energię jądrową) mają wpływ sezonowość i cykle zużycia szczytowego, co powoduje nadwyżkę w produkcji energii elektrycznej, która jest często marnowana. Ta energia może być spożytkowana na wytwarzanie wodoru jako czysta i wydajna alternatywa.

W USA 95 proc. wytwarzanego wodoru powstaje w wyniku reformingu gazu ziemnego w dużych elektrowniach. To obecnie najbardziej ekonomiczna metoda produkcji w Stanach Zjednoczonych.

Chiny w 2017 r. były największym producentem wodoru (ok. 19 mln). Blisko 62 proc. pochodziło z wykorzystania węgla. Państwo Środka tradycyjnie było zależne od węgla w produkcji energii. To się jednak zmienia. Chiny, dzięki przyjętej polityce wspierania energetyki odnawialnej, w szybkim tempie przechodzą na pozyskiwanie energii z OZE. Do 2050 r. ok. 70 proc. wodoru będzie wytwarzane z wykorzystaniem zasobów odnawialnych.

Europa ma ok. 21 proc. udział w światowej produkcji wodoru i jest obecnie zdominowana przez paliwa kopalne. 94 proc. produkcji wodoru pochodzi z paliw kopalnych, z czego 54 proc. z gazu ziemnego, 31 proc. z ropy naftowej i 9 proc. z węgla. Stary Kontynent podejmuje jednak wysiłki w kierunku wykorzystania OZE do produkcji wodoru. Przykładem są Niemcy, które aktywnie dążą do jego wytwarzania z elektrolizy przy wykorzystaniu energii ze źródeł wiatrowych.

Na całym świecie podejmowane są działania na rzecz rozwoju technologii wodorowych. Amerykański Departament Energii (DoE) opracował, m.in. ścieżkę produkcji wodoru w średnim i długim okresie. W średnim okresie obejmuje ona zgazowanie biomasy i zgazowanie węgla przy wykorzystaniu sekwestracji CO2 (CCS) oraz zastosowanie energii ze źródeł PV w długim okresie.

Ponieważ koszty energii ze źródeł odnawialnych nadal spadają, elektroliza z wykorzystaniem energii z OZE wydaje się obiecującą ścieżką na przyszłość. Ponadto nowe technologie, takie jak fotoelektroliza i bioelektroliza, są obecnie w fazie badań na różnych etapach i stanowią obiecującą perspektywę dla produkcji wodoru w przyszłości.

Kolejnymi elementami generującymi TCO dla pojazdów wykorzystujących ogniwa paliwowe są dystrybucja i magazynowanie wodoru.

Sposób i koszt dostarczania wodoru jest ściśle związany z miejscem, w którym jest on wytwarzany. Miejsca te można podzielić na scentralizowane, częściowo scentralizowane i rozproszone.

Produkcja scentralizowana odnosi się do dużych instalacji, skąd konieczny jest transport wodoru do końcowych stacji tankowania. Instalacje rozproszone dotyczą produkcji wodoru w ich pobliżu. Produkcja częściowo scentralizowana odnosi się do pośrednich instalacji, wytwarzających dziennie 5-50 ton wodoru i zlokalizowanych w odległości 40-160 km od miejsca wykorzystania. Obiekty te mogą zapewnić nie tylko ekonomię skali, ale także zminimalizować koszty transportu wodoru i nakłady na infrastrukturę.

Sposoby dostarczania wodoru są zazwyczaj opracowywane w oparciu o stany fizyczne, w których może on występować. W postaci sprężonej jest zwykle dostarczany transportem ciężarowym lub gazociągiem, zaś ciekły - transportem ciężarowym ale także koleją lub drogą wodną - barkami. Wodór w postaci stałej transportowany jest w specjalnych zbiornikach, ale obecnie ten sposób wymaga dalszych ulepszeń technologicznych.

W USA i Japonii dominuje dostarczanie wodoru w postaci ciekłej. Ten sposób wykorzystywany jest głównie na średnich i dużych odległościach, ponieważ jego koszty gwałtownie spadają powyżej 500 km. Jednak produkcja ciekłego wodoru pociąga za sobą duże zużycie energii.

Z uwagi na to, że w Chinach wodór zaliczany jest do kategorii niebezpiecznych substancji chemicznych, nie spotyka się tam obecnie produkcji rozproszonej. Dostarczany jest głównie jako sprężony gaz poprzez wykorzystanie transportu ciężarowego.

Najwyższą efektywność energetyczną i przewagę kosztową wodór zachowuje przy dostawie gazociągiem, ale wymaga to wcześniejszych inwestycji.
Wraz z rozwojem energetyki wodorowej oczekuje się, że w przyszłości transportowanie wodoru gazociągami będzie najbardziej rozpowszechnioną metodą.

Wodór może być przechowywany na trzy podstawowe sposoby: sprężony gazowy, ciekły i stały (m.in. poprzez absorpcję, reakcję z metalami, związkami chemicznymi). Jednak ilość energii potrzebnej do sprężenia wodoru w ciecz przez schłodzenie do -250 stopni C przy obecnie stosowanych technologiach, powoduje utratę wydajności o ok. 40 proc. Magazynowanie wodoru gazowego jest na razie najbardziej wydajną technologią i ma tę zaletę, że umożliwia szybkie przygotowanie do transportu i rozładunek przy niewielkich stratach energii. Stały wodór o teoretycznej wydajności energetycznej wyższej niż wodór ciekły, ale niższej niż wodór gazowy, wymaga większej złożoności technologicznej i wciąż znajduje się na etapie testowym.

Chociaż produkcja wodoru odgrywa kluczową rolę pod względem zużycia energii i emisji gazów cieplarnianych, nie można pominąć wpływu procesu produkcji układu ogniw paliwowych na środowisko.

Emisje GHG (greenhouse gas - gaz cieplarniany) z produkcji ogniw paliwowych stanowią ok. połowę takich emisji w procesie produkcji i recyklingu pojazdów FCEV.

System ogniw paliwowych składa się ze stosu ogniw paliwowych i innych elementów wspierających. Stos ogniw paliwowych, w którym zachodzi faktyczna reakcja elektrochemiczna, zbudowany jest z warstwy katalizatora, membrany, warstwa dyfuzyjnej gazu i płytek bipolarnych. Jednym z metali stosowanych do produkcji ogniw paliwowych jest platyna, którą nakłada się na warstwę katalizatora (np. w ogniwie typu PEMFC).

Platyna, oprócz tego, że jest jednym z najdroższych metali, powoduje szereg oddziaływań na środowisko, takich jak emisje tlenków siarki powstających podczas jej ekstrakcji.

Jednak ilość platyny używanej do produkcji ogniw paliwowych jest niezwykle mała i nadal maleje. Obecnie to 10-20 g na pojazd, co stanowi 0,8 proc. całkowitych kosztów układu paliwowego dla pojazdu z ogniwami paliwowymi o mocy 70 kW. Można to porównać do katalizatorów w pojazdach ICEV, które wymagają 5-10 gramów platyny dla pojazdu o podobnej wielkości z silnikiem Diesla. Ponadto już trwają badania nad katalizatorami wolnymi od platyny.

Można by przypuszczać, że pojazdy typu BEV nie emitują gazów cieplarnianych. Chociaż jest to prawdziwe na etapie eksploatacji, to już sama produkcja BEV pozostawia znaczny ślad węglowy. W rzeczywistości, BEV pozostawiają więcej śladu węglowego niż FCEV i ICEV podczas procesu produkcyjnego.

Zużycie materiałów i trendy innowacyjne w pojazdach FCEV są zupełnie inne niż dla pojazdów typu BEV. W przypadku BEV, koszt akumulatora może być w 75 proc. związany z jego materiałami, takimi jak lit i kobalt, a zatem jest mało prawdopodobne, aby w przyszłości spadły ich koszty wydobycia, przetworzenia i ceny zakupu w przeciwieństwie do pochodnych kosztów w systemach ogniw paliwowych w pojazdach FCEV. W całym procesie eksploatacji pojazdu BEV sama produkcja akumulatora odpowiada za największą emisję GHG (ok. 50 proc.).

Poza tym wydobycie i recykling wykorzystywanych metali są również źródłami zanieczyszczenia. Przy wydobywaniu litu zużywa dużo wody, co w wielu miejscach powoduje degradację środowiska z uwagi na powstałe zasolenie. Pozostaje jeszcze kwestia znacznych kosztów recyklingu, takich materiałów jak lit i kobalt oraz ich pochodnych.

Wodór jest nie tylko najobficiej występującym pierwiastkiem we wszechświecie, ale jest też źródłem syntezy jądrowej, która zasila Słońce i wspiera całe życie na Ziemi. Wodór jako nośnik energii ma dwie główne zalety w porównaniu z paliwami kopalnymi w zastosowaniach związanych z mobilnością. Uwalnianie energii przez jego utlenianie wytwarza tylko wodę jako produkt końcowy oraz jest on nieskończenie odnawialnym źródłem, dopóki świeci Słońce.

Z biegiem czasu zastosowania wodoru mają i będą obejmować prostą konwersję poprzez spalanie, systemy spalania wewnętrznego, bezpośrednią produkcję energii elektrycznej za pomocą ogniw paliwowych i kontrolowaną syntezę.

Ogniwo paliwowe i wodór mają ogromny potencjał, by napędzać przyszłość mobilności. Takie regiony świata jak USA, Chiny, Europa i Japonia, dostrzegają ten trend i koncentrują wysiłki polityczne na wspieraniu rozwoju technologii ogniw paliwowych, łańcucha dostaw i infrastruktury.

Ze względu na takie cechy, jak szybkie uzupełnianie paliwa (podobne do ICEV), mniejsza waga niż pojazdy BEV, FCEV jest niezwykle atrakcyjnym rozwiązaniem dla pojazdów ciężarowych i użytkowych.

Globalna technologia i konkurencja gospodarcza mają ogromne znaczenie dla tworzenia i wdrażania wydajnych rozwiązań energetycznych. Ale być może, że najważniejsza jest walka ze zmianami klimatu, niewątpliwie jeden z największych podjętych wysiłków naszego pokolenia. Wykorzystanie wodoru w mobilności jest niezaprzeczalnie częścią tych działań.

Wodór nie jest jedynym rozwiązaniem w zakresie napędzania rozwoju mobilności na świecie. Jest raczej częścią rozwiązania, razem z pojazdami typu BEV i innymi nowymi technologiami.

Opracowano na podstawie: "Fueling the Future of Mobility: Hydrogen and Fuel cell solutions for transport"
Zobacz także:

DODAJ KOMENTARZ
Redakcja portalu CIRE informuje, że publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu CIRE. Redakcja portalu CIRE nie ponosi odpowiedzialności za ich treść.

Przesłanie komentarza oznacza akceptację Regulaminu umieszczania komentarzy do informacji i materiałów publikowanych w portalu CIRE.PL
Ewentualne opóźnienie w pojawianiu się wpisanych komentarzy wynika z technicznych uwarunkowań funkcjonowania portalu. szczegóły...

Podpis:


Poinformuj mnie o nowych komentarzach w tym temacie




cire
©2002-2020
Agencja Rynku Energii S.A.
mobilne cire
IT BCE