[eMIT]: Wodór i technologia ogniw paliwowych to przyszłość transportu drogowego

W pakiecie Fit for 55 przedstawiona została m.in. droga do neutralności klimatycznej w transporcie, która zakłada redukcję emisji CO2 o 90% do 2050 r. Już w 2035 r. w Unii Europejskiej nie będą sprzedawane nowe pojazdy spalinowe. Kwestią, której rozwiązanie pozostaje wciąż przed nami jest wybór technologii, o którą oparta zostanie produkcja nowych pojazdów. Wszystko wskazuje na to, że będzie to technologia bateryjna, nie technologia ogniw paliwowych.

Mit: pojazdy elektryczne bateryjne to technologia przejściowa, przyszłością transportu jest technologia wodorowa.

Prawda:

• Transport jest sektorem o najwyższej końcowej konsumpcji energetycznej w Unii Europejskiej. W 2020 r. stanowił ponad 28% ogólnej konsumpcji, przy czym transport drogowy to aż 95% tej wartości.

• Całkowita efektywność energetyczna technologii ogniw paliwowych wynosi ok. 33%, zaś technologii bateryjnej ponad 75%.

• Żeby technologia wodorowa stała się bezemisyjną, konieczne byłoby zasilanie procesu jej produkcji wyłącznie energią pochodzącą ze źródeł odnawialnych i wybór bezemisyjnej metody wytwarzania surowca. 

• Obecnie jedyną bezemisyjną metodą produkcji wodoru jest elektroliza wody, za pomocą której produkuje się globalnie zaledwie ok. 1% wodoru.

• Koszt produkcji, przechowywania, transportu i dystrybucji wodoru znacząco przewyższa koszt związany z wykorzystaniem technologii bateryjnej.

• Aby zasilić 10% samochodów, furgonetek i małych ciężarówek zielonym wodorem oraz kolejne 10% e-dieslem w 2050 roku, potrzebna byłaby o 41% większa ilość energii odnawialnej niż w przypadku bateryjnych pojazdów elektrycznych. 

• Żywotność ogniwa paliwowego (ok. 150 000 km) jest niższa niż żywotność baterii (200-300 tys. km).

Transport jest sektorem o najwyższej końcowej konsumpcji energetycznej w Unii Europejskiej. Według danych MITMA (Ministry of Transport, Mobility and Urban Agenda), w 2020 r. stanowił ponad 28% ogólnej konsumpcji, przy czym transport drogowy to aż 95% tej wartości. Jednocześnie transport drogowy odpowiadał za 27,8% emisji gazów cieplarnianych w skali globalnej w 2021 r., co czyni go jednym z najbardziej emisyjnych podsektorów.

W perspektywie najbliższych kilkunastu lat motoryzacja przestawi się na nowe, bezemisyjne technologie napędowe. W  pakiecie Fit for 55 przedstawiony jest plan osiągnięcia celu neutralności klimatycznej, który przewiduje redukcję emisji CO2 w sektorze transportu o 90% do 2050 r. 

W przypadku transportu drogowego, już w 2035 r. emisja z nowych pojazdów osobowych i dostawczych ma zostać ograniczona do zera. Jeśli chodzi o pojazdy ciężarowe, negocjacje wciąż trwają. Prawdopodobnym kompromisem jest przedłużenie czasu na redukcję emisji o 90% do 2040 r. 

Paliwa dziś stanowiące dostępną alternatywę dla benzyny i oleju napędowego – gaz ziemny CNG/LNG i gaz płynny LPG – są technologiami emisyjnymi. Z kolei paliwa syntetyczne (e-paliwa) i biopaliwa nie mają szans powodzenia ze względu na barierę w postaci wysokiej ceny i ograniczonej podaży.

Dlatego jedynymi realnymi rozwiązaniami są technologia wykorzystująca energię elektryczną (technologia bateryjna, pojazdy elektryczne) i technologia ogniw paliwowych (wodór). 

Efektywność energetyczna technologii elektrycznej i technologii wodorowej

Zarówno technologia wodorowa, jak i bateryjna mają potencjał zerowej emisyjności, nie tylko na poziomie użytkowania pojazdu, ale też na poziomie produkcji paliwa. Żeby tak się stało, potrzebna jest całkowita dekarbonizacja produkcji energii elektrycznej, która miałaby zasilać pojazdy elektryczne, a w przypadku technologii wodorowej – dekarbonizacja energii elektrycznej potrzebnej do produkcji wodoru. 

Pojawiały się co prawda pomysły wychwytywania i magazynowania CO2 powstałego w procesie produkcji wodoru z gazu ziemnego czy ropy naftowej, jednak jest małe prawdopodobieństwo, że uda się wypracować rozwiązanie, które byłoby na tyle efektywne i opłacalne, żeby można było je zastosować na szeroką skalę. 

Jedynym realnym rozwiązaniem pozwalającym na osiągnięcie zerowej emisyjności pojazdów wodorowych i bateryjnych jest odejście od pozyskiwania elektrycznej ze spalania węgla. Co jednak z efektywnością energetyczną każdej z tych technologii? 

Technologia bateryjna

Dane pokazują, że jeśli wykorzystamy odnawialną energię elektryczną (np. energia wiatrowa lub słoneczna) i wprowadzimy ją bezpośrednio do baterii samochodowej, uzyskamy całkowitą sprawność energetyczną na poziomie 77% – tyle początkowej energii zasila pojazd.

Straty energetyczne w technologii bateryjnej są związane z:

• przesyłem energii ze źródła do stacji ładowania (ok.6%)
• straty w systemie ładowania i systemie pojazdu bateryjnego (ok.10% przy mieszanym ładowaniu prądem stałym i zmiennym)
• zamianą prądu zmagazynowanego w baterii na prąd zmienny, której efektywność wynosi 95%
• sprawnością silnika elektrycznego, która wynosi ok. 95%

Przy uwzględnieniu tych strat, na energię mechaniczną zamienianych jest 77% energii wejściowej. 

Technologia wodorowa

Zeroemisyjny wodór jest obecnie wytwarzany przy pomocy elektrolizy wody, jednak ten sposób produkcji stanowi znikome 0,4% całej produkcji wodoru. Pozostałe technologie jego produkcji wykorzystują nieodnawialne surowce i wiążą się z emisją zanieczyszczeń. Sprawność procesu elektrolizy wody szacowana jest na ok. 76%.

Straty energetyczne w technologii ogniw paliwowych:

• efektywność procesu wytwarzania bezemisyjnego wodoru (elektrolizy wody) wynosi ok. 75%, z możliwością lekkiego zwiększenia przy wykorzystaniu ciepła odpadowego elektrolizera
• szacunkowa wydajność procesów kompresji, transportu i tankowania wodoru to ok. 90%
• sprawność ogniwa paliwowego w wysokości ok. 55%
• straty związane z koniecznością przekształcenia prądu stałego na zmienny (95% efektywności procesu)
• sprawność silnika elektrycznego w pojeździe wodorowym (95%)

Przy uwzględnieniu powyższych strat, na energię mechaniczną przekształcane jest ok. 33% energii wejściowej.

W kontekście produkcji wodoru warto zwrócić uwagę na to, że po pierwsze obecnie powszechnie wytwarzany tzw. wodór przemysłowy nie jest wystarczająco czystym produktem, żeby nadawać się do zastosowania w ogniwie paliwowym. Z kolei produkcja wodoru z użyciem energii sieciowej jest zbyt droga, a koszty operacyjne  funkcjonowania elektrolizera powodują konieczność jego pracy min. 20h na dobę – co przy wykorzystaniu wyłącznie okresowych nadwyżek produkcji prądu w systemie jest nierealne.

Koszt posiadania i użytkowania pojazdów bateryjnych i w technologii wodorowej

Technologia bateryjna i technologia ogniw paliwowych są obecne na rynku od kilkunastu lat, jednak silniej skomercjalizowana jest ta pierwsza. Zdecydowana większość dużych producentów samochodów deklaruje, że właśnie o technologię bateryjną zamierza oprzeć produkcję nowych pojazdów po 2035 r. 

Pod koniec 2023 r. w Unii Europejskiej zarejestrowanych było ponad 4,3 mln elektrycznych pojazdów osobowych i dostawczych (M1+N1) oraz ponad 25 tys  autobusów (M2+M3) i ciężarówek (N2+N3). Choć Polska plasuje się na czwartej od końca pozycji wśród krajów Unii, jeśli chodzi o liczbę elektryków (BEV) na drogach, nawet u nas ich liczba rośnie coraz szybciej: pod koniec stycznia 2024 r. było to ponad 52 tys. sztuk, w pierwszym miesiącu roku przybyło ich 1628.

Obecnie producentem wodorowych pojazdów osobowych i dostawczych jest przede wszystkim Toyota (model Mirai) oraz Hyundai (model Nexo). W 2021 r. z dalszych inwestycji w tę technologię zrezygnowała Honda (model Claris). Większe zainteresowanie technologią ogniw paliwowych obserwujemy w segmencie autobusów i ciężarówek. 

Duże pojazdy dostawcze i ciężarowe

Produkcja zielonego wodoru lub paliw syntetycznych (e-paliw) dla transportu drogowego wymagałaby ogromnej ilości odnawialnej energii, co z kolei wiązałoby się z koniecznością budowy i utrzymania dodatkowych elektrowni produkujących energię z odnawialnych źródeł. 

W badaniu przeprowadzonym przez Transport & Environment oszacowano, że aby zasilić 10% samochodów osobowych, furgonetek i małych ciężarówek zielonym wodorem oraz kolejne 10% e-dieslem w 2050 roku, potrzebna byłaby o 41% większa ilość energii odnawialnej niż w przypadku bateryjnych pojazdów elektrycznych. 

Jeżeli połowa ciężarówek używanych w transporcie ciężkim wykorzystywałaby technologię ogniw paliwowych, a druga połowa e-diesel, w 2050 r. zużyłyby one o 151% więcej energii odnawialnej niż takie same pojazdy bezpośrednio zelektryfikowane.

Warto również wziąć pod uwagę potrzeby infrastrukturalne związane z magazynowaniem, transportem i dystrybucją sprężonego wodoru. Ze względu na wysoką przenikalność pierwiastka, instalacje te są bardzo kosztowne. Dodatkowo, żywotność ogniwa paliwowego wynosi ok. 150 000 km – to mniej, niż w przypadku baterii (900 cykli ładowania, co przekłada się na min. 200 000 – 300 000 km), a jego wymiana wiąże się z podobnymi kosztami, co wymiana baterii.

W sektorze pojazdów ciężarowych i dostawczych, najważniejszym czynnikiem decydującym o wyborze technologii jest całkowity koszt użytkowania (TCO), niekoniecznie koszt nabycia samego pojazdu. Jeśli koszt zakupu jest porównywalny, kolejnymi czynnikami, które przewoźnicy wezmą pod uwagę będzie dostępność infrastruktury do ładowania/tankowania pojazdów oraz – przede wszystkim – koszt paliwa. 

Podsumowanie

Wodór niewątpliwie pełni i będzie pełnił ważną rolę w procesie dekarbonizacji gospodarki, szczególnie w przemyśle, który jest trudny lub niemożliwy do zelektryfikowania (hutnictwo, przemysł chemiczny). Natomiast jeśli chodzi o transport, uwzględniając efektywność energetyczną łańcucha paliwowego wodoru i technologii bateryjnej, ciężko jest wyobrazić sobie, że technologia ogniw paliwowych mogłaby kiedykolwiek być bardziej opłacalna od technologii bateryjnej.

Źródła:

[1] [2] [3] [4] [5]