Είναι οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου το μέλλον των ηλεκτρικών οχημάτων;

Η υιοθέτηση ηλεκτρικών οχημάτων με μπαταρία (BEV) στη Βόρεια Αμερική φαίνεται να έχει χτυπήσει εμπόδιο. Με κακές αξίες μεταπώλησης, ακριβό κόστος επισκευήςκαι υστέρηση υποδομών, οι πωλήσεις έχουν επιβραδυνθεί – έντονα. Υπήρξαν ακόμη και ανατροπές αποφάσεων από μεγάλες εταιρείες ενοικίασης όπως η Hertz που το αποφάσισαν εκφορτώνει μια τεράστια μερίδα EVs στο στόλο της, επιστρέφοντας στους αντίστοιχους κινητήρα εσωτερικής καύσης (ICE).

Αν και αυτό μπορεί να συμβαίνει, θα ήταν τρελό να σκεφτεί κανείς ότι η μετάβαση από κάτι τόσο πανταχού παρόν όπως το ICE θα συνέβαινε απρόσκοπτα. Πάντα επρόκειτο να υπάρξουν πισωγυρίσματα, και πάντα θα τέθηκαν έγκυρα ερωτήματα στην πορεία γύρω από τα πλεονεκτήματα των EV.

Η ουσία είναι ότι η στροφή προς τα EV δεν είναι απλώς μια επιθυμία από λίγους. είναι ανάγκη πολλών στον αγώνα κατά της κλιματικής αλλαγής. Ωστόσο, εάν η τρέχουσα γενιά ηλεκτρικών οχημάτων δεν ανταποκρίνεται στο καθήκον, τι άλλες επιλογές έχουμε; Για πολλούς, η απάντηση είναι αυτή που έχει μελετηθεί εδώ και πολλά χρόνια και έχει πρόσφατα δει κρίσιμες εξελίξεις - τα ηλεκτρικά οχήματα υδρογόνου (HEV).

Βελτίωση της ανθεκτικότητας των κυψελών καυσίμου υδρογόνου

Σε μια πρόσφατη μελέτη¹, μια κοινή ερευνητική ομάδα αποτελούμενη από επιστήμονες από τα Εθνικά Πανεπιστήμια του Χάρβαρντ και του Ίντσεον παρουσίασε λεπτομερώς μια νέα προσέγγιση για την κατασκευή κυψελών καυσίμου υδρογόνου που θα είχε ως αποτέλεσμα βελτιωμένη αντοχή και διάρκεια ζωής.

Πιο συγκεκριμένα, η μελέτη είδε την ανάπτυξη του α «κατηγορία ηλεκτρολυτικών μεμβρανών ανθεκτικών στην κόπωση, που αποτελούνται από ένα αλληλοδιεισδυτικό δίκτυο Nafion και υπερφθοροπολυαιθέρα (PFPE).» Όταν χρησιμοποιήθηκε, σημειώθηκε ότι η τυπική κόπωση, η οποία παρουσιάζεται ως κατάγματα από στρες που συμβαίνουν κατά την τακτική χρήση κυψελών καυσίμου, θα μπορούσε να μειωθεί σημαντικά.

Με την ενσωμάτωση του υλικού σε μεμβράνες ηλεκτρολυτών μέσα σε μια κυψέλη καυσίμου, η μελέτη έδειξε ότι αύξησε την «… κατώφλι κόπωσης κατά 175% και παρατείνει τη διάρκεια ζωής της κυψέλης καυσίμου κατά 1.7 φορές. Επιπλέον, η μη τροποποιημένη μεμβράνη Nafion παρουσιάζει διάρκεια ζωής 242 ώρες, ενώ η σύνθετη μεμβράνη παρατηρήθηκε να έχει διάρκεια ζωής 410 ώρες».

Ενώ η ομάδα σημείωσε ότι η εισαγωγή αυτού του υλικού υποβάθμισε ελαφρώς την απόδοση των κυψελών καυσίμου, η εκπληκτική βελτίωση της αντοχής/μακροζωίας είναι σαφώς μια αξιόλογη συμβιβαστική λύση. Προχωρώντας προς τα εμπρός, εάν οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου αναμένεται να αντικαταστήσουν τις αντίστοιχες συστοιχίες μπαταριών στον τομέα EV, αυτοί είναι οι τύποι προόδου που πρέπει να γίνουν. Ωστόσο, είναι σημαντικό να θυμάστε ότι η καλύτερη τεχνολογία δεν κερδίζει πάντα. Το πλεονέκτημα της πρώτης κίνησης είναι πραγματικό και τα ηλεκτρικά ηλεκτρικά ηλεκτρικά που τροφοδοτούνται από μπαταρίες προηγούνται σαφώς, παρά την πρόσφατη ύφεση της αγοράς.

Τι είναι τα ηλεκτρικά οχήματα υδρογόνου (HEV);

Ένα ηλεκτρικό όχημα είναι αυτό που βασίζεται σε κινητήρες που τροφοδοτούνται από ηλεκτρική ενέργεια και όχι σε κινητήρα που τροφοδοτείται από καύση καυσίμου. Ως έχει, η συντριπτική πλειονότητα των ηλεκτρικών οχημάτων χρησιμοποιεί βαριά πακέτα μπαταριών για την αποθήκευση και παράδοση της ηλεκτρικής ενέργειας για την τροφοδοσία αυτών των κινητήρων. Όπως αναφέρθηκε, υπάρχει μια άλλη προσέγγιση για τα ηλεκτρικά οχήματα που φαίνεται να κερδίζει έλξη – οι κυψέλες καυσίμου υδρογόνου.

Στα ηλεκτρικά οχήματα υδρογόνου (HEV), που μερικές φορές ονομάζονται ηλεκτρικά οχήματα με κυψέλες καυσίμου (FCEV), η ηλεκτρική ενέργεια που απαιτείται για την τροφοδοσία του κινητήρα(ων) παρέχεται μέσω μιας ηλεκτροχημικής αντίδρασης που βλέπει το υδρογόνο, αποθηκευμένο είτε ως υγρό είτε ως συμπιεσμένο αέριο, να χωρίζεται σε πρωτόνια. και ηλεκτρόνια. Η όλη διαδικασία λειτουργεί ως εξής:

1. Το υδρογόνο που είναι αποθηκευμένο σε μια δεξαμενή υψηλής πίεσης απελευθερώνεται κατόπιν ζήτησης σε μια κυψέλη καυσίμου.
2. Το υδρογόνο που εισάγεται στην κυψέλη καυσίμου χωρίζεται σε πρωτόνια και ηλεκτρόνια.
3. Τα ηλεκτρόνια χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία κινητήρων, οι οποίοι στη συνέχεια κινούν τροχούς.
4. Τα πρωτόνια συνδυάζονται με το οξυγόνο στον αέρα, παράγοντας δύο υποπροϊόντα: θερμότητα και υδρατμούς.

Είναι ενδιαφέρον ότι μερικά επιλεγμένα υβριδικά HEV χρησιμοποιούν μια μικρότερη μπαταρία για να συλλάβουν τη χαμένη ενέργεια μέσω της αναγεννητικής πέδησης, συνδυάζοντας τα καλύτερα και των δύο κόσμων.

Ποια είναι η έλξη του υδρογόνου;

Οι εκκλήσεις πίσω από τα HEV είναι ποικίλα, αλλά ουσιαστικά, αν και το ίδιο ισχύει και για τα ηλεκτρικά ηλεκτρικά ηλεκτρικά με μπαταρίες. Έτσι, ενώ οι παραλλαγές που τροφοδοτούνται με μπαταρίες κυριαρχούν επί του παρόντος στην αγορά, δεν έχουν ανακηρυχθεί σε καμία περίπτωση η νικητήρια προσέγγιση. Στην πραγματικότητα, καθένας από τους ακόλουθους παράγοντες δείχνει ότι τα HEV υπερτερούν κατά κάποιο τρόπο.

Δημιουργία και αποθήκευση: Τα πακέτα μπαταριών συνήθως περιλαμβάνουν υλικά που συλλέγονται από μεγάλες, επεμβατικές επιχειρήσεις εξόρυξης που προκαλούν όλεθρο στη Γη, υπονομεύοντας την υπόθεση ότι η χρήση τους είναι καλή για το περιβάλλον. Το υδρογόνο, από την άλλη πλευρά, μπορεί να δεσμευτεί με μέσα όπως η βιώσιμη ηλεκτρόλυση και ενδεχομένως φυσικά αποθέματα.

Επιπλέον, το Υδρογόνο μπορεί εύκολα να συμπιεστεί σε υγρό και να μεταφερθεί χωρίς προβλήματα σε τεράστιες ποσότητες. Δεν απαιτεί γραμμές μεταφοράς από το σημείο δημιουργίας, καθιστώντας τη διαδικασία πιο ευέλικτη.

Απόδοση: Από άποψη απόδοσης, δεν υπάρχει μεγάλη διαφορά μεταξύ HEV και BEV. Και οι δύο τύποι οχημάτων χρησιμοποιούν κινητήρες για να τροφοδοτούν τους κινητήριους τροχούς τους, πράγμα που σημαίνει ότι και οι δύο θα επωφεληθούν από τη στιγμιαία ροπή και την ισχύ συνώνυμη με την τεχνολογία.

Εκπομπές: Στο μέτωπο των εκπομπών, το Hydrogen είναι αναμφισβήτητα καλύτερο. Ενώ τεχνικά είναι ένας δευτερεύων εκπομπός, αυτό περιλαμβάνει μόνο υδρατμούς που βγαίνουν από τον σωλήνα εξάτμισης. Εν τω μεταξύ, τα BEV δεν έχουν καθόλου εκπομπές. Εκεί που ξεχωρίζει το Υδρογόνο είναι στη διαδικασία κατασκευής, καθώς οι συστοιχίες μπαταριών που παραιτείται απαιτούν εκτεταμένη εξόρυξη για να δημιουργηθούν, καταστρέφοντας τη Γη στη διαδικασία.

Ανεφοδιασμός με καύσιμα: Ο ανεφοδιασμός με καύσιμα είναι μια από τις μεγαλύτερες προσκλήσεις για το Υδρογόνο, καθώς είναι ένας παράγοντας που οι τελικοί χρήστες θα αντιμετωπίζουν από πρώτο χέρι σε τακτική βάση. Ενώ τα BEV συνήθως απαιτούν μεγάλους χρόνους φόρτισης και εξειδικευμένη υποδομή, τα HEV μπορούν να ανεφοδιαστούν με καύσιμα τόσο γρήγορα όσο ένα κανονικό όχημα αερίου/ντίζελ.

Περιοχή: Αν και η τεχνολογία μπαταριών βελτιώνεται, για να μπορεί ένα BEV να έχει την ίδια εμβέλεια με το πιο παραδοσιακό ICE, απαιτείται ένα τεράστιο πακέτο μπαταριών. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μεγαλύτερους χρόνους φόρτισης, μεγαλύτερο περιβαλλοντικό αποτύπωμα και απώλειες στην απόδοση λόγω βάρους. Το υδρογόνο, από την άλλη πλευρά, μπορεί να υπερηφανεύεται για νούμερα εύρους συνήθως ισοδύναμα με το ICE, αφαιρώντας εντελώς το άγχος εμβέλειας από την εξίσωση.

Ψυχρά κλίματα: Μέρος του άγχους της εμβέλειας που μαστίζει τους ιδιοκτήτες BEV έρχεται στην περιοχή. Πολύ λίγα μέρη διαθέτουν ιδανικές κλιματικές συνθήκες για ένα BEV, με αποτέλεσμα δραστικά μειωμένη εμβέλεια για πολλούς πελάτες. Ενώ το υδρογόνο χάνει κάποια εμβέλεια στον κρύο καιρό, δεν είναι πουθενά τόσο δραματικό, καθιστώντας το πιο ελκυστική επιλογή για πολλούς.

Όπως μπορείτε να δείτε, υπάρχουν διάφορες κρίσιμες περιοχές στις οποίες τα HEV μπορούν να ξεπεράσουν τις παραλλαγές του πακέτου μπαταριών τους. Εκεί που αρχίζουν να υστερούν είναι η πολυπλοκότητα, η ανάγκη για εκ των υστέρων τοποθέτηση της υπάρχουσας υποδομής ανεφοδιασμού και η πιθανή εμφάνιση μπαταριών στερεάς κατάστασης.

Παίκτες του κλάδου που αναπτύσσουν λύσεις υδρογόνου

Η βιομηχανία EV μπορεί να αντιμετωπίζει μερικά χτυπήματα στο δρόμο αυτή τη στιγμή, αλλά παραμένει σαφές ότι είναι το μέλλον των μεταφορών. Αυτό που δεν είναι τόσο σαφές είναι ποια μορφή θα πάρουν τα EV. Θα λειτουργούν με μπαταρία; Ή θα βασίζονται σε κυψέλες καυσίμου υδρογόνου; Το παρακάτω ζεύγος εταιρειών δραστηριοποιείται στο τελευταίο και έχει ήδη αρχίσει να σχεδιάζει ένα τέτοιο μέλλον.

*Τα στοιχεία που παρέχονται παρακάτω ήταν ακριβή τη στιγμή της σύνταξης και υπόκεινται σε αλλαγές. Κάθε δυνητικός επενδυτής θα πρέπει να επαληθεύει τις μετρήσεις*

1. Toyota

Ως η μεγαλύτερη αυτοκινητοβιομηχανία στον κόσμο, δεν πρέπει να αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι η Toyota έχει αποτολμήσει στη σφαίρα των HEV. Είναι ενδιαφέρον ότι, ενώ η εταιρεία αναπτύσσει ενεργά λύσεις μπαταριών στερεάς κατάστασης, η Toyota έχει στριμώξει τα ηλεκτρικά ηλεκτρικά με μπαταρία του σήμερα. Αντίθετα, η Toyota έχει γνωστοποιήσει ότι πιστεύει ότι ένα λαμπρότερο μέλλον βρίσκεται στα HEV και ακόμη και στους κινητήρες καύσης υδρογόνου.

Αξίζει να σημειωθεί ότι η Toyota άρχισε να αναπτύσσει την τεχνολογία HEV το 1992, χτίζοντας την κυκλοφορία του «Mirai» – ενός σεντάν με ανεφοδιασμό 5 λεπτών, εμβέλεια 650 χιλιομέτρων και μηδενικές επιβλαβείς εκπομπές ρύπων.

2. Τροφοδοσία

Plug Power Inc. (PLUG + 9.09%)

Η Plug Power Inc., που ιδρύθηκε το 1997 και εδρεύει στο Latham της Νέας Υόρκης, παραμένει βασικός παράγοντας στην προώθηση της τεχνολογίας κυψελών καυσίμου υδρογόνου. Συγκεκριμένα, το Plug Power δεν εστιάζει αποκλειστικά σε αυτοκίνητα και φορτηγά. η εταιρεία σχεδιάζει και κατασκευάζει τέτοια συστήματα για μικρότερες εγκαταστάσεις που χρησιμοποιούν ηλεκτροκινητήρες.

Τα τελευταία χρόνια, η Plug Power έχει επεκτείνει την εστίασή της πέρα ​​από τις κυψέλες καυσίμου για τη διαχείριση υλικών και έχει αρχίσει να στοχεύει σε ευρύτερες αγορές. Αυτό περιλαμβάνει σταθερά συστήματα ισχύος, στόλους οχημάτων παράδοσης, ακόμη και πιθανές εφαρμογές στην αεροπορία. Οι στρατηγικές εξαγορές της εταιρείας, όπως αυτή της United Hydrogen και της Giner ELX, ενίσχυσαν περαιτέρω τη θέση της στην οικονομία του υδρογόνου ενισχύοντας τις δυνατότητές της στην παραγωγή, υγροποίηση και διανομή υδρογόνου.

Τελικός του Word

Με τα ηλεκτρικά ηλεκτρικά ηλεκτρικά μπαταριών να παραπαίουν, δίνεται μεγαλύτερη έμφαση σε πιθανές εναλλακτικές λύσεις. Ως έχει, οι λύσεις υδρογόνου βρίσκονται στο μπροστινό μέρος της συσκευασίας, και παρόλο που μπορεί να είναι εύκολο να απορρίψετε την τεχνολογία με την πρώτη ματιά, να θυμάστε ότι δεν είναι μόνο η Toyota που πιέζει για υδρογόνο. Υπάρχουν ήδη συνεργασίες και ανάπτυξη λύσεων υδρογόνου που περιλαμβάνουν εταιρείες όπως η Honda, η GM, η Hyundai και άλλες.

Με την αυξανόμενη πρόσβαση σε αειφόρο υδρογόνο που αυξάνεται καθημερινά, το μέλλον των ηλεκτρικών οχημάτων μπορεί να φαίνεται ελαφρώς διαφορετικό από ό,τι πολλοί πιστεύουν.

Μελέτες που αναφέρονται:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, DY, Lee, WY, Choi, W., Kim, DJ, Lee, SH, Jeong, SK, Park, JH, Park, S., & Kim, JY (2024). Μεμβράνες ηλεκτρολυτών ανθεκτικές στην κόπωση για ανθεκτικά στοιχεία καυσίμου μεμβρανών ηλεκτρολυτών πολυμερών. Προηγμένα Υλικά, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}