Чи є водневі паливні елементи майбутнім електромобілів?

Впровадження електромобілів з акумуляторами (BEV) у Північній Америці, схоже, натрапило на перешкоду. с низька вартість перепродажу, дорогі витрати на ремонтта відставання інфраструктури, продажі сповільнилися – помітно. Великі орендні компанії, такі як Hertz, навіть скасували рішення розвантажити величезну частину електромобілів у своєму парку, повертаючись до своїх аналогів двигунів внутрішнього згоряння (ДВС).

Хоча це може бути так, було б божевіллям думати, що перехід від чогось такого всюдисущого, як ICE, відбудеться плавно. Завжди були невдачі, і на цьому шляху завжди виникали вагомі запитання щодо достоїнств електромобілів.

Суть у тому, що перехід на електромобілі — це не просто бажання небагатьох; це потреба багатьох у боротьбі зі зміною клімату. Однак, якщо нинішнє покоління електромобілів не відповідає цьому завданню, які у нас є інші варіанти? Для багатьох відповідь — це та, над якою обмірковуються вже багато років і яка нещодавно отримала вирішальний прогрес, — водневі електромобілі (HEV).

Підвищення довговічності водневих паливних елементів

В одному з останніх вчитися¹, об’єднана дослідницька група, що складається з вчених з Гарвардського та Інчхонського національних університетів, детально розробила новий підхід до створення водневих паливних елементів, який призведе як до покращення довговічності, так і до тривалості життя.

Зокрема, дослідження показало розвиток a «категорія стійких до втоми електролітних мембран, що складаються з взаємопроникної мережі нафіону та перфторполіефіру (PFPE)». Було відмічено, що типова втома, яка проявляється у вигляді руйнувань від напруги, які виникають під час регулярного використання паливних елементів, може бути значно зменшена.

Дослідження показало, що завдяки введенню матеріалу в електролітні мембрани всередині паливного елемента підвищується «…поріг втоми на 175% і подовжує термін служби паливного елемента в 1.7 рази. Крім того, немодифікована мембрана Nafion демонструє термін служби 242 години, тоді як композитна мембрана, як спостерігалося, має термін служби 410 годин».

Хоча команда зазначила, що впровадження цього матеріалу дещо погіршило продуктивність паливних елементів, вражаюче покращення довговічності/міцності, безумовно, є гідним компромісом. У майбутньому, якщо очікується, що водневі паливні елементи витіснитимуть свої аналоги з акумуляторними блоками в секторі електромобілів, саме такі досягнення необхідно зробити. Однак важливо пам'ятати, що найкраща технологія не завжди перемагає. Перевага першопрохідця реальна, і електромобілі на акумуляторних батареях явно лідирують, незважаючи на нещодавній спад ринку.

Що таке водневі електромобілі (HEV)?

Електричний транспортний засіб – це той, який використовує двигуни, що працюють від електрики, а не двигун, який працює від спалювання палива. У поточному стані переважна більшість електромобілів використовують важкі акумуляторні батареї для зберігання та доставки електроенергії для живлення цих двигунів. Як згадувалося, існує ще один підхід до електромобілів, який, здається, набирає популярності – водневі паливні елементи.

У водневих електричних транспортних засобах (HEV), які іноді називають електричними транспортними засобами на паливних елементах (FCEV), електроенергія, необхідна для живлення двигуна(ів), забезпечується завдяки електрохімічній реакції, під час якої водень, що зберігається у вигляді рідини або стисненого газу, розщеплюється на протони. і електрони. Весь процес працює наступним чином:

1. Водень, що зберігається в баку високого тиску, вивільняється на вимогу в паливний елемент.
2. Водень, який вводиться в паливний елемент, розщеплюється на протони та електрони.
3. Електрони використовуються для живлення двигунів, які потім приводять у рух колеса.
4. Протони з’єднуються з киснем повітря, утворюючи два побічні продукти: тепло і водяну пару.

Цікаво, що кілька обраних гібридних HEV використовують меншу батарею, щоб утримувати втрачену енергію за допомогою рекуперативного гальмування, поєднуючи найкраще з обох світів.

У чому привабливість водню?

Привабливість електромобілів різноманітна, але суттєва, як і електромобілі з акумуляторним живленням. Таким чином, незважаючи на те, що варіанти з живленням від акумулятора зараз домінують на ринку, вони аж ніяк не були визнані виграшним підходом. Фактично, кожен із наведених нижче факторів вказує на те, що HEV у певному відношенні є кращими.

Генерація та зберігання: Акумуляторні блоки, як правило, складаються з матеріалів, зібраних під час великих інвазивних гірничодобувних робіт, які сіють хаос на Землі, підриваючи передумову про те, що їх використання корисне для навколишнього середовища. Водень, з іншого боку, можна вловити за допомогою таких засобів, як стійкий електроліз, і потенційно природних запасів.

Крім того, водень можна легко стиснути в рідину та транспортувати без проблем у величезних кількостях. Він не вимагає ліній передачі з моменту створення, що робить процес більш гнучким.

Продуктивність: З точки зору продуктивності, немає великої різниці між HEV і BEV. Обидва типи транспортних засобів використовують двигуни для приводу своїх ведучих коліс, тобто обидва виграють від миттєвого крутного моменту та потужності, що є синонімом цієї технології.

Викиди: Що стосується викидів, то водень, мабуть, кращий. Хоча технічно це вторинний емітент, він включає лише водяну пару, що виходить із вихлопної труби. Тим часом BEV взагалі не мають викидів. Водень виділяється в процесі виробництва, оскільки для створення акумуляторних блоків, від яких він відмовляється, потрібен інтенсивний видобуток корисних копалин, що завдає шкоди Землі.

Заправка: Заправка є однією з найбільших привабливостей для Hydrogen, оскільки це фактор, з яким кінцеві користувачі регулярно стикаються з перших рук. У той час як BEV зазвичай потребують тривалого часу зарядки та спеціалізованої інфраструктури, HEV можуть заправлятися так само швидко, як і звичайний газ/дизель.

Діапазон: Незважаючи на те, що технологія батареї вдосконалюється, для того, щоб BEV міг похвалитися тим самим запасом ходу, що й більш традиційний ICE, потрібен масивний акумулятор. Це призводить до довшого часу заряджання, більшого впливу на навколишнє середовище та втрати ефективності через вагу. Водень, з іншого боку, може похвалитися показниками запасу ходу, як правило, на одному рівні з ICE, повністю виключаючи тривогу щодо запасу ходу з рівняння.

Холодний клімат: Частина занепокоєння щодо асортименту, яка мучить власників BEV, зводиться до регіону. Дуже небагато місць можуть похвалитися ідеальними кліматичними умовами для BEV, що призводить до різкого скорочення діапазону для багатьох клієнтів. Хоча водень справді втрачає деяку дальність у холодну погоду, це ніде не настільки драматично, що робить його більш привабливим варіантом для багатьох.

Як бачите, існують різні критичні сфери, в яких HEV можуть перевершити свої варіанти акумуляторних батарей. Те, де вони починають відставати, — це складність, необхідність модернізації існуючої інфраструктури заправки та потенційна поява твердотільних акумуляторів.

Гравці галузі розробляють водневі рішення

Індустрія електромобілів може зараз стикатися з деякими труднощами, але залишається очевидним, що вони є майбутнім транспорту. Що не так зрозуміло, так це те, яку форму матимуть електромобілі. Чи будуть вони живитися від батарей? Чи будуть вони покладатися на водневі паливні елементи? Наступні дві компанії роблять ставку на останній варіант і вже почали планувати таке майбутнє.

*Наведені нижче цифри були точними на момент написання статті та можуть бути змінені. Будь-який потенційний інвестор повинен перевірити метрики*

1. Toyota

Як найбільший у світі автовиробник, не дивно, що Toyota вирушила у сферу гібридних електромобілів (ГЕВ). Цікаво, що хоча компанія активно розробляє рішення для твердотільних акумуляторів, Toyota виступає проти сучасних акумуляторних електромобілів. Натомість Toyota дала зрозуміти, що вірить у світле майбутнє ГЕВ та навіть двигунів на водневому згорянні.

Примітно, що Toyota почала розробку технології HEV у 1992 році, що призвело до випуску «Mirai» – седана з 5-хвилинною заправкою, запасом ходу 650 км та нульовими шкідливими викидами.

2. Підключення живлення

(PLUG )

Plug Power Inc., заснована в 1997 році зі штаб-квартирою в Латемі, Нью-Йорк, залишається ключовим гравцем у розвитку технології водневих паливних елементів. Примітно, що Plug Power не зосереджується лише на автомобілях і вантажівках; компанія розробляє та виробляє такі системи для невеликих установок, які використовують електродвигуни.

В останні роки Plug Power розширила свою діяльність за межі паливних елементів для обробки матеріалів і почала орієнтуватися на ширші ринки. Це включає стаціонарні енергетичні системи, парки транспортних засобів доставки і навіть потенційне застосування в авіації. Стратегічні придбання компанії, такі як United Hydrogen та Giner ELX, ще більше зміцнили її позиції у водневій економіці, розширивши її можливості у виробництві, скрапленні та розподілі водню.

Заключне слово

Оскільки електромобілі з акумуляторними батареями спотикаються, більше уваги приділяється потенційним альтернативам. У нинішньому вигляді водневі рішення знаходяться на передньому плані, і хоча з першого погляду може бути легко відкинути цю технологію, пам’ятайте, що не тільки Toyota наполягає на водні. Уже існують партнерства та розробка водневих рішень за участю таких компаній, як Honda, GM, Hyundai тощо.

З кожним днем ​​зростаючий доступ до екологічно чистого водню майбутнє електромобілів може виглядати дещо інакше, ніж багато хто уявляє.

Посилання на дослідження:

^{1. Кім, Ю., Чжан, Дж., Лім, Х., Чан, В., Кім, Д.Й., Лі, В.Й., Чой, В., Кім, Д.Й., Лі, С.Х., Чжон, С.К., Парк, Дж.Х., Парк, С. та Кім, Дж.Й. (2024). Втомостійкі електролітні мембрани для міцних полімерних електролітних мембранних паливних елементів. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}