Üzemanyagcellák: a nagy hatótávolságú, nulla kibocsátású járművek potenciális megmentői

Az autóipar minden jelentős szereplője a zéró károsanyag-kibocsátású járművek fejlesztésén és bevezetésén dolgozik: a hajtáslánc-technológia viharos változása zajlik. Az üzemanyagcellás rendszerek olyan közúti közlekedési alkalmazások technológiájaként léteznek, amelyeknek nulla károsanyag-kibocsátásúaknak kell lenniük, és ahol a napi vezetési igényt nem lehet megvalósítani csak akkumulátoros hajtáslánccal.

A közúti közlekedés minden ország üvegházhatású gázkibocsátásához jelentős mértékben hozzájárul. Például az autók, a könnyű haszongépjárművek, a teherautók és a buszok összességében felelősek az EU belföldi közlekedéssel összefüggő üvegházhatású gázkibocsátásának körülbelül 93%-áért. Hasonlóképpen, az Egyesült Államokban a közúti járművek adják a belföldi közlekedés kibocsátásának körülbelül 85%-át. Ez a magas arány az ágazatot határozottan a politikai döntéshozók célkeresztjébe helyezi.

Elismert tény, hogy a közúti közlekedés szinte teljes szén-dioxid-mentesítésére van szükség ahhoz, hogy az országok teljesítsék a Párizsi Megállapodás részeként kitűzött 2050-re kitűzött éghajlati célkitűzéseiket. Ugyanilyen fontos az is, hogy egyre jobban elismerik a közlekedési kibocsátás hatását a helyi levegőminőségre és a városi lakosság egészségére. A nagyvárosok egyre inkább arra törekednek, hogy betiltsák vagy megadóztassák a belsőégésű motoros járművek városközpontokba való behajtását, ami befolyásolja a tömegközlekedés, a szállítójárművek és a taxiflották, valamint a személygépkocsik technológiai megválasztását. Kibocsátásmentes megoldásokra van szükség minden közúti járműszegmensben, és a technológiának képesnek kell lennie arra, hogy megfeleljen ezen alkalmazások napi munkaciklusának, bármilyen nehéz is.

Míg az akkumulátoros elektromos megoldások vezetik a zéró károsanyag-kibocsátású hajtásláncokra való átállást, a mai autóipari lítium-ion akkumulátorok energiasűrűsége azt jelenti, hogy az akkumulátoros elektromos járművek (BEV) napi hatótávolságát a szállítható akkumulátorok maximális tömege korlátozza.

Az üzemanyagcellás rendszerek (amelyek hidrogén üzemanyagcellát építenek be az elektromos jármű architektúrájába) elektromos energiát állítanak elő a jármű meghajtására a hidrogén üzemanyag (a járműben lévő tartályokban nagy nyomáson tárolva) és a tisztított beszívott levegő közötti kémiai reakció révén. Az üzemanyagcellás rendszerek kiváló energiasűrűséget kínálnak a csak akkumulátoros hajtásláncokhoz képest, és ezért nagyobb hatótávolságot biztosítanak azonos súly mellett.

Ez az előny a hidrogénnel való lényegesen gyorsabb tankolás lehetőségével párosulva azt jelenti, hogy az üzemanyagcellás elektromos járművek (FCEV) jelentősebb működési rugalmasságot kínálnak a jelenlegi belső égésű motoros járművekhez hasonlóan, mint amennyit a BEV képes nyújtani. Egyes alkalmazásokban az FCEV lehet az egyetlen életképes zéró kibocsátású hajtáslánc.

A nagy gyártók, köztük a Toyota, a Ford, a Honda, a GM, a Hyundai, a Volkswagen, a Daimler és a BMW, az elmúlt 30 évben jelentős összegeket fektetett be az üzemanyagcellás technológiák fejlesztésébe, és a technológia 2014 óta elérhető a kereskedelemben, amikor a Toyota megkezdte az üzemanyagcellás tömeggyártását.

A személygépkocsik esetében azonban ezeknek az erőfeszítéseknek a csúcspontja az, hogy 2021-ben csak két nagyobb OEM, a Toyota és a Hyundai gyártott FCEV autót, és 2020-ban kevesebb, mint 10 000 FCEV-t adtak el. Összehasonlításképpen akkumulátoros elektromos járművekből, amelyek fejlesztése Az FCEV-hez hasonló időben kezdődött komolyabban, 2020-ban több mint 3 millió darabot adtak el. Az FC személygépkocsik mozgó célpontot kergetnek, amelyet nehéz lesz elkapni, a BEV-technológiák gyorsan fejlődnek ebben a szegmensben.

Míg a BEV hajtásláncokkal kapcsolatban aggodalomra ad okot, hogy a jármű élettartamán belül ki kell cserélni az akkumulátorokat, és számos jármű-visszahívás történt az akkumulátorok tüzével kapcsolatban, az FCEV autók valószínűleg hasonló problémákkal szembesülnek majd, ahogy az üzemanyagcellás-rendszer kifejlődik. A Hyundai idén augusztusban bejelentette, hogy visszahív 15 000 NEXO-t (az összes NEXO-t, amelyeket 2021 júniusa előtt adtak el), hogy kijavítsák a zavaró problémát. Bejelentettek egy „visszavásárlási” programot is azoknak a NEXO-knak, amelyeknél 250 000 km megtétele előtt tüzelőanyag-cellás köteget kell cserélni. A Hyundai minőségi hibái hátráltatják az FCEV autók támogatóit, mivel a NEXO a globális FCEV autóeladások körülbelül felét tette ki.

Az FCEV hatótávolsága és tankolási előnye azt jelenti, hogy a nagy teherbírású alkalmazások, mint például a hosszú távú teherszállítás vagy a nagy futásteljesítményű buszjáratok, amelyek nagyon nagy akkumulátort igényelnek csak akkumulátoros architektúrával, valószínűleg nagyobb lehetőséget kínálnak az üzemanyagcellás technológia számára a közeli távon. A Hyundai például kereskedelmi kísérleteket végez Svájcban 46 FCEV teherautóból álló flottával, a tervek szerint ezt 2025-ig 1600 teherautóra növelik. Bejelentették a közelgő FCEV teherautó-projekteket az Egyesült Államokban, és 4000 FCEV teherautó megrendelését Kínában. Az FCEV-k némileg behatolnak a buszpiacra is, Európában több mint 150, az Egyesült Államokban 65, Kínában pedig több mint 3000 üzemanyagcellás busz üzemel. Az FCEV buszok növekvő rendelésállománya arra utal, hogy a kereslet növekszik, legalábbis a tesztelés kísérleti szintjéig.

Az üzemanyagcellás elektromos járművek szerepet játszhatnak az éghajlatváltozással kapcsolatos célok elérésében, azonban továbbra is jelentős akadályokat kell leküzdeni ahhoz, hogy az alacsony kibocsátású üzemanyagcellás járművek kereskedelmi forgalomba kerüljenek. Nem utolsósorban a megújuló zöld hidrogén alacsony költségű előállításának szükségessége, ami elengedhetetlen ahhoz, hogy az FCEV gazdaságilag életképes legyen, és biztosítsa azt az alacsony károsanyag-kibocsátást, amely alapján a technológiát támogatják.

A zöld hidrogén előállításának magas költsége és viszonylagos szűkössége azt jelenti, hogy jelenleg gazdaságilag nem megvalósítható közlekedési üzemanyagként. A ma megtermelt hidrogén 95%-át fosszilis tüzelőanyagokból állítják elő, ami bár olcsó, de nem javítja jelentősen a közúti járművek szénlábnyomát. A hidrogén-töltőállomások építésének szükségessége szintén akadály, amely korlátozza az FCEV telepítését azokra az országokra, amelyek készek jelentős infrastruktúra-finanszírozásra kötelezettséget vállalni. A zöld hidrogén közlekedési üzemanyagként való felhasználása eredendően nem hatékony. A megújuló villamos energiát nyomás alatti hidrogén üzemanyaggá, majd a jármű meghajtására visszavezethető villamos energiává alakító hatékonyságvesztesége miatt a megújuló villamos energia valószínűleg nagyobb kibocsátáscsökkentő hatással jár, ha akkumulátoros elektromos járművekben alkalmazzák.