Čistá energie
24.07.2019. XNUMX. XNUMX - Jízdní vozy fungují lépe pouze s bateriemi nebo palivovými články? V současné době se výrobci automobilů zaměřují především na čistě elektrická auta. Ale nenabízí vozidlo s palivovými články více výhod? Analýza.
Elektrické auto nebo vozidlo s palivovými články?
Pokud se chceme chopit změny klimatu, musíme se postarat o mobilitu šetrnou ke klimatu a alternativy fosilní energie pohonu. V současné době se debata o alternativních pohonných jednotkách soustředí na otázku, zda jsou elektrická vozidla nejlépe používána s palivovými články nebo s lithium-iontovými bateriemi. Odpověď na tuto otázku je určována faktory, jako je vhodnost pro každodenní použití, náklady a udržitelnost.
V současné době se zdá, že závod mezi palivovými články a lithium-iontovými bateriemi běží: v nových registracích dominují čistě elektrická vozidla (BEV), s výjimkou hybridních vozidel, a mnoho nabíjecích stanic se nachází, zatímco čerpací stanice s vodíkem jsou mezi nimi jen velmi málo. Vozidla s palivovými články (FCEV) jsou dražší a vodík, protože palivo stojí více než elektřina. Takže je vše jasné? Ne tak docela. Pokud se podíváte blíže na palivový článek, získáte diferencovaný obrázek. Sestavili jsme pro vás výhody a nevýhody variant pohonu pro elektrický vůz.
Pohon palivových článků se pravidelně bójí. Je však alarmující, že k tomu dochází pravidelně více než 25 let. Protože je pokrok v elektrické mobilitě baterií značný, tato technologie H 2 vždy zaostává.
Jak šetrné k životnímu prostředí jsou BEV ve srovnání s FCEV?
Pro srovnání mezi elektřinou a vodíkem, čím zelenější je zdroj energie, tím lepší je rovnováha životního prostředí. V ekologickém srovnání s elektrickými automobily má palivový článek v současné době těžké období: Nejprve musí být elektřina vyrobena z vodíku. To je poháněno v autě, v autě je elektřina znovu generována z vodíku. Tato dvojitá konverze významně snižuje účinnost. Každý, kdo přímo nabíjí baterii svého elektrického auta se stejnou energií, bude cestovat ekonomičtěji a tím také šetrněji k životnímu prostředí. V budoucnu by to však mohlo být jiné. Jakmile je elektřina vyrobena převážně ze slunce, větru a vody, automobil s palivovými články se stává konkurenceschopným, protože při jeho výrobě spotřebovává méně zdrojů než elektrický automobil napájený z baterií.
Zdá se, že nedávná studie Fraunhoferova institutu pro solární energii (ISE) jménem H2 Mobility potvrzuje toto: Podle toho jsou automobily s vodíkovými a palivovými články šetrnější k klimatu než bateriová vozidla, když jsou dosaženy kilometry 250. Rozhodujícím faktorem je mnohem větší batoh CO2, auta na baterie musí nést výrobu baterie, uvedli vědci. Stopa skleníkových plynů (GHG) výroby a recyklace systému palivových článků včetně nádrže je zhruba rovnocenná jako u elektrického pohonu s úložnou kapacitou 45 až 50 kWh. U automobilů s většími bateriemi je emitováno více emisí skleníkových plynů než u systému s palivovými články ve srovnatelné výkonové třídě.
Studie zkoumala generované emise skleníkových plynů při výrobě, provozu a likvidaci vozidel s bateriemi a palivovými články v rozmezí od kilometrů 300 po období 2020 až 2030 a 2030 až 2040. Studie také stanoví omezení. Mimo jiné se nezohlednil potenciál pro zlepšení výroby důležitých materiálů (platina, hliník atd.). Studie navíc doporučuje prozkoumat další kategorie dopadů kromě emisí skleníkových plynů, jako je spotřeba půdy a vody. Dopad na životní prostředí se také nezohlednil při výstavbě infrastruktury mobility (infrastruktura nabíjení, distribuce H2 atd.) A nezahrnulo se druhé použití baterií a palivových článků po druhé životnosti.
V souhrnu to znamená: Elektromobily se středně velkými až menšími bateriemi (skladovací kapacita <50 kWh) a dojezdy až 250 kilometrů snižují emise v provozu. U delších dojezdů mají vozidla s palivovými články z hlediska ochrany klimatu stále větší výhody. GHG stopa obou alternativ silně závisí na výrobě baterií nebo vodíku.
Na základě současné situace na trhu s elektřinou v Německu nelze podle výpočtů ADAC ve střednědobém horizontu očekávat žádné větší problémy. Protože deset milionů elektromobilů by vyžadovalo další spotřebu energie asi 5,6 procent. Kromě toho by zlepšení účinnosti a úspor energie pro osvětlení, jakož i v budovách a průmyslových zařízeních mohlo kompenzovat část dodatečné poptávky po elektromobility.
Podle ADAC se riziko přetížení místní sítě zvyšuje s počtem elektrických vozidel. Zejména distribuční sítě, které dodávají elektřinu koncovému zákazníkovi na „poslední míli“, nejsou schopny vyrovnat se s další poptávkou domácností po elektromobilech, jak zjistil Barometr energetického trhu ZEW 2018. Analytici poradenské firmy Oliver Wyman také ve studii „The E-Mobility Blackout“ společně s výzkumníky z Technické univerzity v Mnichově vypočítali, že německé nízkonapěťové sítě nejsou schopny vyrovnat se s nadcházejícím rozmachem elektromobilů. Elektromobily s podílem 30 procent a více by přetížily místní distribuční síť a vyvolaly místní výpadky elektřiny, jakmile bude současně nabito mnoho vozidel. Mohlo by však pomoci obousměrné nabíjení a inteligentní správa zátěže. Zde je však důležité vyjasnit právní důsledky obousměrného nabíjení a to, jak časté nakládání a vykládání ovlivňuje stárnutí baterií.
K získání vodíku musí být vynaloženo velké množství energie. V současné době se vodík většinou vyrábí parním reformováním. Zde uhlíkaté palivo reaguje s vodní parou, což z klimatického hlediska není velký zisk, protože se znovu produkuje oxid uhličitý. Proto naděje mnoha odborníků spočívá na elektrolýze. Přebytečná elektřina z větrné a sluneční energie může být přeměněna na vodík elektrolýzou, která může být buď uložena nebo použita různými způsoby. V případě obnovitelných energií pomocí elektrolýzy je celá výrobní cesta na rozdíl od konvenčního reformování zemního plynu téměř bez emisí. Vodík, který se vyrábí elektrolýzou ze zelené elektřiny a vody, slouží jako výchozí materiál pro všechny technologie Power-to-X. Například s Power-to-X může být vodík vyráběn pro vozidla s palivovými články. Vodík lze proto použít mnoha způsoby. Ale také integrací baterií vozidla do elektrické sítě lze přebytečnou elektřinu lépe využít.
Proces elektrolýzy a následné zkapalňování vodíku jsou však velmi energeticky náročné, protože téměř polovina použité energie je ztracena. Ve skutečnosti vozidlo s palivovými články poháněné vodíkem dosahuje pouze energetické účinnosti kolem 26 procent a vozidla na elektrický pohon baterií dosahují kolem 69 procent. To znamená, že k uspokojení energetických potřeb FCEV by se výroba zelené elektřiny musela mnohonásobně rozšířit než u BEV - což má zase důsledky pro využití půdy, využití materiálu a celkový dopad na životní prostředí.
Elektrifikovaná hnací jednotka mění mobilitu stejně radikálně jako výrobní místo v Německu. Německý automobilový průmysl musí místo frézování a honování ovládat elektrickou paměťovou technologii a výkonovou elektroniku. Důsledky jsou vážné. Výroba hnacího ústrojí pro elektromobilitu z baterií vyžaduje nejen podstatně méně dílů, ale také méně zaměstnanců.
Máte dostatek zdrojů?
Podle Öko-Institutu výskyt lithia, kobaltu, niklu, grafitu (baterie) a platiny (palivové články) jasně převyšuje poptávku. Pokud však nejsou těžební místa otevřena včas, mohou existovat úzká místa. Kromě toho musí být vyřešeny environmentální a sociální problémy. Zvláště kobalt je považován za „špinavou“ surovinu. Více než polovina kobaltu na světě pochází z Konga. Děti jsou často využívány jako levná pracovní síla v dolech, uvádí Amnesty International. Extrakce kobaltu navíc znečišťuje životní prostředí.
Těžba lithia má také důsledky, zejména pro populaci v Bolívii, Chile a Argentině, jak prošetřil „Chléb pro svět“. K výrobě jedné tuny lithia jsou zapotřebí asi dva miliony litrů vody. Výsledkem je, že hladina podzemní vody v takzvaném lithiovém trojúhelníku klesá, vegetace vysychá, půda je příliš slaná a endemické druhy ptáků, jako jsou plameňáci, vymírají. Kromě toho je ničeno stanoviště domorodých komunit. Většina platiny je naopak uložena v takzvaném „platinovém pásu“ v Jižní Africe, její těžba rovněž přispívá ke znečištění životního prostředí a je spojena s porušováním lidských práv.
A co infrastruktura nabíjení a doplňování paliva?
Vzhledem k vyšší hustotě energie, se kterou může být vodík v nádrži uložen proti elektrické energii v baterii, nabízejí výhodu vyšších rozsahů. Auta s palivovými články mohou být tankována za pouhé tři minuty v rozmezí 500 až 800 kilometrů. Předpokladem pro rychlé tankování je však to, že můžete najít stanici H2. Podle společnosti Now GmbH má nyní 71 v Německu čerpací stanice H2. Pro srovnání: Podle statistických údajů se počet nabíjecích stanic v Německu v současné době pohybuje kolem 15.880.
Doba, po kterou se elektrické vozidlo načítá, závisí primárně na kapacitě baterie a nabíjecí infrastruktuře, tj. Sloupci, stanici nebo napájení. Například průměrná baterie v domácí elektrické zásuvce trvá více než deset hodin, než se nabije. Je to však také rychlejší: V rámci projektu Fastcharge byl slavnostně otevřen prototyp nabíjecí stanice s kapacitou až 450 kilowattů. Elektrická výzkumná vozidla ukázala doby zátěže kratší než tři minuty pro první dojezdový kilometr 100 a 15 minuty pro plné nabití (10 - 80 procentní stav nabití (SOC)) na této ultrarychlé nabíjecí stanici. S větším nabíjecím výkonem se však stále více zaměřuje na tepelnou správu baterií. Zde je zásadní, jak lze rostoucí tepelné ztráty ochladit, aby se zajistila dlouhá životnost baterie a zabránilo se průchodu jednotlivých článků.
V souhrnu to znamená, že nabíjecí stanice mohou být mnohem jednodušší a nákladově efektivnější. Podle autora Springer Jürgena Rechbergera vysvětluje v kapitole Základy technologie palivových článků z knihy Základy spalovacích motorů. Velká část z nich jsou však normální nabíjecí stanice. Rychlé nabíjecí stanice by měly extrémně vysoké připojovací kapacity, což představovalo enormní zatížení stávajících elektrických sítí, uvedl autor. Na druhou stranu lze vodík snadno přepravovat ve velkých objemech v potrubích, dokonce i ve stávající rozvodné síti zemního plynu. Vzhledem k krátké době doplňování paliva je také vysoká míra přijetí zákazníkem a čerpadlo může zásobovat vozidla 250 denně. Pro srovnání, v konvenční nabíjecí stanici bylo možné naložit pouze čtyři až šest vozidel a na rychlou nabíjecí stanici vozidla 60 až 80. Stanice pro doplňování vodíku potřebovala asi 50 kilogramů vodíku za hodinu a stanice pro rychlé nabíjení potřebovala trvalou energii kilowattů 300. Podle Rechbergera, zejména v městských oblastech, bude pravděpodobně mnohem levnější vybudovat vodíkovou infrastrukturu než zcela nové elektrické rozvodné sítě pro požadovaný počet stanic s rychlým nabíjením.
Kam s trakčními bateriemi a palivovými články?
Baterie elektrických automobilů jsou nebezpečným odpadem. Podle zákona o bateriích je musí výrobce nebo prodejce baterií vzít zpět a recyklovat. Technologicky řečeno, recyklační procesy pro lithium-iontové pohonné baterie jsou již dnes k dispozici. Podle ADAC tak lze z trakčních baterií získat až 95 procenta relevantních funkčních materiálů kobalt, nikl, lithium a měď. Vzhledem k tomu, že recyklační procesy jsou však v rané fázi vývoje, stejně jako právní rámcové podmínky a logistické koncepce, je recyklace baterií stále velkou výzvou, jak autoři Springer v kapitole Recyklace baterií z elektrických vozidel z knihy Chování Stresové lithium-iontové baterie v elektrických vozidlech.
Baterie do pohonu, které již nejsou dostatečně výkonné pro použití ve vozidlech, lze stále používat jako stacionární úložiště energie po mnoho let ve „druhém životě“. Panuje však neshoda ohledně toho, zda by staré baterie měly být recyklovány přímo, nebo znovu použity jako baterie druhé životnosti.
Z palivového článku může být platina na konci své životnosti téměř zcela získána, lze dosáhnout míry recyklace vyšší než 98. Další výzvou je charakteristika palivových článků a nízká vhodnost pro vysoce dynamické změny zátěže, jako jsou změny při řízení motorového vozidla. Proto se dnes lithium-iontové baterie stále používají jako vyrovnávací nádrže ve vozidlech s palivovými články, což je třeba vzít v úvahu při recyklaci i v celkové ekologické rovnováze vozidla s palivovými články.
Co znamenají BEV a FCEV pro německý automobilový průmysl?
Zatímco výzkum a výroba lithium-iontových článků je pevně v asijských rukou a výroba bateriových modulů vyžaduje vysoké investice, pohon palivových článků německého automobilového průmyslu může přinést zpět podstatnou část přidané hodnoty, která přichází s baterií. Elektromobilita je ztracena. Masová výroba zásobníku palivových článků již není hlavním problémem, snižování nákladů na vodíkovou nádrž je větší výzvou, vysvětluje Andreas Burkert.
Závěr
BEV jsou nejúčinnějším způsobem, jak přeměnit obnovitelnou elektřinu na jízdní výkon. Proto je tento koncept ideální pro menší a lehčí vozidla. Nevýhodou je však delší doba načítání. V budoucnu by se mohly zkrátit. Doby nabíjení jsou méně omezeny technologií baterií, ale spíše dodávkou energie a energie nabíjecí infrastruktury. FCEV jsou vždy výhodou tam, kde je přímé použití elektřiny obtížné nebo nemožné a kde je třeba překonat dlouhé vzdálenosti. Čas doplňování paliva je rychlý, vodík může být snadněji dostupný zejména v městském prostředí a již několik čerpacích stanic poskytuje velmi velký vozový park. Další velkou výhodou vodíku je, že se jedná o univerzální zdroj energie a skladování. Elektrolýza vody pro výrobu vodíku je spojnicí mezi obnovitelnou elektřinou, jinými zdroji energie a základními materiály. Využití zdrojů a závislost je v pohonech palivových článků poměrně nízká. Naopak degradace lithia pro baterii v BEV, ale také pro malou vyrovnávací baterii v FCEV, je nesmírně škodlivá pro životní prostředí. Palivový článek nabízí příležitost zachovat vertikální rozsah výroby německých automobilek. V případě BEV je to nižší, protože články baterií dosud pocházejí z Asie.
Co to znamená pro srovnání BEV versus FCEV? Vozidla s bateriemi a palivovými články se vzájemně doplňují. Obě varianty měniče mají svá oprávnění. Velkou výhodou vodíku je však to, že jej lze těžko porazit jako přepravitelné a stacionární skladovací zařízení pro velké množství energie v souvislosti s energetickým přechodem. Obecně se však změna provozu nesmí omezit na nahrazení fosilní pohonné energie obnovitelnou energií. Rovněž se musí snížit počet vozidel.
Zdroj: Autor: Christiane Köllner Springer proffesional
