Pojazdy napędzane wodorem: zmiana paradygmatu w zrównoważonym transporcie / Beata Kurc, Xymena Gross, Natalia Szymlet , Łukasz Rymaniak, Krystian Woźniak, Marita Pigłowska 

1. Wprowadzenie

Od kilku dekad w środowisku naukowym obserwuje się znaczne zainteresowanie wodorem jako nośnikiem energii. Ze względu na malejące zasoby nieodnawialnych źródeł energii, takich jak gaz ziemny i ropa naftowa, a także rosnącą świadomość wpływu dwutlenku węgla emitowanego do atmosfery na stan naszej planety, wodór jest obecnie uważany za czyste i wydajne paliwo. Pragnienie jego powszechnego zastosowania niesie ze sobą wiele wyzwań – od produkcji, przez magazynowanie, po efektywne wykorzystanie tego gazu w procesach produkcji energii. Wodór, wszechstronny i czysty nośnik energii, ma różnorodne zastosowania w różnych sektorach. Jednym z jego głównych zastosowań są ogniwa paliwowe, w których wodór reaguje z tlenem, wytwarzając energię elektryczną, a woda i ciepło są produktami ubocznymi. Dzięki temu jest on przyjazną dla środowiska alternatywą dla pojazdów elektrycznych, zapewniając większy zasięg i szybsze tankowanie w porównaniu z pojazdami elektrycznymi zasilanymi akumulatorowo.

W przemyśle wodór odgrywa kluczową rolę w rafinacji ropy naftowej, produkcji amoniaku do nawozów i produkcji stali. Działa jako reduktor, pomagając w przekształcaniu surowców w formy bardziej użyteczne, jednocześnie redukując emisję dwutlenku węgla.

Ponadto wodór odgrywa kluczową rolę w magazynowaniu energii. Nadwyżki energii odnawialnej można wykorzystać do produkcji wodoru poprzez elektrolizę, który następnie można przekształcić z powrotem w energię elektryczną lub wykorzystać jako paliwo, zapewniając stabilne dostawy energii nawet wtedy, gdy odnawialne źródła energii, takie jak wiatr i słońce, nie generują energii ( rysunek 1 ).

Rysunek 1. Popularność wodoru.

Pilna potrzeba zrównoważonych rozwiązań energetycznych doprowadziła do gruntownej przewartościowania tradycyjnych środków transportu na całym świecie. Wraz z narastającymi obawami dotyczącymi zmian klimatu, zanieczyszczenia powietrza i ograniczonych zasobów paliw kopalnych, coraz bardziej oczywista staje się konieczność przejścia na czystsze alternatywy. W tym transformacyjnym krajobrazie potencjalna wymiana samochodów elektrycznych na pojazdy napędzane wodorem jawi się jako obiecująca i rewolucyjna alternatywa. Niniejsza publikacja zgłębia istotę tej zmiany paradygmatu, analizując potencjalne korzyści i wyzwania związane z przyjęciem wodoru jako głównego źródła paliwa dla samochodów [ 1 ].

Jednak pomimo rosnącej popularności wodoru, potencjalne niedobory niezbędnych komponentów baterii, takich jak lit, nikiel i kobalt, mogą stanowić zagrożenie dla ich dostaw. Rodzi to pytanie, czy obecnie warto skupić się na energii opartej na wodorze.

Rozwój technologii wodorowych jest niezwykle istotny w ochronie środowiska. Wiele badań dowodzi, że emisja z pojazdów konwencjonalnych stanowi zagrożenie dla środowiska naturalnego i stwarza ryzyko degradacji [ 2 , 3 ]. Najważniejsze są testy w rzeczywistych warunkach eksploatacji dla różnych grup pojazdów [ 4 , 5 , 6 ]. Pomimo ciągłego rozwoju układów napędowych, samochody elektryczne i wodorowe mają największe perspektywy.

W przeciwieństwie do Europy, gdzie dostępnych jest zaledwie kilka samochodów wodorowych, a także około 228 stacji paliw, Azja aktywnie priorytetowo traktuje wodór. Na przykład rząd Japonii przewiduje, że do 2030 roku na drogach będzie 800 000 pojazdów napędzanych wodorem, podczas gdy Chiny wyznaczyły ambitny cel 1 miliona do 2035 roku [ 7 , 8 ].

Oczekuje się, że zaangażowanie Japonii doprowadzi do redukcji kosztów, zwiększenia produkcji i stworzenia solidnego łańcucha dostaw. Jednak branża motoryzacyjna pozostaje podzielona, ​​a niewielu producentów inwestuje w wodór, z wyjątkiem godnych uwagi firm, takich jak Toyota i Hyundai. Niedawno BMW ponownie zainteresowało się wodorem i przewiduje, że samochody napędzane wodorem będą odgrywać uzupełniającą rolę obok pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorami.

Niemiecki producent samochodów BMW planuje globalnie wprowadzić na rynek niewielką flotę samochodów iX5 Hydrogen do końca tego roku, głównie w celach testowych. „Jako wszechstronne źródło energii, wodór odgrywa kluczową rolę na drodze do neutralności klimatycznej” – podkreślił Oliver Zipse, prezes zarządu BMW AG.

Podobnie, Grupa Stellantis rozpoczęła ograniczoną produkcję komercyjnych pojazdów dostawczych zasilanych wodorem. Jednak nie wszyscy duzi producenci samochodów podzielają ten pogląd; zarówno Mercedes, jak i Audi odłożyły plany wprowadzenia na rynek samochodów z ogniwami paliwowymi napędzanymi wodorem. Rozbieżne strategie w branży motoryzacyjnej odzwierciedlają trwające debaty na temat przyszłości zrównoważonego transportu i roli, jaką wodór odegra w osiąganiu celów klimatycznych.

Pojazd elektryczny wykorzystuje energię elektryczną zgromadzoną w akumulatorze, który ładuje się poprzez podłączenie do sieci elektrycznej. Natomiast pojazd elektryczny z ogniwami paliwowymi wodorowymi generuje własną energię elektryczną poprzez reakcję chemiczną zachodzącą w ogniwach paliwowych. Energia ta napędza silniki kół, a jedynym produktem ubocznym jest para wodna. Samochody z ogniwami paliwowymi wodorowymi tankują na wyznaczonych stacjach benzynowych. Atrakcyjność samochodu wodorowego polega na możliwości tankowania w tym samym czasie co samochód benzynowy lub wysokoprężny i osiągania porównywalnego zasięgu, przy zerowej emisji spalin [ 9 , 10 ].

2. Wodór: najlepszy nośnik energii

W centrum układu okresowego znajduje się wodór, najlżejszy pierwiastek, występujący jako bezwonny gaz o niezwykle niskiej temperaturze wrzenia wynoszącej 20,28 K [ 11 , 12 ]. Spalenie kilograma wodoru uwalnia oszałamiające 142 MJ energii, przyćmiewając ciepło wytwarzane przez węglowodory, zwykle wynoszące od 40 do 60 MJ/kg [ 13 ]. Ponadto, w przeciwieństwie do paliw kopalnych, spalanie wodoru nie powoduje emisji zanieczyszczeń, takich jak CO2 _, NOx _lub SOx _, tylko wodę. Te atrybuty pozycjonują wodór jako kluczowego gracza w przejściu na czystą i wydajną energię pochodzącą ze źródeł odnawialnych.

Historia wodoru jako nośnika energii sięga roku 1807, kiedy to François Isaac de Rivaz skonstruował pierwszy pojazd napędzany silnikiem o zapłonie iskrowym, zasilanym mieszanką wodoru i tlenu. Początkowo skromny — mały wózek transportowy — wynalazek ten ewoluował przez kolejne dekady, szczególnie ulepszony przez Jeana Lenoira, co doprowadziło do produkcji pojazdów na skalę komercyjną [ 11 , 12 ]. Następnie technologia wodorowa przeszła znaczące transformacje, w szczególności znajdując swoją rolę napędową w dziedzinie eksploracji kosmosu od lat 70. XX wieku, służąc jako paliwo rakietowe. Podczas startu wahadłowca kosmicznego zużywane są prawie 3 miliony litrów ciekłego wodoru — niezastąpiony zasób. Biorąc pod uwagę nie tylko efektywność energetyczną, ale także takie czynniki, jak masa paliwa i emisje podczas spalania, alternatywa dla wodoru pozostaje nie do pomyślenia.

Drugim, znacznie bardziej obiecującym sposobem wykorzystania wodoru jako nośnika energii w odniesieniu do efektywności konwersji energii są ogniwa paliwowe, w szczególności ogniwa wodorowo-tlenowe (patrz rysunek 2 ). Wśród nich najczęściej omawiane są ogniwa paliwowe z membraną wymiany protonów (PEMFC), znane również jako ogniwa paliwowe z membraną polimerowo-elektrolitową, dostępne w wariantach nisko- i wysokotemperaturowych [ 14 ]. Ich zauważalną zaletą jest obecność stałego elektrolitu — zazwyczaj polimeru, często perfluorowanego — co zwiększa bezpieczeństwo i wydajność systemu [ 15 ]. Ponadto charakteryzują się one wysoką gęstością mocy, szybkim czasem rozruchu i teoretyczną sprawnością do 83% w temperaturze pokojowej [ 16 ].

Rysunek 2. Schemat ogniwa paliwowego.

Wymagania operacyjne obejmują dostarczanie dwóch gazów – tlenu do katody i wodoru do anody. Elektrody są oddzielone półprzepuszczalną membraną, która ułatwia przepływ protonów H ⁺ wytwarzanych w procesie utleniania wodoru na anodzie. Po dotarciu do katody protony te łączą się z anionami ^{O₂₀ wytwarzanymi w niej (} rysunek 2 ). Jednocześnie elektrony uwalniane podczas procesu utleniania wodoru napędzają silnik elektryczny. Analogicznie do spalania wodoru, jedynymi produktami ubocznymi procesu redoks są czysta woda i ciepło. Podczas gdy praktyczna sprawność ogniw PEMFC wynosi 65%, możliwe jest znaczne zwiększenie sprawności poprzez wykorzystanie uwolnionego ciepła w układach kogeneracyjnych [ 17 , 18 , 19 ]

Należy pamiętać, że wodór sam w sobie nie jest źródłem energii, a jedynie nośnikiem energii, umożliwiającym jego magazynowanie i transport w postaci gotowej do użycia. W związku z tym kluczowe aspekty rozwoju technologii wodorowej koncentrują się wokół metod jego produkcji i magazynowania.

3. Ogniwa paliwowe: wyzwania technologiczne

4. Preferowane kryteria magazynowania wodoru w motoryzacji i możliwość jego wykorzystania w mikrosieciach

Transport drogowy jest ważnym docelowym zastosowaniem wodorowych ogniw paliwowych, oferując obiecującą drogę do ograniczenia zanieczyszczeń typowo związanych z silnikami spalinowymi, ponieważ jedynym produktem ubocznym reakcji chemicznych zachodzących w ogniwach paliwowych jest woda. Niemniej jednak inżynierowie i naukowcy stoją przed wyzwaniem zaprojektowania odpowiednich zbiorników, które ułatwiłyby dostarczanie wodoru do tych ogniw. Lista tych parametrów technicznych obejmuje nie tylko takie podstawowe cechy zbiorników paliwa, jak czas ładowania, wydajność czy koszt, ale także, co znacznie ważniejsze z elektrochemicznego punktu widzenia, kwestie pojemności ( Tabela 1 ).

Kluczowe parametry chemicznego magazynowania wodoru obejmują pojemność masową wodoru, temperaturę uwalniania, odwracalność procesu i czystość gazu [ 40 , 41 , 42 , 43 ]. Te cztery fizykochemiczne atrybuty służą jako kluczowe wskaźniki oceny potencjalnego sukcesu danego materiału w kolejnych badaniach wdrożeniowych. Biorąc pod uwagę z natury niską gęstość gazu wodorowego (0,0838 g/dm3 ^w temperaturze 20 °C) [ 44 ], co wymaga zaporowo dużych zbiorników do zadowalającego wykorzystania w zastosowaniach motoryzacyjnych, Departament Energii (DOE) ustalił docelową pojemność objętościową wodoru na poziomie 30–50 g/dm3 ^, czyli około 500 razy więcej gęstości. Pokonanie tego wyzwania wymaga zbadania alternatywnych metod magazynowania wodoru poza jego stanem gazowym. Co więcej, obecny cel DOE dotyczący pojemności masowej wodoru wynosi 6,5%, co wydaje się skromną wartością, ale stanowi imponujący punkt odniesienia do osiągnięcia.

Należy zauważyć, że pojemność masowa wodoru jest określana przez stosunek masy zmagazynowanego wodoru do całkowitej masy układu, wliczając paliwo, zbiornik i elementy niezbędne do regulacji gazu, takie jak kable. W związku z tym zarówno materiał zbiornika, jak i jego zawartość są czynnikami krytycznymi.

Kolejnym istotnym parametrem jest czystość wodoru. Biorąc pod uwagę cel zastąpienia tradycyjnych paliw wodorem w celu zmniejszenia zanieczyszczenia powietrza, produkty uboczne uwalniania wodoru ze zbiornika nie mogą zawierać innych gazów, zwłaszcza toksycznych. Dodatkowe gazy mogłyby zanieczyścić elektrody, zmienić pH elektrolitu lub uszkodzić membrany stosowane w ogniwach paliwowych, prowadząc do znacznego spadku wydajności [ 45 , 46 , 47 ]. Ponadto w magazynach chemicznych takie zanieczyszczenie może stwarzać problemy z odwracalnością procesu, wymagając wprowadzenia innych substancji oprócz wodoru w celu przywrócenia stanu zbiornika sprzed rozładowania.

Wymagania DOE dotyczące temperatury uwalniania wodoru są niejasne. Z jednej strony, zbiornik nie może uwalniać gazu w sposób niezamierzony, na przykład gdy pojazd jest zaparkowany w nasłonecznionym miejscu, biorąc pod uwagę temperaturę otoczenia od −40°C do 60°C. Z drugiej strony, wodór dostarczany do ogniwa paliwowego nie powinien przekraczać temperatury 85°C (przy założeniu zastosowania ogniw niskotemperaturowych). Można to osiągnąć uwalniając gaz w temperaturze poniżej 85°C lub schładzając go między zbiornikiem a ogniwem. W związku z tym optymalna temperatura uwalniania wodoru mieści się w zakresie 60–85°C, przy czym dopuszczalne są nieco wyższe wartości.

Wiele osób uważa, że ​​potencjalne gwałtowne reakcje między wodorem a tlenem mogą skutkować poważniejszymi konsekwencjami uszkodzenia zbiornika samochodu w porównaniu z wyciekiem konwencjonalnej benzyny. Jednakże badania zlecone przez DOE wykazały, że wyciek ze zbiornika wodoru jest znacznie mniej niebezpieczny niż wyciek z benzyny. Ta rozbieżność w ryzyku wynika głównie z różnicy w gęstościach paliwa — wodór, będąc lekkim gazem, szybko się rozprasza, tworząc kolumnę płomienia, podczas gdy benzyna, lepka ciecz, rozprzestrzenia się pod pojazdem, a jej łatwopalne opary rozpraszają się i potencjalnie prowadzą do całkowitego zniszczenia pojazdu. Niemniej jednak, takie rozważania muszą być dokładnie uwzględnione podczas projektowania instalacji do magazynowania wodoru do zastosowań mobilnych [ 48 , 49 , 50 ].

Lepsze właściwości magazynowania energii i gęstości wodoru ( rysunek 3 ) oferują wyraźną przewagę nad tradycyjnymi pojazdami elektrycznymi zasilanymi akumulatorami. Gęstość energetyczna wodoru pozwala na większy zasięg bez utraty masy i osiągów pojazdu. Ta kluczowa cecha eliminuje niektóre ograniczenia związane z technologiami akumulatorowymi, stanowiąc przekonujący argument za wykorzystaniem wodoru jako realnej alternatywy.

Rysunek 3. Zastosowania energii wodorowej.

Choć potencjalne korzyści płynące z pojazdów napędzanych wodorem są imponujące, wciąż istnieją wyzwania. Rozwój infrastruktury, w tym utworzenie solidnej sieci stacji tankowania wodoru, stanowi istotną przeszkodę wymagającą strategicznego planowania i inwestycji. Ponadto, energochłonny proces produkcji wodoru musi ewoluować w kierunku bardziej ekologicznych metod, aby zapewnić ogólną zrównoważoność środowiskową cyklu paliwowego wodoru.

W obliczu transformacyjnej zmiany świata w kierunku zrównoważonego rozwoju, perspektywa zastąpienia samochodów elektrycznych pojazdami napędzanymi wodorem jawi się jako obiecująca i dynamiczna alternatywa. Potencjalne korzyści płynące z wodoru są znaczące – od zaspokajania potrzeb środowiskowych po oferowanie wszechstronnych zastosowań i zmniejszanie zależności od rzadkich zasobów. Niemniej jednak, rozpoznanie i pokonanie wyzwań, zwłaszcza w zakresie infrastruktury i metod produkcji, ma kluczowe znaczenie dla pełnego wykorzystania potencjału wodoru jako czystego i wydajnego źródła paliwa. Niniejsza publikacja zachęca do dogłębnej analizy szans i przeszkód na drodze do przyszłości, w której pojazdy napędzane wodorem odegrają kluczową rolę w przekształcaniu krajobrazu zrównoważonego transportu ( rysunek 4 ).

Rysunek 4. Praktyczne wykorzystanie wodoru i energii elektrycznej: porównanie technologii i zastosowań.

Pojazdy napędzane wodorem oferują istotną przewagę pod względem wydajności i zasięgu. W przeciwieństwie do pojazdów elektrycznych, które zależą od akumulatorów, samochody wodorowe wytwarzają energię elektryczną za pomocą ogniw paliwowych, umożliwiając dłuższe zasięgi bez konieczności częstego ładowania [ 51 , 52 ]. Ta cecha rozwiązuje powszechny problem „lęku o zasięg” związanego z pojazdami elektrycznymi, czyniąc samochody wodorowe realną opcją dla szerszego grona konsumentów [ 53 ]. Wydajność i zwiększony zasięg pojazdów napędzanych wodorem oznaczają znaczący krok naprzód w technologii motoryzacyjnej. W przeciwieństwie do pojazdów elektrycznych, które polegają na magazynowaniu energii w akumulatorach, samochody wodorowe wykorzystują ogniwa paliwowe do wytwarzania energii elektrycznej w procesie znanym jako konwersja elektrochemiczna. To nie tylko zwiększa ogólną wydajność, ale także pozwala na dłuższe zasięgi bez konieczności częstego ładowania [ 54 ].

Ogniwa paliwowe umożliwiają ciągłą i bezpośrednią konwersję wodoru na energię elektryczną, zapewniając bardziej wydajny system dostarczania energii w porównaniu ze stratami energii ponoszonymi podczas cykli ładowania i rozładowywania akumulatorów. Ta naturalna sprawność przyczynia się do optymalizacji wykorzystania energii, a w konsekwencji do dłuższego zasięgu na jednym tankowaniu wodoru.

Wydłużony zasięg jest korzystny nie tylko dla transportu osobistego, ale ma również duży potencjał w zastosowaniach komercyjnych i przemysłowych, takich jak floty dostawcze, gdzie ciągła i dłuższa praca ma kluczowe znaczenie [ 55 ]. Pojazdy użytkowe napędzane wodorem mogą sprostać wyzwaniom logistycznym związanym z ich elektrycznymi odpowiednikami, co czyni je wszechstronnym i wydajnym wyborem dla różnych sektorów [ 56 ].

Zwiększony zasięg pojazdów napędzanych wodorem dobrze wpisuje się w istniejącą infrastrukturę i nawyki kierowców, ponieważ tankowanie wodorem jest szybkim i prostym procesem. Ta zgodność z obecnymi praktykami zwiększa ogólną atrakcyjność pojazdów wodorowych i przyczynia się do płynniejszego przejścia dla konsumentów przyzwyczajonych do tradycyjnych metod tankowania [ 57 , 58 ]. W miarę jak postęp technologiczny udoskonala technologię ogniw paliwowych, wydajność i zasięg pojazdów wodorowych prawdopodobnie będą się dalej zwiększać, umacniając ich rolę jako kluczowego gracza w przyszłości zrównoważonej mobilności.

Jedną z wad pojazdów elektrycznych jest czas potrzebny na ładowanie. Pojazdy wodorowe można szybko zatankować, podobnie jak tradycyjne samochody benzynowe, co czyni je wygodniejszymi dla osób z napiętym harmonogramem. Możliwość szybkiego tankowania przyczynia się do powszechnej akceptacji pojazdów napędzanych wodorem jako praktycznego i wydajnego środka transportu.

Skrócony czas ładowania pojazdów wodorowych zmienia paradygmat w doświadczeniu użytkownika. W przeciwieństwie do godzin potrzebnych pojazdom elektrycznym do pełnego naładowania, samochody wodorowe można zatankować w ciągu kilku minut, co jest bardzo zbliżone do znanego i wydajnego procesu związanego z tradycyjnymi silnikami spalinowymi. Ta istotna zaleta sprzyja płynnemu przejściu na nowe rozwiązania, eliminując potrzebę znaczących zmian w ich codziennym życiu.

Krótki czas tankowania pojazdów napędzanych wodorem zwiększa ich praktyczność w podróżach długodystansowych, podróżach drogowych i innych sytuacjach, w których pilna potrzeba wznowienia podróży jest priorytetem. Ta cecha rozszerza zakres zastosowań samochodów wodorowych, czyniąc je wszechstronnym wyborem dla kierowców, dla których priorytetem jest zrównoważony rozwój i praktyczność w codziennym życiu.

Funkcja szybkiego tankowania pojazdów wodorowych doskonale wpisuje się w istniejącą infrastrukturę paliwową. Wraz z rozwojem stacji tankowania wodoru, kompatybilność z konwencjonalnymi metodami tankowania zapewnia dodatkową wygodę dla konsumentów. Gwarantuje to, że przejście na pojazdy napędzane wodorem jest nie tylko efektywne, ale także płynnie zintegrowane z istniejącymi ekosystemami transportowymi. Możliwość szybkiego tankowania znacząco przyczynia się do ogólnej akceptacji pojazdów napędzanych wodorem.

Mikrosieci, czyli lokalne systemy energetyczne zdolne do samodzielnej pracy lub podłączone do sieci głównej, coraz częściej integrują odnawialne źródła energii, takie jak energia słoneczna i wiatrowa. Jednak te odnawialne źródła energii charakteryzują się niestabilnością i wymagają niezawodnych rozwiązań w zakresie magazynowania energii, aby zapewnić stabilne dostawy. Wielopłaszczyznowy rozwój mikrosieci jest niezbędny do tworzenia innowacji w dziedzinie zarządzania energią. Badania [ 59 , 60 , 61 ] dostarczają cennych perspektyw dotyczących różnych aspektów systemów wieloenergetycznych i integracji wodoru, a także stanowią istotny kontekst dla zrozumienia szerszego krajobrazu strategii zarządzania energią.

Wodór oferuje atrakcyjne rozwiązanie, służąc zarówno jako czysty nośnik energii, jak i wszechstronny nośnik magazynowania. Integracja wodoru z mikrosieciami może zwiększyć ich elastyczność, niezawodność i zrównoważony rozwój. Wodór stanowi solidne rozwiązanie w zakresie magazynowania energii poprzez przekształcanie nadmiaru energii odnawialnej w wodór poprzez elektrolizę. Ten zmagazynowany wodór może być następnie w razie potrzeby ponownie przekształcany w energię elektryczną za pomocą ogniw paliwowych. W przeciwieństwie do baterii, które mają ograniczony okres magazynowania i ulegają degradacji z czasem, magazynowanie wodoru można łatwiej skalować, aby zaspokoić długoterminowe zapotrzebowanie na energię [ 62 , 63 ].

W symulowanym środowisku mikrosieci systemy magazynowania wodoru wykazały 30% wzrost pojemności magazynowej w porównaniu z bateriami litowo-jonowymi do długoterminowego magazynowania, zwłaszcza w okresach niskiej produkcji energii odnawialnej [ 64 , 65 ]. Zaowocowało to 20% redukcją ograniczeń energetycznych, co świadczy o zwiększonej elastyczności i lepszym wykorzystaniu energii odnawialnej.

Wprowadzając wodór do mikrosieci, społeczności mogą zwiększyć swoją odporność na przerwy w dostawie prądu i awarie sieci. Ogniwa paliwowe wodorowe mogą zapewnić ciągłe i niezawodne zasilanie, zmniejszając zależność mikrosieci od sieci centralnej. Jest to szczególnie korzystne w przypadku obszarów oddalonych lub narażonych na katastrofy. Badanie porównujące mikrosieć zintegrowaną z wodorem z tradycyjną mikrosiecią opartą na akumulatorach w regionie nadmorskim narażonym na huragany wykazało, że system oparty na wodorze utrzymywał zasilanie przez 48 godzin dłużej podczas symulowanej przerwy w dostawie prądu, co zapewnia kluczową przewagę pod względem odporności i niezawodności [ 64 ].

Wodór, zwłaszcza wytwarzany z energii odnawialnej (zielony wodór), jest paliwem bezemisyjnym, które wspiera dekarbonizację mikrosieci. Pomaga zmniejszyć zależność od paliw kopalnych i przyczynia się do spełnienia rygorystycznych przepisów środowiskowych oraz celów zrównoważonego rozwoju. Ocena cyklu życia, porównująca mikrosieć zasilaną wodorem z mikrosiecią opartą na generatorze diesla, wykazała, że ​​system wodorowy zmniejszył emisję CO2 o 90%, a innych zanieczyszczeń, takich jak NOx _i cząstki stałe, o ponad 80% [ 63 , 66 ].

Wodór może być wykorzystywany nie tylko do wytwarzania energii elektrycznej, ale także do ogrzewania, transportu i procesów przemysłowych, zapewniając wiele strumieni wartości dla mikrosieci. Ta wszechstronność sprawia, że ​​wodór jest skalowalnym rozwiązaniem, które można dostosować do różnorodnych potrzeb energetycznych i zastosowań mikrosieci. W analizie porównawczej mikrosieć wykorzystująca wodór zarówno do zasilania, jak i ogrzewania wykazała 25% redukcję całkowitych kosztów energii w porównaniu z mikrosiecią opartą wyłącznie na magazynowaniu energii elektrycznej [ 62 , 64 ]. Badanie wykazało, że zdolność wodoru do pełnienia wielu funkcji przyczyniła się do niższych kosztów operacyjnych i większej skalowalności.

Integracja wodoru z mikrosieciami może pobudzić lokalny wzrost gospodarczy i tworzenie miejsc pracy w sektorach takich jak produkcja wodoru, produkcja ogniw paliwowych i rozwój infrastruktury. Ta korzyść ekonomiczna jest szczególnie znacząca w regionach inwestujących w technologie czystej energii. Badanie wpływu gospodarczego dwóch społeczności – jednej z mikrosiecią opartą na wodorze, a drugiej z konwencjonalnym systemem energetycznym – wykazało, że społeczność korzystająca z wodoru odnotowała 15-procentowy wzrost zatrudnienia w sektorze czystej energii w ciągu trzech lat, w porównaniu z niewielką zmianą w społeczności kontrolnej [ 64 ].

5. Sekwencja operacyjna HFCV

Pojazdy z ogniwami paliwowymi wodorowymi (HFCV) działają na zasadzie wykorzystania reakcji elektrochemicznej z udziałem wodoru i tlenu, która generuje energię elektryczną, która z kolei napędza silnik elektryczny napędzający pojazd [ 67 ]. Zasada działania pojazdów HFCV obejmuje kilka kluczowych etapów ( rysunek 5 ) [ 68 , 69 ].

Rysunek 5. Podstawowe kroki zasady działania HFCV.

• Magazynowanie paliwa wodorowego: Pojazdy HFCV przechowują wodór w zbiornikach wysokociśnieniowych. Wodór można wytwarzać różnymi metodami, takimi jak elektroliza lub reforming gazu ziemnego.

• Reakcja elektrochemiczna w ogniwach paliwowych: podstawowym elementem pojazdu z wodorowymi ogniwami paliwowymi (HFCV) jest stos ogniw paliwowych, składający się z wielu pojedynczych ogniw paliwowych. Każde ogniwo paliwowe składa się z anody i katody, oddzielonych membraną elektrolityczną, często wykonaną z membrany wymiany protonów (PEM) lub materiałów alkalicznych. Wodór jest doprowadzany do anody, gdzie zachodzi reakcja chemiczna zwana elektrolizą. Podczas tej reakcji cząsteczki wodoru dzielą się na protony (H ⁺ ) i elektrony (e− ⁾ .

• Przepływ elektronów i prąd elektryczny: elektrony wytworzone po stronie anody nie mogą przekroczyć membrany elektrolitu, więc są zmuszone do przemieszczania się przez obwód zewnętrzny, generując prąd elektryczny, który można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.

• Migracja protonów przez elektrolit: jednocześnie protony migrują przez membranę elektrolitu do strony katody.

• Reakcja tlenowa na katodzie: po stronie katody wprowadzany jest tlen z powietrza, który reaguje z elektronami i protonami, które przeszły przez obwód zewnętrzny. W wyniku tego procesu produktem ubocznym jest woda (H2O) _.

• Wytwarzanie energii elektrycznej: połączenie elektronów przepływających przez obwód zewnętrzny i protonów migrujących przez elektrolit wytwarza prąd elektryczny. Energia ta może być wykorzystana do zasilania silnika elektrycznego pojazdu, zapewniając niezbędny napęd.

• Emisja pary wodnej: jedyną bezpośrednią emisją z pojazdu z ogniwem paliwowym wodorowym jest para wodna, co sprawia, że ​​pojazdy HFCV są przyjazne dla środowiska. Całkowitą reakcję w ogniwie paliwowym można przedstawić następująco: _2H2 + _O2 → _2H2O .

• Wydajność i konwersja energii: ogniwa paliwowe wodorowe znane są z wysokiej wydajności w przetwarzaniu energii chemicznej na energię elektryczną. Efektywność energetyczna pojazdów HFCV jest generalnie wyższa w porównaniu z pojazdami z silnikami spalinowymi, a ich zaletą jest zerowa emisja spalin.

Jonizacja wodoru rozpoczyna się na anodzie, gdzie katalizator, zazwyczaj wykonany z platyny, ułatwia jonizację wodoru. Każda cząsteczka wodoru (H2 ₎ ulega rozszczepieniu, w wyniku którego powstają dwa jony wodoru (protony) i dwa elektrony [ 70 ]:

Przez membranę wymiany protonów (PEM) znajdującą się w ogniwie paliwowym mogą przepływać tylko protony, podczas gdy elektrony muszą przemieszczać się przez obwód zewnętrzny, aby dotrzeć do katody. Ten ruch elektronów generuje prąd elektryczny.

Co więcej, wewnątrz pojazdu wodór, przechowywany w zbiorniku wysokociśnieniowym, jest dostarczany do anody ogniwa paliwowego.

Po stronie katody tlen z powietrza ulega redukcji i łączy się z napływającymi protonami i elektronami z obwodu zewnętrznego. W rezultacie powstaje woda jako jedyny produkt uboczny [ 71 ]:

Oznacza to, że reakcja jest silnie egzotermiczna. W ogniwie paliwowym ta zmiana entalpii jest częściowo przekształcana w energię elektryczną. Wartość ujemna reprezentuje całkowitą energię uwalnianą podczas łączenia się wodoru i tlenu w celu utworzenia wody, przy czym część tej energii manifestuje się jako energia elektryczna, a część jako ciepło.

Wytworzona energia elektryczna, reprezentowana przez przepływ elektronów, jest wykorzystywana do zasilania silnika elektrycznego pojazdu i innych układów elektrycznych [ 72 ]. Przepływ elektronów przez obwód zewnętrzny reprezentuje prąd elektryczny. Wytworzona energia elektryczna jest wykorzystywana do zasilania silnika elektrycznego pojazdu i dodatkowych podzespołów elektrycznych. Całkowitą reakcję chemiczną zachodzącą w ogniwie paliwowym można opisać następująco:

Kinetyka i termodynamika procesów zachodzących w ogniwie paliwowym wodorowym, kluczowych dla działania pojazdów z ogniwami paliwowymi wodorowymi (HFCV), koncentrują się wokół dwóch fundamentalnych procesów. Po pierwsze, następuje zerwanie wiązania H–H w cząsteczkach wodoru, co zachodzi na anodzie. Jednocześnie zachodzi drugi proces, polegający na utworzeniu wiązania O–H w cząsteczkach wody, rozwijającego się na katodzie.

W anodzie, do której dostarczany jest wodór, ogniwo paliwowe inicjuje dysocjację cząsteczek wodoru, rozdzielając je na protony i elektrony. To zerwanie wiązania H–H jest kluczowym etapem uwalniającym elektrony, które następnie przyczyniają się do przepływu prądu elektrycznego w obwodzie zewnętrznym [ 73 ].

Spontaniczność tych reakcji zależy od zmiany swobodnej energii Gibbsa (ΔG), którą określa się za pomocą następującego równania:

Gdzie:

• ΔH—zmiana entalpii,
• T—temperatura bezwzględna,
• ΔS — zmiana entropii.

W ogniwach paliwowych wodorowych ΔH powstaje przede wszystkim w wyniku różnicy energii powstającej podczas rozrywania wiązań H–H i tworzenia wiązań O–H, natomiast ΔS jest zazwyczaj ujemne ze względu na redukcję liczby cząsteczek gazu.

Zmiana energii swobodnej Gibbsa jest również powiązana z potencjałem elektrochemicznym (E) ogniwa paliwowego poprzez:

Gdzie:

• n — liczba elektronów przenoszonych przez jedną cząsteczkę wodoru (w tym przypadku n = 2),

• F—stała Faradaya,

• E—potencjał komórkowy.

Potencjał ogniwa ma kluczowe znaczenie dla przepływu prądu elektrycznego w obwodzie zewnętrznym.

W istocie wytwarzanie energii w pojazdach HFCV obejmuje zorganizowane reakcje elektrochemiczne w ogniwach paliwowych – od jonizacji wodoru po redukcję tlenu – które kończą się produkcją energii elektrycznej zasilającej układ napędowy pojazdu i jego podzespoły elektryczne.

Sprzyjająca termodynamika (ujemne ΔG) i szybkie szybkości reakcji (wzmocnione przez katalizatory) utleniania wodoru i redukcji tlenu sprawiają, że pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi wodorowymi (HFCV) stanowią obiecującą technologię zrównoważonego transportu, chociaż konkretne wartości ΔG, ΔH i ΔS zależą od konstrukcji ogniwa paliwowego i warunków pracy [ 74 ].

6. Rozróżnianie samochodów elektrycznych i wodorowych

6.2. Zręczność

Kwestia wydajności jest na razie główną wadą samochodów wodorowych. Nawet na etapie produkcji wodoru poprzez elektrolizę traci się do 45% początkowej energii ( rysunek 6 ). Jednak straty na tym się nie kończą. Kolejne etapy procesu obejmują sprężanie, skraplanie, transport, napełnianie i generowanie energii w ogniwie paliwowym. Kiedy pojazd przetwarza wodór na energię elektryczną, traci się nieco ponad połowę pozostałej energii [ 77 ]. Oznacza to, że końcowa wydajność samochodu wodorowego może wynosić tylko około 25–35%. Straty energii są znacznie niższe w samochodach elektrycznych wyposażonych w akumulator. Transport energii elektrycznej do akumulatora zużywa tylko 8% energii. Z kolei podczas przetwarzania energii elektrycznej na energię wprawiającą pojazd w ruch straty szacuje się na około 18%. Ostatecznie można oczekiwać wydajności na poziomie 70–80%. Warto jednak zauważyć, że wydajność samochodów może być niższa lub wyższa w zależności od konkretnego modelu.

Rysunek 6. Porównanie pojazdu elektrycznego z pojazdem wodorowym.

• Samochody elektryczne: wydajne w przekształcaniu zmagazynowanej energii w ruch,

• Samochody wodorowe: wykazują wysoką wydajność, szczególnie w zastosowaniach o dużym zasięgu.

7. Samochody z napędem alternatywnym – ogniwa paliwowe

Sprostanie wyzwaniu redukcji emisji CO2 _, określonemu przez nowe normy Unii Europejskiej, stanowi jedną z głównych przeszkód dla współczesnych producentów samochodów. Oprócz przestrzegania zasad niższej emisji dwutlenku węgla, czołowe marki muszą sprostać oczekiwaniom kierowców, którzy poszukują pojazdów nie tylko przyjaznych dla środowiska, ale także ekonomicznych. Znalezienie równowagi bez kompromisów w zakresie osiągów, bezpieczeństwa i kosztów eksploatacji jest kluczowe [ 88 , 89 , 90 ].

W odpowiedzi producenci wprowadzają samochody elektryczne z akumulatorami lub samochody napędzane wodorem jako alternatywę dla tradycyjnych pojazdów spalinowych. Należy zauważyć, że energia elektryczna, pozyskiwana ze środowiska w sposób całkowicie ekologiczny i zrównoważony, może znacząco przyczynić się do redukcji emisji CO2 _. Pomimo tych postępów, pojazdy takie nadal stanowią niewielki ułamek całkowitej liczby samochodów na polskich drogach, ponieważ elektromobilność w kraju jest obecnie na wczesnym etapie rozwoju. Niemniej jednak badania wskazują na rosnące zainteresowanie kierowców samochodami z alternatywnym napędem, co obiecuje optymistyczne perspektywy na przyszłość [ 91 , 92 , 93 ].

Środki polityczne, w tym dotacje na badania i rozwój, ulgi podatkowe oraz finansowanie projektów infrastrukturalnych, mają kluczowe znaczenie dla wspierania gospodarki wodorowej. Zwiększone inwestycje sektora prywatnego, zwłaszcza w startupy i innowacyjne technologie, mogą stymulować szybki postęp i redukcję kosztów. Rządy na całym świecie inwestują w inicjatywy badawcze mające na celu zmniejszenie zależności od platyny w technologii ogniw paliwowych. Na przykład Departament Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) finansuje programy takie jak Biuro Technologii Ogniw Paliwowych (FCTO), które wspierają badania nad alternatywnymi katalizatorami i strategiami redukcji kosztów.

Programy takie jak Europejskie Wspólne Przedsięwzięcie na rzecz Ogniw Paliwowych i Wodoru (FCH JU) wspierają współpracę między przemysłem, środowiskiem akademickim i instytucjami badawczymi w celu opracowywania technologii ogniw paliwowych nowej generacji. Uniwersytety czasami zakładają spółki spin-off w celu komercjalizacji wyników badań. Na przykład firmy takie jak Ballard Power Systems powstały w wyniku badań akademickich i stały się liderami w branży ogniw paliwowych. Inkubatory i akceleratory uniwersyteckie wspierają startupy na wczesnym etapie rozwoju technologii ogniw paliwowych, zapewniając im zasoby ( Tabela 2 ), mentoring i dostęp do finansowania. Uniwersytety tworzą konsorcja z partnerami z przemysłu w celu łączenia zasobów i wiedzy specjalistycznej. Przykładami są Centrum Ogniw Paliwowych i Wodoru na Uniwersytecie w Birmingham, które współpracuje z firmami takimi jak Toyota i Johnson Matthey w zakresie badań nad katalizatorami. Programy, które umieszczają doktorantów w środowiskach przemysłowych, umożliwiają bezpośrednią współpracę przy najnowocześniejszych projektach badawczych, dostarczając rzeczywistych zastosowań dla badań akademickich.

Te studia przypadków ilustrują udaną współpracę różnych firm z sektora ogniw paliwowych wodorowych. Partnerstwa te znacząco przyspieszyły rozwój infrastruktury wodorowej, zwiększyły liczbę pojazdów napędzanych wodorem i przyczyniły się do redukcji emisji dwutlenku węgla w różnych branżach. Wspólne działania dowodzą, jak ważne jest łączenie wiedzy specjalistycznej i zasobów w celu stymulowania innowacji i tworzenia zrównoważonych rozwiązań energetycznych.

W 2022 roku zużycie wodoru w transporcie drogowym wzrosło znacząco o około 45% w porównaniu z rokiem poprzednim (jak pokazano na rysunku 7 ), chociaż zaczynało od stosunkowo niskiej bazy. Wzrost ten przypisuje się przede wszystkim zwiększonej adopcji pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi (FCEV), które początkowo odniosły sukces w segmencie samochodów osobowych i autobusów [ 94 ]. Jednak dynamika rynku zmienia się, ponieważ sprzedaż ciężkich pojazdów ciężarowych z ogniwami paliwowymi nadal rośnie. Popyt na te pojazdy ciężarowe szybko rośnie, przyczyniając się do rosnącego udziału całkowitego zużycia wodoru w transporcie drogowym. W szczególności Chiny stały się liderem w promowaniu wykorzystania wodoru w pojazdach ciężarowych, dokonując znacznych inwestycji i zobowiązań politycznych w celu wsparcia sektora. W rezultacie Chiny stały się znaczącym graczem we wdrażaniu ciężarówek z ogniwami paliwowymi. Chociaż te ciężkie pojazdy stanowią tylko około 20% globalnej floty FCEV, odpowiadają za ponad połowę wodoru wykorzystywanego w transporcie drogowym na całym świecie [ 94 ]. Ten nieproporcjonalnie duży udział podkreśla kluczową rolę, jaką pojazdy ciężarowe odgrywają w ogólnym zapotrzebowaniu na wodór w sektorze transportu.

Na ten trend wpływa kilka czynników, w tym polityki rządowe wspierające rozwój rozwiązań z zakresu czystej energii, zachęty finansowe do wprowadzania pojazdów wodorowych oraz postęp w technologii ogniw paliwowych, który zwiększa wydajność i zasięg ciężkich pojazdów ciężarowych. Ponadto utworzenie rozległych sieci infrastruktury paliwowej na kluczowych rynkach, takich jak Chiny, ułatwiło zwiększone wdrażanie tych pojazdów. Inne regiony na całym świecie również zaczynają dostrzegać potencjał wodoru w dekarbonizacji transportu ciężkiego. Na przykład w Europie zaobserwowano wzrost inwestycji w transport towarowy napędzany wodorem, napędzany ambitnymi celami redukcji emisji i wspierającymi ramami regulacyjnymi [ 95 ]. Podobnie w Ameryce Północnej obserwuje się rosnące zainteresowanie ciężarówkami napędzanymi ogniwami paliwowymi wodorowymi, szczególnie na trasach długodystansowych, gdzie pojazdy elektryczne zasilane bateriami (BEV) obecnie borykają się z ograniczeniami zasięgu i czasu ładowania. Oczekuje się, że globalne przejście na wodór w pojazdach ciężarowych będzie kontynuowane, a prognozy wskazują na dalszy wzrost w nadchodzących latach. W miarę jak coraz więcej krajów inwestuje w infrastrukturę i technologię wodorową, można się spodziewać, że udział wodoru w ogólnym miksie energetycznym transportu będzie wzrastał. Przyczyni się do tego w dużej mierze rosnące wykorzystanie ciężarówek i autobusów napędzanych ogniwami paliwowymi.

Oczekuje się, że dominujące wykorzystanie wodoru w transporcie utrzyma się w sektorze drogowym w dającej się przewidzieć przyszłości. Niemniej jednak rośnie wkład transportu kolejowego, ponieważ pociągi wodorowe przechodzą testy i są integrowane z większą liczbą tras [ 96 , 97 ]. Ponadto rozpoczęcie eksploatacji kilku promów na ogniwa paliwowe w 2023 r. poszerzyło spektrum zastosowań wodoru w transporcie [ 98 ]. Potencjalne wdrożenie statków zdolnych do wykorzystywania amoniaku i metanolu, w połączeniu z ich gotowością do stosowania wodoru, mogłoby dodatkowo zwiększyć zużycie wodoru w żegludze, jeśli technologie te osiągną opłacalność komercyjną w niedalekiej przyszłości.

Zgodnie ze scenariuszem zerowej emisji netto (NZE), przyszłe wykorzystanie syntetycznej nafty i wodoru jako paliw lotniczych znacząco zwiększy zużycie wodoru w transporcie. Aby osiągnąć cele scenariusza NZE, kluczowe jest przyspieszenie wdrażania wodoru i paliw wodorowych oraz rozwój technologii przedkomercyjnych.

Do końca 2022 r. liczba samochodów i furgonetek z ogniwami paliwowymi w użyciu przekroczyła 58 000 sztuk, co oznacza wzrost o prawie 40% w porównaniu z rokiem poprzednim, a do połowy 2023 r. wzrosła do około 63 000 sztuk ( Rysunek 8 ). W 2022 r. sprzedano około 15 000 samochodów z ogniwami paliwowymi, przy czym Korea odpowiadała za około dwie trzecie tego wzrostu. Jednak w pierwszej połowie 2023 r. nastąpiło spowolnienie w Korei, a sprzedaż spadła do mniej niż 3000 sztuk, w porównaniu z prawie 4900 sztukami w tym samym okresie poprzedniego roku, pomimo rządowych planów dotowania 16 000 samochodów z ogniwami paliwowymi w 2023 r. Niemniej jednak Korea pozostaje największym rynkiem zbytu dla samochodów z ogniwami paliwowymi na świecie, z zapasami ponad 32 000 sztuk w połowie 2023 r. Stany Zjednoczone plasują się na drugim miejscu z około 16 000 samochodów z ogniwami paliwowymi na drogach. Chociaż Japonia posiada trzecią co do wielkości liczbę samochodów z ogniwami paliwowymi, jej sprzedaż spadła do mniej niż 1000 sztuk w 2022 roku, podczas gdy Europa odnotowała większy wzrost, dodając prawie 1500 sztuk. Warto zauważyć, że Chiny wdrożyły ponad 200 samochodów z ogniwami paliwowymi w 2022 roku, co jest znaczącym osiągnięciem, biorąc pod uwagę niedawne skupienie się Chin na cięższych segmentach rynku. W czerwcu 2023 roku Chiny były liderem w segmencie lekkich pojazdów użytkowych z ogniwami paliwowymi, z ponad 800 egzemplarzami w eksploatacji.

Rysunek 8. Obszary występowania pojazdów elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi [ 67 , 68 , 69 ].

Odzwierciedlając autorytet Korei na rynku samochodów z ogniwami paliwowymi, Hyundai Nexo był najlepiej sprzedającym się samochodem z ogniwami paliwowymi w 2022 roku, z 10 000 sprzedanych egzemplarzy, a następnie Toyota Mirai z 3200 egzemplarzami. Pomimo zaprzestania przez Hondę produkcji samochodów z ogniwami paliwowymi w 2021 roku, zarówno SAIC EUNIQ7, jak i Honda Clarity sprzedały się w 2022 roku w liczbie około 200 egzemplarzy każdy. Ponadto BMW rozpoczęło produkcję małoseryjną samochodu z ogniwami paliwowymi iX5 Hydrogen w 2022 roku, wprowadzając swoją flotę pilotażową na całym świecie na początku 2023 roku. Przyszłe ekspansje rynkowe obejmują ogłoszenie Hondy o nowym pojeździe z ogniwami paliwowymi opartym na crossoverze CR-V, którego produkcja w USA ma się rozpocząć w 2024 roku. Marokański startup NamX również zaprezentował prototyp SUV-a z ogniwami paliwowymi, zasilanego częściowo wymiennymi kapsułami wodoru, którego premiera planowana jest na 2026 rok. Kia, drugi co do wielkości producent samochodów w Korei, planuje wprowadzić na rynek samochody z ogniwami paliwowymi od 2027 roku. Co więcej, zarówno Porsche, jak i Toyota opracowały prototypy samochodów wodorowych z silnikami spalinowymi, prezentując zróżnicowane podejścia technologiczne. Jednak pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi (FCEV) pozostają technologią mniejszościową, a firmy takie jak Volkswagen koncentrują się na pojazdach elektrycznych zasilanych akumulatorami. Francuski startup Hopium planował wprowadzić na rynek luksusową limuzynę z ogniwami paliwowymi w 2025 roku, ale w lipcu 2023 roku został objęty postępowaniem upadłościowym.

W sektorze lekkich pojazdów użytkowych nowi gracze, tacy jak First Hydrogen, rozpoczęli testy furgonetki z ogniwami paliwowymi „Generacji I” w 2023 roku i planują wkrótce opracować model drugiej generacji. Podobnie, RONN Motor Group ogłosiła zamiar produkcji furgonetek dostawczych i ciężarówek średniej ładowności z ogniwami paliwowymi. Wśród uznanych marek, Ford ujawnił plany testowania furgonetki z ogniwami paliwowymi w Wielkiej Brytanii.

Wzrost sprzedaży ciężarówek z ogniwami paliwowymi przewyższył wzrost sprzedaży pojazdów lekkich, osiągając 60% wzrost w 2022 roku i przekraczając 7100 sztuk do końca roku. Do połowy 2023 roku zapasy wzrosły do ​​ponad 8000 sztuk. Zdecydowana większość tej sprzedaży miała miejsce w Chinach, które obecnie posiadają ponad 95% światowego rynku ciężarówek z ogniwami paliwowymi. Wzrost ten jest napędzany głównie przez ponad pięciokrotny wzrost sprzedaży ciężkich ciężarówek z ogniwami paliwowymi od końca 2021 roku do czerwca 2023 roku, napędzany polityką wsparcia i rozwojem infrastruktury. Ponadto ciężarówki z ogniwami paliwowymi udowadniają swoją skuteczność poza Chinami, a Hyundai Xcient przejechał 5 milionów kilometrów w Szwajcarii od 2020 roku i rozszerzył działalność na Niemcy, Koreę i Nową Zelandię.

Według inwentarza technologii zerowej emisji (ZETI) firmy CALSTART, w 2022 roku dostępnych było około 20 modeli średnich i ciężkich ciężarówek z ogniwami paliwowymi, a kolejne modele są przewidywane na 2023 rok. Ciężarówki z ogniwami paliwowymi, wykorzystujące duże rezerwy wodoru, idealnie nadają się do zastosowań o dużej ładowności, oferując większą ładowność i dłuższy zasięg dzięki znacznemu magazynowaniu wodoru. Krótsze czasy tankowania umożliwiają szybsze obroty, dzięki czemu te ciężarówki są bardzo efektywne w zadaniach wymagających szybkiego działania, takich jak logistyka łańcucha chłodniczego. Wysoka dostępność dodatkowo zwiększa ich przydatność do pracy w systemie dwuzmianowym, oferując elastyczność na różnych trasach [ 99 ].

8. Wyzwania związane z magazynowaniem i dystrybucją

Wodór charakteryzuje się niską gęstością energetyczną, co wymaga wydajnych i bezpiecznych rozwiązań magazynowych. Ponadto stworzenie ekonomicznego i bezpiecznego systemu dystrybucji wodoru stwarza wyzwania, które należy podjąć, aby gospodarka wodorowa mogła funkcjonować.

Wyzwania związane z magazynowaniem i dystrybucją stanowią istotne kwestie w rozwoju i rozbudowie infrastruktury wodorowej na potrzeby pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi wodorowymi (HFCV). Oto kilka kluczowych wyzwań w tym zakresie:

• Niska gęstość energii i ciśnienie magazynowania

Wodór charakteryzuje się niską gęstością energii objętościowej, co wymaga magazynowania w warunkach wysokiego ciśnienia, aby zgromadzić wystarczającą ilość energii na pokładzie statków HFCV. Wymaga to zaawansowanych materiałów i technologii magazynowania, które umożliwiają bezpieczne przechowywanie wodoru pod wysokim ciśnieniem.

Bardzo istotnymi parametrami w przypadku chemicznych magazynów wodoru są pojemność masowa wodoru, temperatura uwalniania wodoru, odwracalność tego procesu oraz czystość uwalnianego gazu. Te cztery cechy fizykochemiczne pozwalają określić, czy dany materiał ma szansę na powodzenie w dalszych badaniach wdrożeniowych.

Ze względu na bardzo niską gęstość wodoru (0,0838 g/dm³ ^w temp. 20°C) [ 24 ], zbiorniki na wodór musiałyby być niewyobrażalnie duże, aby zasięg napędzanych nim samochodów był satysfakcjonujący. Dlatego też DOE określił parametr pojemności objętościowej wodoru na poziomie 30–50 g/dm³ ^, co oznacza, że ​​całkowita gęstość jest około 500 razy większa. Aby sprostać temu wyzwaniu, konieczne jest zastosowanie innych metod magazynowania wodoru niż jego forma gazowa.

Dodatkowo, docelowy poziom pojemności masowej wodoru, wyznaczony przez DOE, wynosi obecnie 6,5%. Choć wartość ta może wydawać się bardzo niska, spełnienie tego wymogu nie jest łatwe. Warto pamiętać, że pojemność masowa wodoru obliczana jest jako stosunek masy wodoru zmagazynowanego w zbiorniku do masy całego układu – paliwa wraz ze zbiornikiem oraz elementów niezbędnych do sterowania przepływem gazu, np. kabli. Dlatego istotny jest również materiał zbiornika i jego wypełnienie.

Kolejnym ważnym parametrem jest czystość wodoru. Ponieważ jednym z celów zastępowania paliw konwencjonalnych wodorem jest eliminacja zanieczyszczeń powietrza, produktami ubocznymi uwalniania wodoru ze zbiornika nie mogą być inne gazy, zwłaszcza toksyczne. Gazy inne niż wodór mogą również zatruwać elektrody, zmieniać pH elektrolitu lub uszkadzać membrany stosowane w ogniwach paliwowych, co skutkuje znacznym obniżeniem ich wydajności [ 25 , 26 , 27 ]. Ponadto w przypadku magazynów chemicznych taka sytuacja powodowałaby potencjalne problemy z odwracalnością procesu, czyli ładowaniem zbiornika, do którego w celu przywrócenia stanu sprzed rozładowania należałoby dostarczyć inne substraty oprócz wodoru.

Kwestia temperatury uwalniania wodoru nie jest jasno opisana w wymaganiach DOE. Z jednej strony zbiornik nie powinien uwalniać gazu automatycznie, np. gdy samochód jest zaparkowany w nasłonecznionym miejscu. Warunek ten obejmuje między innymi parametr temperatury otoczenia, który może wynosić od −40°C do 60°C. Z drugiej strony, wodór dostarczany do ogniwa paliwowego nie może mieć temperatury wyższej niż 85°C (zakłada się stosowanie ogniw niskotemperaturowych). Warunek ten może być spełniony na dwa sposoby: albo gaz będzie uwalniany w temperaturze poniżej 85°C, albo między zbiornikiem a ogniwem będzie schładzany do pożądanej temperatury. Ze względu na powyższe warunki optymalna temperatura uwalniania wodoru wynosi 60–85°C, ale dopuszczalne są również wartości nieznacznie wyższe.

Wodorki metali są obiecującymi materiałami do magazynowania wodoru, ponieważ oferują szereg zalet: działają przy stosunkowo niskim ciśnieniu (zwykle 0,25–10 MPa), umożliwiają odwracalną absorpcję i uwalnianie wodoru, mogą absorbować wodór w niskich temperaturach (nawet w temperaturze pokojowej) i są bezpieczne w użyciu, przy minimalnym ryzyku wybuchu lub łatwopalności [ 100 ].

Niskotemperaturowe wodorotlenki metali są najpopularniejsze ze względu na niskie temperatury absorpcji wodoru. Desorpcja wodoru zmagazynowanego w wodorotlenkach metali następuje zazwyczaj w wyniku wzrostu temperatury i obniżenia ciśnienia w układzie [ 101 ]. Przykładem niskotemperaturowego układu magazynowania wodoru jest stop Ti-Cr-Mn o pojemności sorpcyjnej wodoru wynoszącej 1,9 m/m.

Innym intrygującym materiałem magazynującym wodór jest pallad (Pd) i jego stopy. Pallad może absorbować wodór uzyskany w wyniku reakcji elektrochemicznych, jak również z fazy gazowej. Wykazano, że próbka palladu w temperaturze pokojowej może absorbować wodór o objętości 850 razy większej niż jej własna objętość. Wodór może występować w palladzie w dwóch fazach: fazie α (tworzącej stały roztwór wodoru w palladzie), która powstaje przy niskich stężeniach wodoru, oraz fazie β (stanowiącej niestechiometryczny wodorek palladu), która powstaje wraz ze wzrostem ilości wodoru absorbowanego przez metal [ 81 ].

Dodatek metali takich jak ruten (Ru) i rod (Rh) do palladu zwiększa zdolność absorpcyjną układu. Stop Pd-Rh zawierający 7% rodu wykazuje ponad 13% wzrost zdolności absorpcyjnej wodoru w porównaniu z czystym palladem. Chociaż pallad i jego stopy są interesującymi materiałami do magazynowania wodoru, wysokie koszty ich pozyskania sprawiają, że obecnie nie są one powszechnie stosowane do magazynowania wodoru [ 102 , 103 , 104 , 105 ].

• Kompatybilność materiałowa i kruchość

Magazynowanie pod wysokim ciśnieniem może prowadzić do problemów, takich jak kruchość materiałów stosowanych w zbiornikach i rurociągach. Znalezienie materiałów, które są jednocześnie wytrzymałe i trwałe, a jednocześnie nie ulegają kruchości wywołanej wodorem, stanowi wyzwanie w opracowywaniu bezpiecznych i niezawodnych systemów magazynowania.

• Koszt i waga systemów magazynowych

Opracowanie ekonomicznych i lekkich systemów magazynowania jest niezbędne, aby pojazdy HFCV były konkurencyjne w porównaniu z innymi technologiami. Obecne rozwiązania magazynowania, takie jak zbiorniki kompozytowe wzmocnione włóknem węglowym lub systemy metalowo-wodorkowe, mogą być drogie i zwiększać masę pojazdów [ 106 , 107 , 108 ].

• Inwestycje w infrastrukturę

Stworzenie infrastruktury dystrybucji wodoru, w tym rurociągów i stacji paliw, wymaga znacznych inwestycji. Koszty budowy i utrzymania takiej infrastruktury mogą stanowić barierę dla powszechnego stosowania, zwłaszcza w regionach, w których zapotrzebowanie na wodór nie jest jeszcze dobrze ugruntowane.

• Logistyka transportowa

Transport wodoru z zakładów produkcyjnych do punktów dystrybucji i stacji paliw wiąże się z wyzwaniami logistycznymi. Zapewnienie niezawodnego i wydajnego łańcucha dostaw ma kluczowe znaczenie dla utrzymania stabilnych i dostępnych dostaw wodoru.

• Obawy dotyczące bezpieczeństwa

Wodór jest wysoce łatwopalny, dlatego należy uwzględnić kwestie bezpieczeństwa związane z jego produkcją, magazynowaniem i dystrybucją. Wdrożenie środków bezpieczeństwa, takich jak systemy wykrywania wycieków i protokoły reagowania kryzysowego, jest niezbędne do zdobycia zaufania społecznego do tej technologii.

• Bliskość produkcji wodoru

Lokalizacja zakładów produkujących wodór w pobliżu centrów popytu wpływa na efektywność dystrybucji. Strategiczne rozmieszczenie zakładów produkcyjnych może pomóc zminimalizować odległości transportu, obniżyć koszty i zoptymalizować cały łańcuch dostaw wodoru.

• Zwiększanie skali produkcji

Wraz ze wzrostem zapotrzebowania na wodór, zwiększenie skali produkcji, aby sprostać temu zapotrzebowaniu, staje się wyzwaniem. Wymaga to pokonania ograniczeń obecnych metod produkcji i przejścia na bardziej zrównoważone i skalowalne procesy, takie jak produkcja zielonego wodoru z wykorzystaniem odnawialnych źródeł energii.

• Międzynarodowa normalizacja

Standaryzacja systemów magazynowania i dystrybucji na poziomie międzynarodowym ma kluczowe znaczenie dla interoperacyjności i płynnego funkcjonowania globalnego rynku wodoru. Osiągnięcie konsensusu w sprawie norm dotyczących komponentów, protokołów tankowania i środków bezpieczeństwa stanowi ciągłe wyzwanie [ 109 , 110 , 111 ].

9. Infrastruktura pojazdów wodorowych i strategie inwestycyjne

Budowa infrastruktury niezbędnej do obsługi pojazdów wodorowych stanowi jedno z największych wyzwań dla ich powszechnego zastosowania. Pojazdy wodorowe wymagają nowej i kompleksowej sieci infrastruktury produkcyjnej, magazynowej, dystrybucyjnej i tankowania, odrębnej od istniejących sieci benzynowych i elektrycznych. Ta transformacja wymaga znacznych inwestycji kapitałowych, skoordynowanego planowania i współpracy międzysektorowej. Przyjrzyjmy się wyzwaniom, potencjalnym rozwiązaniom i modelom finansowania rozwoju infrastruktury wodorowej [ 112 ].

Wysokie początkowe nakłady kapitałowe: rozwój sieci infrastruktury wodorowej, obejmującej zakłady produkcyjne, jednostki magazynowe, rurociągi dystrybucyjne i stacje paliw, wymaga znacznych początkowych nakładów kapitałowych. Na przykład, budowa pojedynczej stacji tankowania wodoru może kosztować około 1 miliona dolarów, co jest znacznie więcej niż koszt stacji ładowania pojazdów elektrycznych (EV). Ponadto brak korzyści skali wynikający z obecnej małej liczby pojazdów wodorowych na drogach utrudnia uzasadnienie tych wysokich początkowych kosztów. Obecnie liczba stacji tankowania wodoru jest ograniczona, co stwarza problem: konsumenci wahają się przed zakupem pojazdów wodorowych z powodu braku infrastruktury tankowania, a inwestorzy niechętnie finansują stacje tankowania bez masy krytycznej pojazdów. Ten niedobór opcji tankowania stanowi istotną barierę dla przyjęcia pojazdów wodorowych przez konsumentów, zwłaszcza w porównaniu z rosnącą siecią stacji ładowania pojazdów elektrycznych [ 113 ].

Całkowita liczba stacji tankowania wodoru (HRS) gwałtownie wzrosła od 2015 r. do lata 2024 r., przy czym obecnie działa 187 stacji dostępnych dla ogółu społeczeństwa ( rysunek 9 ). Większość z nich znajduje się w Niemczech (86), Francji (27) i Holandii (24). Zdecydowana większość HRS posiada dystrybutory umożliwiające tankowanie samochodów pod ciśnieniem 700 barów. Około 50% HRS posiada dystrybutory umożliwiające tankowanie samochodów lub autobusów, lub obu, pod ciśnieniem 350 barów.

Rysunek 9. Stacje tankowania wodoru dostępne publicznie i działające w wybranych krajach w maju 2024 r. [ 114 ].

Wodór to gaz o niskiej gęstości, który wymaga sprężenia lub skroplenia do magazynowania i transportu. Proces ten jest energochłonny i kosztowny. Ponadto wodór musi być przechowywany pod wysokim ciśnieniem lub w niskiej temperaturze, co budzi obawy o bezpieczeństwo i wymaga specjalistycznej infrastruktury. Transport wodoru na duże odległości, rurociągami lub ciężarówkami, wiąże się ze znacznymi nakładami inwestycyjnymi i wyzwaniami technicznymi, szczególnie w krajach o słabo rozwiniętej infrastrukturze wodorowej.

Rozwój infrastruktury wodorowej jest obecnie utrudniony przez rozdrobnione otoczenie regulacyjne. Różne kraje, a nawet regiony w obrębie kraju, mają różne przepisy bezpieczeństwa, standardy i zachęty dotyczące infrastruktury wodorowej, co utrudnia stworzenie jednolitej strategii rozwoju. Ten brak standaryzacji zwiększa koszty, opóźnia wdrożenie i obniża zaufanie inwestorów.

Ponadto niepewne tempo wdrażania pojazdów wodorowych utrudnia dokładne prognozowanie popytu. Ta niepewność zniechęca inwestorów prywatnych do angażowania znacznego kapitału, ponieważ mogą oni nie uzyskać wystarczającego zwrotu z inwestycji. Co więcej, świadomość i akceptacja pojazdów wodorowych wśród konsumentów są nadal stosunkowo niskie, co dodatkowo komplikuje perspektywy rynkowe.

Partnerstwa publiczno-prywatne (PPP) mogą być kluczem do pokonania wysokich kosztów początkowych i ryzyka związanego z rozwojem infrastruktury wodorowej. Rządy mogą współpracować z firmami prywatnymi, aby dzielić koszty, ryzyko i korzyści. Na przykład środki publiczne mogą być wykorzystywane do dofinansowania budowy stacji paliw, a firmy prywatne mogą je obsługiwać. Udane PPP można znaleźć w Japonii i Korei Południowej, gdzie już rozpoczęto budowę infrastruktury wodorowej, łącząc wsparcie rządowe z inwestycjami prywatnymi [ 115 ].

Aby zachęcić do rozwoju infrastruktury wodorowej, rządy mogą oferować zachęty finansowe, takie jak ulgi podatkowe, granty i dotacje dla firm inwestujących w instalacje do produkcji, magazynowania, dystrybucji i tankowania wodoru. Na przykład w Unii Europejskiej Strategia Wodorowa ma na celu promowanie inwestycji w technologie wodorowe poprzez programy finansowania i wsparcie regulacyjne. Podobnie, amerykańska ustawa o inwestycjach infrastrukturalnych i tworzeniu miejsc pracy przeznacza miliardy dolarów na projekty związane z czystym wodorem, w tym infrastrukturę [ 116 ].

Skupienie się na strategicznych lokalizacjach, takich jak centra miejskie, węzły logistyczne i korytarze transportowe o dużej gęstości zaludnienia, może pomóc w budowie początkowej sieci stacji tankowania wodoru. Na przykład, budowa stacji tankowania wzdłuż głównych autostrad lub w określonych obszarach metropolitalnych może pomóc w stworzeniu infrastruktury bazowej, która będzie wspierać wczesnych użytkowników, floty i pojazdy użytkowe, sprzyjając szerszemu wdrożeniu.

Postęp technologiczny może obniżyć koszty i poprawić wydajność infrastruktury wodorowej. Innowacje w produkcji wodoru, takie jak zastosowanie tańszych katalizatorów do elektrolizy, mogą obniżyć cenę zielonego wodoru. Podobnie, postęp w technologiach magazynowania i dystrybucji, takich jak magazynowanie wodoru w stanie stałym lub bardziej wydajne metody sprężania, może obniżyć koszty infrastruktury i ryzyko dla bezpieczeństwa.

Ustanowienie międzynarodowych standardów produkcji, magazynowania i dystrybucji wodoru może obniżyć koszty i usprawnić rozwój infrastruktury. Standaryzacja zapewniłaby jasne wytyczne dotyczące budowy i eksploatacji stacji tankowania wodoru oraz innej infrastruktury, zmniejszając niepewność regulacyjną i zwiększając zaufanie inwestorów.

Istniejącą infrastrukturę, taką jak gazociągi i stacje paliw, można ponownie wykorzystać lub zmodernizować w celu dystrybucji i magazynowania wodoru. Takie podejście może zmniejszyć zapotrzebowanie na zupełnie nową infrastrukturę. Na przykład, mieszanie wodoru z gazem ziemnym w istniejących gazociągach może stanowić tymczasowe rozwiązanie zwiększające popyt i obniżające koszty związane z nowymi gazociągami wodorowymi.

10. Ekonomiczne i społeczne aspekty wykorzystania wodoru w pojazdach

Pojazdy napędzane wodorem, a w szczególności pojazdy elektryczne zasilane ogniwami paliwowymi (FCEV), zyskują na popularności jako obiecująca alternatywa dla konwencjonalnych samochodów benzynowych i pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorowo (BEV). Czynniki ekonomiczne związane z pojazdami napędzanymi wodorem obejmują koszty produkcji, infrastrukturę, paliwo oraz potencjalne skutki społeczne [ 117 ].

• Koszty produkcji i rozwoju

Początkowy koszt produkcji pojazdów napędzanych wodorem jest znacznie wyższy niż w przypadku konwencjonalnych pojazdów benzynowych i pojazdów elektrycznych (BEV). Wynika to głównie z kosztów ogniw paliwowych, które wykorzystują drogie materiały, takie jak platyna, jako katalizatory. Obecnie ogniwa paliwowe są produkowane w niewielkich ilościach, co ogranicza korzyści skali i utrzymuje wysokie ceny. Jednak wraz z rozwojem technologii i zwiększeniem skali produkcji, oczekuje się spadku kosztów, potencjalnie osiągając parytet z pojazdami elektrycznymi (BEV) pod koniec lat 20. lub na początku lat 30. XXI wieku.

• Koszty i dostępność paliwa

Paliwo wodorowe jest obecnie droższe niż benzyna czy energia elektryczna. Na cenę wodoru wpływają metody produkcji (takie jak elektroliza lub parowe reformowanie metanu), dystrybucja i magazynowanie. „Zielony wodór”, wytwarzany z odnawialnych źródeł energii, jest przyjazny dla środowiska, ale drogi, podczas gdy „szary” i „niebieski” wodór, pozyskiwany z paliw kopalnych, są tańsze, ale mniej przyjazne dla środowiska. Oczekuje się, że koszt zielonego wodoru spadnie wraz z postępem technologicznym i skalowaniem, ale nie jest pewne, kiedy stanie się on konkurencyjny w stosunku do paliw tradycyjnych [ 118 , 119 ].

• Koszty infrastruktury

Jednym z głównych wyzwań ekonomicznych dla pojazdów napędzanych wodorem jest infrastruktura niezbędna do produkcji, magazynowania i dystrybucji wodoru. Budowa sieci stacji tankowania wodoru jest kosztowna, a szacunki wahają się od 1 miliona do 2 milionów dolarów na stację. Aby pojazdy napędzane wodorem stały się opłacalne, zwłaszcza w przypadku samochodów osobowych, konieczne są znaczne inwestycje w rozwój rozległej sieci stacji tankowania. Rządy i sektor prywatny muszą intensywnie inwestować w te obszary, co może wiązać się z dotacjami lub zachętami publicznymi.

• Koszty utrzymania i eksploatacji

Pojazdy napędzane wodorem mają mniej części ruchomych niż silniki spalinowe, co z czasem może prowadzić do niższych kosztów utrzymania. Jednak obecny niedobór specjalistycznych warsztatów naprawczych i części zamiennych może skutkować wyższymi kosztami utrzymania w porównaniu z pojazdami elektrycznymi lub tradycyjnymi. Z czasem, wraz z rozwojem rynku i coraz większą dostępnością specjalistycznych umiejętności, koszty te powinny spaść.

• Wpływ ekonomiczny na sektor energetyczny

Wprowadzenie pojazdów napędzanych wodorem mogłoby znacząco wpłynąć na sektor energetyczny. Przejście na wodór mogłoby zmniejszyć zależność od ropy naftowej, co wpłynęłoby negatywnie na kraje silnie uzależnione od eksportu ropy naftowej. Z drugiej strony, mogłoby to stworzyć nowe możliwości dla krajów dysponujących bogatymi zasobami energii odnawialnej w zakresie produkcji i eksportu zielonego wodoru, potencjalnie zmieniając globalne rynki energii [ 120 ].

Warto również wspomnieć o wpływie społecznym pojazdów wodorowych. Przejście na pojazdy wodorowe ma potencjał, aby wywołać szereg zmian społecznych [ 52 ]:

• Wpływ na środowisko

Pojazdy wodorowe emitują jedynie parę wodną, ​​co zmniejsza emisję gazów cieplarnianych i zanieczyszczeń powietrza w porównaniu z konwencjonalnymi pojazdami benzynowymi. Może to poprawić jakość powietrza, zwłaszcza w obszarach miejskich, i pomóc w osiągnięciu globalnych celów klimatycznych. Korzyści dla środowiska zależą jednak od sposobu produkcji wodoru. Zielony wodór, wytwarzany z energii odnawialnej, oferuje największe korzyści, podczas gdy szary wodór, wytwarzany z paliw kopalnych, nadal generuje emisję CO2 _[ 119 ] .

• Bezpieczeństwo energetyczne i zmiany geopolityczne

Wodór można produkować lokalnie z różnych źródeł, w tym wody i energii odnawialnej, co zmniejsza zależność od importowanej ropy naftowej i zwiększa bezpieczeństwo energetyczne. Ta zmiana mogłaby zmienić globalną geopolitykę energetyczną poprzez zmniejszenie strategicznego znaczenia regionów bogatych w ropę naftową i zwiększenie znaczenia regionów dysponujących dużymi zasobami odnawialnymi lub potencjałem technologicznym umożliwiającym produkcję wodoru.

• Tworzenie miejsc pracy i możliwości gospodarcze

Gospodarka wodorowa mogłaby stworzyć nowe miejsca pracy w przemyśle, rozwoju infrastruktury, konserwacji i produkcji paliw. Regiony inwestujące w technologię wodorową mogłyby odnotować znaczny wzrost gospodarczy podobny do boomu w sektorze energii odnawialnej. Mogłyby jednak również wystąpić straty miejsc pracy w tradycyjnych branżach paliw kopalnych, co wymagałoby przekwalifikowania i programów przejściowych dla dotkniętych tym problemem pracowników [ 116 ].

• Korzyści dla zdrowia publicznego

Zmniejszenie zanieczyszczenia powietrza przez pojazdy napędzane wodorem może przynieść znaczące korzyści dla zdrowia publicznego, w tym niższy wskaźnik zachorowań na choroby układu oddechowego i układu krążenia. Może to obniżyć koszty opieki zdrowotnej i poprawić ogólną jakość życia, zwłaszcza w obszarach miejskich o dużej emisji spalin z pojazdów [ 118 ].

• Adopcja rynkowa i zachowania konsumentów

Przyjęcie pojazdów wodorowych będzie w dużej mierze zależeć od percepcji i zachowań konsumentów. Obecny brak infrastruktury do tankowania i wyższe koszty początkowe mogą zniechęcać konsumentów, ale zachęty rządowe, spadające ceny i rosnąca świadomość ekologiczna mogą napędzać tę tendencję. Ponadto pojazdy wodorowe mogą być bardziej atrakcyjne dla konsumentów poszukujących szybszego czasu tankowania i większego zasięgu niż pojazdy elektryczne [ 118 ].

Pojazdy napędzane wodorem stwarzają zarówno możliwości ekonomiczne, jak i wyzwania. Chociaż technologia ta oferuje znaczące potencjalne korzyści dla środowiska, bezpieczeństwa energetycznego i zdrowia publicznego, jej powszechne wdrożenie będzie wymagało pokonania istotnych barier kosztowych i infrastrukturalnych. Wpływ społeczny będzie w dużej mierze zależał od reakcji rządów, przemysłu i konsumentów na te wyzwania, tempa postępu technologicznego oraz dostosowania produkcji wodoru do celów zrównoważonej energii [ 121 , 122 ].

Obecnie najtańszym wodorem jest wodór szary, którego cena za kilogram wynosi około dwóch dolarów amerykańskich. Niestety, produkcja wodoru zielonego jest najdroższa. Jego cena nie powinna przekraczać 10 dolarów za kilogram. Kwota ta wynika z różnych składowych, takich jak koszty całej infrastruktury do produkcji energii elektrycznej, jej dystrybucji oraz cena samej instalacji do produkcji. Energia odpadowa, ponownie wykorzystana do zasilania urządzeń i produkcji wodoru, pozwoliłaby na obniżenie ceny jednostkowej kilograma wodoru w porównaniu z wodorem zielonym. Energię odpadową można odzyskiwać i wykorzystywać na różne sposoby. Odzysk ciepła odpadowego polega na wykorzystaniu ciepła powstającego jako produkt uboczny procesów przemysłowych do innych celów. Jeśli chodzi o energię elektryczną, czyli energię odpadową, możemy spodziewać się jej wytwarzania w przypadku sprężarek stosowanych w przemysłowej klimatyzacji, systemach chłodniczych oraz w różnych procesach produkcyjnych. Podczas sprężania gazu jego temperatura wzrasta, co prowadzi do wytwarzania ciepła odpadowego. W niektórych systemach sprężarkowych nadmiar tego ciepła jest przetwarzany na energię elektryczną za pomocą turbin parowych lub generatorów termoelektrycznych. Integracja systemów odzysku energii z odpadów z istniejącymi procesami przemysłowymi wymaga jednak zaawansowanych rozwiązań technologicznych i inżynieryjnych, które są kosztowne. Produkcja wodoru z energii elektrycznej pochodzącej z odpadów może być jednak kolejnym krokiem w kierunku zwiększenia dekarbonizacji środowiska. Instalacja taka wymagałaby zastosowania odpowiednich elektrolizerów. Woda, często dostępna w zakładach przemysłowych, nie wymagałaby dużych nakładów finansowych. Wówczas, dzięki elektrolizie wody, możliwe byłoby wytwarzanie wodoru. Cena kilograma wodoru może się znacznie różnić w zależności od metody produkcji, lokalizacji, skali produkcji i rynku ( tabela 3 ).

Tabela 3. Koszty produkcji wodoru w Europie [ 123 ].

eforming parowy metanu (SMR)
W roku 2022 średnie koszty produkcji wodoru w reaktorach SMR w Europie wyniosły średnio ok. 6,23 EUR/kg wodoru.
Elektroliza podłączona do sieci
Koszty produkcji wodoru z wykorzystaniem energii elektrycznej z sieci elektroenergetycznej w Europie oszacowano na 3,89–16,44 EUR/kg wodoru, przy czym średnia dla wszystkich krajów wyniosła 9,85 EUR/kg.
Elektroliza wody z bezpośrednim podłączeniem do odnawialnego źródła energii (odnawialnego wodoru)
Koszty produkcji wodoru poprzez elektrolizę z bezpośrednim podłączeniem do odnawialnego źródła energii w Europie wahają się od 4,18 do 9,60 EUR/kg wodoru, przy czym średnia dla wszystkich krajów wynosi 6,86 EUR/kg. Chociaż produkcja wodoru poprzez elektrolizę z bezpośrednim podłączeniem do odnawialnego źródła energii pozwala uniknąć kosztów energii elektrycznej, takich jak koszty sieci i podatki, współczynnik wykorzystania mocy elektrolizera jest ograniczony współczynnikiem wykorzystania mocy odnawialnego źródła, do którego jest podłączony.

11. Kluczowe startupy i patenty w technologii ogniw paliwowych wodorowych

Te startupy reprezentują rosnący trend w branży motoryzacyjnej w kierunku zrównoważonych i czystych rozwiązań energetycznych, wykorzystując technologię wodorowych ogniw paliwowych do zmniejszenia wpływu na środowisko i uzależnienia od paliw kopalnych. Te startupy i firmy przesuwają granice technologii wodorowych ogniw paliwowych, oferując innowacyjne rozwiązania redukujące emisje i poprawiające zrównoważony rozwój transportu publicznego.

W ostatnich latach nastąpił gwałtowny wzrost liczby zgłoszeń patentowych związanych z technologią wodorowych ogniw paliwowych, co odzwierciedla znaczący postęp w różnych aspektach tej technologii, od projektowania ogniw paliwowych po rozwiązania w zakresie produkcji i magazynowania wodoru. Poniżej przedstawiono kilka znaczących patentów, które podkreślają te innowacje ( Tabela 5 ).

Integracja technologii ogniw paliwowych z pojazdami to dynamicznie rozwijająca się dziedzina, o czym świadczą liczne patenty zgłoszone w ostatnich latach. Patenty te świadczą o znaczącym postępie w projektowaniu stosów ogniw paliwowych, magazynowaniu wodoru, elektronice mocy, zarządzaniu temperaturą i ogólnej integracji pojazdów. Ciągłe innowacje i współpraca między przemysłem a środowiskiem akademickim są niezbędne, aby sprostać obecnym wyzwaniom i uczynić pojazdy napędzane wodorem powszechnymi.

Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna (ISO) opracowała szereg norm dotyczących ogniw paliwowych i wykorzystania wodoru w przemyśle motoryzacyjnym. Normy te obejmują różne aspekty, takie jak bezpieczeństwo, wydajność, metody testowania i terminologia. Tabela 6 zawiera informacje o normach ISO.

Normy te mają kluczowe znaczenie dla zapewnienia bezpiecznego i efektywnego wykorzystania technologii wodorowych i ogniw paliwowych w przemyśle motoryzacyjnym. Pomagają one ujednolicić praktyki, zapewnić kompatybilność i utrzymać bezpieczeństwo w różnych regionach i u różnych producentów.

Krajobraz technologii akumulatorowych dynamicznie się rozwija, napędzany zapotrzebowaniem na bardziej wydajne, trwałe i zrównoważone rozwiązania w zakresie magazynowania energii w różnych sektorach, takich jak pojazdy elektryczne (EV), elektronika użytkowa, magazynowanie energii w sieciach elektroenergetycznych oraz integracja energii odnawialnej. Startupy odgrywają kluczową rolę w tym ekosystemie, napędzając innowacje, badając nowe technologie chemiczne akumulatorów oraz opracowując zaawansowane materiały i techniki produkcji ( Tabela 7 ). Patenty z kolei stanowią kluczowy mechanizm ochrony tych innowacji, umożliwiając startupom pozyskiwanie inwestycji, nawiązywanie strategicznych partnerstw i konkurowanie na rynku opartym na technologii.

12. Wnioski

Istotą zastąpienia samochodów elektrycznych pojazdami napędzanymi wodorem jest sprostanie kluczowym wyzwaniom związanym z transportem elektrycznym. Od zwiększonego zasięgu i skróconego czasu ładowania po zerową emisję spalin, samochody wodorowe stanowią obiecującą alternatywę dla zrównoważonej i ekologicznej przyszłości. Chociaż rozwój infrastruktury pozostaje kluczowym czynnikiem, stały postęp technologiczny i rosnące poparcie dla wodoru jako czystego źródła energii sprawiają, że staje się on przełomem w dziedzinie transportu. Wraz z nabieraniem tempa przez globalne inicjatywy na rzecz dekarbonizacji, pojazdy napędzane wodorem są gotowe odegrać kluczową rolę w przekształcaniu krajobrazu zrównoważonej mobilności.

Wysoki koszt platyny i innych rzadkich materiałów stanowił istotną barierę dla powszechnego stosowania technologii ogniw paliwowych w pojazdach napędzanych wodorem. Jednak trwające prace badawczo-rozwojowe przynoszą znaczące postępy w ograniczaniu uzależnienia od tych materiałów i obniżaniu kosztów całkowitych. Dzięki postępowi w technologii katalizatorów, współpracy z przemysłem oraz wspierającym środkom politycznym, ogniwa paliwowe mają potencjał, aby stać się bardziej opłacalnym i zrównoważonym rozwiązaniem dla przyszłych potrzeb transportowych.

Współpraca między przemysłem a środowiskiem akademickim ma kluczowe znaczenie dla pokonania wyzwań związanych z kosztami związanymi z platyną w technologii ogniw paliwowych. Dzięki wspólnym inicjatywom badawczym, transferowi technologii oraz ukierunkowanym pracom badawczo-rozwojowym, poczyniono znaczne postępy w kierunku bardziej przystępnych cenowo i zrównoważonych pojazdów napędzanych wodorem. Ciągłe inwestycje i innowacje w tym obszarze będą miały kluczowe znaczenie dla powszechnego stosowania technologii ogniw paliwowych.

W niniejszym manuskrypcie zaprezentowano kompleksowy przegląd obecnego stanu i przyszłych perspektyw pojazdów napędzanych wodorem, w tym informacje na temat konkurencyjności cenowej, wysiłków badawczych oraz innowacyjnego krajobrazu kształtowanego przez startupy i patenty.

Odniesienia

1. Ishimoto, Y.; Voldsund, M.; Nekså, P.; Roussanaly, S.; Berstad, D.; Gardarsdottir, SO Produkcja i transport wodoru na dużą skalę z Norwegii do Europy i Japonii: analiza łańcucha wartości i porównanie ciekłego wodoru i amoniaku jako nośników energii. Int. J. Hydrogen Energy 2020 , 45 , 32865–32883. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
2. Merkisz, J.; Pielecha, J.; Lijewski, P.; Merkisz-Guranowska, A.; Nowak, M. Emisja spalin z pojazdów w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego w aglomeracji poznańskiej. W: Air Pollution XXI ; Wit Press: Southampton, Wielka Brytania, 2013; Tom 174, s. 27–38. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
3. Merkisz, J.; Jacyna, M.; Merkisz-Guranowska, A.; Pielecha, J. Parametry silnika samochodu osobowego w warunkach rzeczywistych badań emisji spalin. Arch. Transp. 2014 , 32 , 43–50. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
4. Kamińska, M.; Rymaniak, Ł.; Lijewski, P.; Szymlet, N.; Daszkiewicz, P.; Grzeszczyk, R. Badania emisji spalin z maszyn kolejowych podczas prac utrzymania torów. Energie 2021 , 14 , 3141. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
5. Szymlet, N.; Rymaniak, Ł.; Kurc, B. Chromatograficzna analiza składu chemicznego próbek spalin miejskich pojazdów dwukołowych. Energies 2024 , 17 , 709. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
6. Ziółkowski, A.; Fuć, P.; Jagielski, A.; Bednarek, M.; Konieczka, S. Porównanie zużycia energii i emisji spalin pojazdów hybrydowych i konwencjonalnych oraz pojazdów elektrycznych wyposażonych w Range Extender. Energies 2023 , 16 , 4669. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
7. Turoń, K. Pojazdy napędzane wodorem w systemach transportu miejskiego – stan obecny i rozwój. Transp. Res. Procedia 2020 , 45 , 835–841. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
8. Olabi, AG; Wilberforce, T.; Abdelkareem, MA Zastosowanie ogniw paliwowych w przemyśle motoryzacyjnym i perspektywy na przyszłość. Energy 2021 , 214 , 118955. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
9. Ananthachar, V.; Duffy, JJ Efektywność systemów magazynowania wodoru na pokładzie pojazdów z ogniwami paliwowymi. Energia słoneczna 2005 , 78 , 687–694. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
10. Bairabathina, S.; Balamurugan, S. Przegląd nieizolowanych wielowejściowych konwerterów podwyższających napięcie dla hybrydowych pojazdów elektrycznych niezależnych od sieci. Int. J. Hydrogen Energy 2020 , 45 , 21687–21713. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
11. Cleveland, CJ; Morris, CG Podręcznik energii: diagramy, wykresy i tabele ; Elsevier: Newnes, NSW, Australia, 2013; Tom 1, ISBN 0-08-091457-8. [ Google Scholar ]
12. Balchin, J. Skoki kwantowe: 100 naukowców, którzy zmienili świat ; Arcturus Publishing, Londyn, Wielka Brytania, 2013; ISBN 1-78404-092-4. [ Google Scholar ]
13. NASA. Dostępne online: https://climate.nasa.gov/news/788/nasa-exploring-space-applications-of-hydrogen-and-fuel-cells (dostęp: 25 maja 2024 r.).
14. Chandan, A.; Hattenberger, M.; El-Kharouf, A.; Du, S.; Dhir, A.; Self, V.; Pollet, BG; Ingram, A.; Bujalski, W. Wysokotemperaturowe (HT) ogniwa paliwowe z membraną polimerową i elektrolitem (PEMFC) — przegląd. J. Power Sources 2013 , 231 , 264–278. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
15. Walkowiak-Kulikowska, J.; Wolska, J.; Koroniak, H. Zastosowanie polimerów w membranach wymiany protonów w ogniwach paliwowych (PEMFC). Phys. Sci. Rev. 2017 , 2 , 20170018. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
16. Wu, D.; Peng, C.; Yin, C.; Tang, H. Przegląd integracji systemów i kontroli ogniw paliwowych z membraną wymiany protonów. Electrochem. Energy Rev. 2020 , 3 , 466–505. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
17. Edwards, PP; Kuznetsov, VL; David, WI; Brandon, NP Wodór i ogniwa paliwowe: ku zrównoważonej przyszłości energetycznej. Polityka energetyczna 2008 , 36 , 4356–4362. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
18. Brimblecombe, P. Skład i chemia powietrza ; Cambridge University Press: Cambridge, Wielka Brytania, 1996; ISBN 0-521-45972-9. [ Google Scholar ]
19. Birol, F. Przyszłość wodoru: wykorzystanie dzisiejszych możliwości ; Raport Międzynarodowej Agencji Energii przygotowany na G; OECD: Paryż, Francja, 2019; Tom 20. [ Google Scholar ]
20. Ni, Y.; Han, Z.; Chai, Y.; Wu, G.; Li, L. Katalityczne magazynowanie wodoru w nośnikach wodoru ciekłego. EES Catal. 2023 , 1 , 459–494. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
21. Chen, L.; Verma, P.; Hou, K.; Qi, Z.; Zhang, S.; Liu, Y.-S.; Guo, J.; Stavila, V.; Allendorf, MD; Zheng, L. Odwracalna dehydrogenacja i rehydrogenacja cykloheksanu i metylocykloheksanu za pomocą katalizatora platynowego w jednym miejscu. Nat. Commun. 2022 , 13 , 1092. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
22. Du, J.; Chang, S.; Song, J.; Zhao, J.; Zhu, Z. Dehydrogenacja cykloheksanu na katalizatorach platynowych osadzonych na nanomateriałach węglowych. J. Fuel Chem. Technol. 2009 , 37 , 468–472. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
23. Wang, B.; Froment, GF; Goodman, DW Produkcja wodoru wolnego od CO2 poprzez dehydrogenację mieszaniny węglowodorów Jet A. J. Catal. 2008 , 253 , 239–243. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
24. Deng, Y.; Guo, Y.; Jia, Z.; Liu, J.-C.; Guo, J.; Cai, X.; Dong, C.; Wang, M.; Li, C.; Diao, J.; i in. Zespoły Pt składające się z kilku atomów umożliwiają wydajną katalityczną dehydrogenację cykloheksanu w celu produkcji wodoru. J. Am. Chem. Soc. 2022 , 144 , 3535–3542. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
25. Wang, B.; Goodman, DW; Froment, GF Kinetyczne modelowanie produkcji czystego wodoru z dekaliny. J. Catal. 2008 , 253 , 229–238. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
26. Peng, M.; Dong, C.; Gao, R.; Xiao, D.; Liu, H.; Ma, D. W pełni odsłonięty katalizator klastrowy (FECC): w kierunku bogatych miejsc na powierzchni i pełnej wydajności wykorzystania atomów. ACS Cent. Sci. 2021 , 7 , 262–273. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
27. Lu, S.; Yang, H.; Zhou, Z.; Zhong, L.; Li, S.; Gao, P.; Sun, Y. Wpływ wielkości cząstek In ₂ O _{3 na uwodornienie CO 2} do niższych olefin w przypadku katalizatorów bifunkcyjnych. Chin. J. Catal. 2021 , 42 , 2038–2048. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
28. Qi, P.; Wang, J.; Djitcheu, X.; He, D.; Liu, H.; Zhang, Q. Techniki charakteryzacji katalizatorów jednoatomowych. RSC Adv. 2022 , 12 , 1216–1227. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
29. Somekawa, S.; Watanabe, H.; Ono, Y.; Oaki, Y.; Imai, H. Przygotowanie tytanii o strukturze dwupasmowej uzyskanej w wyniku efektu kwantowego: drastyczny wzrost aktywności fotokatalitycznej. Mater. Lett. 2021 , 304 , 130609. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
30. Zhang, L.; Liu, L.; Pan, Z.; Zhang, R.; Gao, Z.; Wang, G.; Huang, K.; Mu, X.; Bai, F.; Wang, Y. Nieutleniająca dehydrogenacja alkanów pod wpływem światła widzialnego w warunkach otoczenia. Nat. Energy 2022 , 7 , 1042–1051. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
31. Kang, JS; Baek, JY; Hwang, H.; Shin, HS; Yoon, CW; Shin, H.-J. Fotokatalityczna dehydrogenacja organicznego nośnika wodoru na powierzchniach Pd-TiO2 (110). _J. Mater. Chem. A 2022 , 10 , 22701–22706. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
32. Al-ShaikhAli, AH; Jedidi, A.; Cavallo, L.; Takanabe, K. Nieszlachetne katalizatory bimetaliczne do selektywnej dehydrogenacji układu wodorków związków organicznych. Chem. Commun. 2015 , 51 , 12931–12934. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
33. Usman, MR Metody magazynowania wodoru: przegląd i aktualny stan. Renew. Sustain. Energy Rev. 2022 , 167 , 112743. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
34. Preuster, P.; Alekseev, A.; Wasserscheid, P. Technologie magazynowania wodoru dla przyszłych systemów energetycznych. Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng. 2017 , 8 , 445–471. [ Google Scholar ] [ CrossRef ] [ PubMed ]
35. Zhang, F.; Zhao, P.; Niu, M.; Maddy, J. Przegląd kluczowych technologii magazynowania energii wodorowej. Int. J. Hydrogen Energy 2016 , 41 , 14535–14552. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
36. Durbin, DJ; Malardier-Jugroot, C. Przegląd technik magazynowania wodoru do zastosowań w pojazdach. Int. J. Hydrogen Energy 2013 , 38 , 14595–14617. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
37. Todorovic, R. Technologie magazynowania wodoru do zastosowań w transporcie. J. Undergrad. Res. 2015 , 5 , 56–59. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
38. Abe, JO; Popoola, A.; Ajenifuja, E.; Popoola, OM Energia wodorowa, gospodarka i magazynowanie: przegląd i zalecenia. Int. J. Hydrogen Energy 2019 , 44 , 15072–15086. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
39. Jorgensen, SW Zbiorniki na wodór do pojazdów: najnowsze postępy i stan obecny. Curr. Opin. Solid State Mater. Sci. 2011 , 15 , 39–43. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
40. Hosgormez, H.; Etiope, G.; Yalçin, M. Nowe dowody na mieszane nieorganiczne i organiczne pochodzenie pożaru Chimery na Igrzyskach Olimpijskich (Turcja): duży wyciek gazu abiogenicznego na lądzie. Geofluids 2008 , 8 , 263–273. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
41. Prinzhofer, A.; Cissé, CST; Diallo, AB Odkrycie dużego nagromadzenia naturalnego wodoru w Bourakebougou (Mali). Int. J. Hydrogen Energy 2018 , 43 , 19315–19326. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
42. Fuel Cells Works. Petroma Inc. z powodzeniem produkuje energię elektryczną z naturalnego wodoru. Fuel Cells Works , 30 listopada 2019 r.
43. Lollar, BS; Onstott, TC; Lacrampe-Couloume, G.; Ballentine, C. Wkład prekambryjskiej litosfery kontynentalnej w globalną produkcję wodoru _. Nature 2014 , 516 , 379–382. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
44. Das, L. Pokładowe systemy magazynowania wodoru do zastosowań w motoryzacji. Int. J. Hydrogen Energy 1996 , 21 , 789–800. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
45. Gomez, YA; Oyarce, A.; Lindbergh, G.; Lagergren, C. Zanieczyszczenie amoniakiem ogniwa paliwowego z membraną wymiany protonów. J. Electrochem. Soc. 2018 , 165 , F189–F197. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
46. Imamura, D.; Ebata, D.; Hshimasa, Y.; Akai, M.; Watanabe, S. Wpływ zanieczyszczeń paliwa wodorowego na wydajność PEMFC. SAE Trans. 2007 , 116 , 621–626. [ Google Scholar ]
47. Zamel, N.; Li, X. Wpływ zanieczyszczeń na ogniwa paliwowe z membraną polimerową. Prog. Energy Combust. Sci. 2011 , 37 , 292–329. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
48. KTVU FOX 2. Trwa dochodzenie w sprawie przyczyn wybuchu wodoru i pożaru w Santa Clara. KTVU FOX 2 , 2 czerwca 2019 r.
49. Hazardex. Eksplozja w fabryce wodoru w USA uszkodziła około 60 budynków. Hazardex , 8 kwietnia 2020 r.
50. Lambert, F. Eksplozja stacji wodorowej, Toyota wstrzymuje sprzedaż samochodów z ogniwami paliwowymi, czy to już koniec? Electrek , 11 czerwca 2019 r. [ Google Scholar ]
51. Cunanan, C.; Tran, M.-K.; Lee, Y.; Kwok, S.; Leung, V.; Fowler, M. Przegląd technologii układów napędowych pojazdów ciężarowych: pojazdów z silnikami Diesla, pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorowo i pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi na wodór. Clean Technol. 2021 , 3 , 474–489. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
52. Albatayneh, A.; Juaidi, A.; Jaradat, M.; Manzano-Agugliaro, F. Przyszłość samochodów i ciężarówek elektrycznych i wodorowych: przegląd. Energies 2023 , 16 , 3230. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
53. Millo, F.; Caputo, S.; Piu, A. Analiza wzmacniacza zasięgu HT-PEMFC w lekkim pojeździe całkowicie elektrycznym (LD-FEV). Int. J. Hydrogen Energy 2016 , 41 , 16489–16498. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
54. Hwang, JJ; Chang, WR Analiza cyklu życia emisji gazów cieplarnianych i efektywności energetycznej skuterów napędzanych ogniwami paliwowymi wodorowymi. Int. J. Hydrogen Energy 2010 , 35 , 11947–11956. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
55. Kim, H.; Hartmann, N.; Zeller, M.; Luise, R.; Soylu, T. Porównawcza analiza całkowitego kosztu posiadania (TCO) autobusów elektrycznych zasilanych bateriami i autobusów z ogniwami paliwowymi wodorowymi w systemach transportu publicznego w małych i średnich miastach. Energies 2021 , 14 , 4384. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
56. Chang, C.-C.; Wu, F.-L.; Lai, W.-H.; Lai, M.-P. Analiza kosztów i korzyści śladu węglowego skuterów wodorowych i skuterów elektrycznych. Int. J. Hydrogen Energy 2016 , 41 , 13299–13307. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
57. Hwang, JJ Strategia zrównoważonego transportu na rzecz promowania skuterów elektrycznych o zerowej emisji na Tajwanie. Renew. Sustain. Energy Rev. 2010 , 14 , 1390–1399. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
58. Halder, P.; Babaie, M.; Salek, F.; Haque, N.; Savage, R.; Stevanovic, S.; Bodisco, TA; Zare, A. Postępy w produkcji, magazynowaniu, dystrybucji i tankowaniu wodoru na rzecz zrównoważonego sektora transportu: pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi wodorowymi. Int. J. Hydrogen Energy 2023 , 52 , 973–1004. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
59. Zhang, R.; Chen, Y.; Li, Z.; Jiang, T.; Li, X. Dwuetapowa, niezawodna praca zintegrowanych mikrosieci wieloenergetycznych opalanych energią elektryczną, gazem i ciepłem z uwzględnieniem heterogenicznych niepewności. Appl. Energy 2024 , 371 , 123690. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
60. Zheng, X.; Khodayar, ME; Wang, J.; Yue, M.; Zhou, A. Dystrybucyjnie solidna dystrybucja wielostopniowa z dyskretnym dostępem do systemów magazynowania energii. IEEE Trans. Power Syst. 2024 , 2 , 1–14. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
61. Xia, W.; Ren, Z.; Qin, H.; Dong, Z. Skoordynowana metoda działania dla sieciowego systemu transportu energii wodorowej. Energy 2024 , 296 , 131026. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
62. Plugpower. Rewolucja wodorowa: niezawodność, zrównoważony rozwój i stabilność sieci. Plug , 26 stycznia 2024 r. Dostępne online: https://www.plugpower.com/the-hydrogen-revolution-reliability-sustainability-and-grid-stability/ (dostęp: 10 września 2024 r.).
63. Enatpter. The Lowdown on Microgrids. Enatpter , 29 listopada 2018. Dostępne online: https://www.enapter.com/blog/the-lowdown-on-microgrids/ (dostęp: 9 września 2024).
64. Shahzad, S.; Abbasi, MA; Ali, H.; Iqbal, M.; Munir, R.; Kilic, H. Możliwości, wyzwania i przyszłe szanse mikrosieci: przegląd. Zrównoważony rozwój 2023 , 15 , 6366. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
65. Uddin, M.; Mo, H.; Dong, D.; Elsawah, S.; Zhu, J.; Guerrero, JM Mikrosieci: przegląd, nierozstrzygnięte problemy i przyszłe trendy. Strategia energetyczna Rev. 2023 , 49 , 101127. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
66. Allwyn, RG; Al-Hinai, A.; Margaret, V. Kompleksowy przegląd strategii zarządzania energią w mikrosieciach. Energy Rep. 2023 , 9 , 5565–5591. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
67. Szałek, A.; Pielecha, I.; Cieslik, W. Analiza przepływu energii w pojazdach elektrycznych zasilanych ogniwami paliwowymi (FCEV) w rzeczywistych warunkach jazdy (RDC). Energies 2021 , 14 , 5018. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
68. Sazali, N.; Wan Salleh, WN; Jamaludin, AS; Mhd Razali, MN Nowe perspektywy technologii ogniw paliwowych: krótki przegląd. Membrany 2020 , 10 , 99. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
69. Zhao, H.; Lu, D.; Wang, J.; Tu, W.; Wu, D.; Koh, SW; Gao, P.; Xu, ZJ; Deng, S.; Zhou, Y. Elektroreformowanie surowej biomasy w połączeniu z wytwarzaniem zielonego wodoru. Nat. Commun. 2021 , 12 , 2008. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
70. Changala, PB; Nguyen, TL; Baraban, JH; Ellison, GB; Stanton, JF; Bross, DH; Ruscic, B. Aktywne tablice termochemiczne: energia jonizacji adiabatycznej nadtlenku wodoru. J. Phys. Chem. A 2017 , 121 , 8799–8806. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
71. Deng, B.; Zhou, L.; Jiang, Z.; Jiang, Z.-J. Wysoka wydajność katalityczna Co2P-Ni2P na nośniku z pianki niklowej _w celu _całkowitego rozszczepienia wody i jej strukturalnych zmian podczas reakcji wydzielania wodoru/tlenu w roztworach alkalicznych. J. Catal. 2019 , 373 , 81–92. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
72. Gurz, M.; Baltacioglu, E.; Hames, Y.; Kaya, K. Spotkanie wodoru i motoryzacji: przegląd. Int. J. Hydrogen Energy 2017 , 42 , 23334–23346. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
73. Liu, F.; Mauzerall, DL; Zhao, F.; Hao, H. Wdrażanie pojazdów na ogniwa paliwowe w Chinach: redukcja emisji gazów cieplarnianych dzięki przejściu floty ciężarówek o dużej ładowności z silników Diesla i gazu ziemnego na napęd wodorowy. Int. J. Hydrogen Energy 2021 , 46 , 17982–17997. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
74. Berry, GD; Pasternak, AD; Rambach, GD; Smith, JR; Schock, RN Wodór jako paliwo transportowe przyszłości. Energia 1996 , 21 , 289–303. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
75. Pielecha, I.; Cieślik, W.; Szałek, A. Działanie elektrycznych hybrydowych układów napędowych w zróżnicowanych warunkach jazdy. Ekspolatacja Niezawodn. Konserwacja Niezawodny. 2018 , 20 , 16–23. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
76. Buja, G.; Bertoluzzo, M.; Mude, KN Projekt i eksperymenty z ładowarką WPT do elektrycznych samochodów miejskich. IEEE Trans. Ind. Electron. 2015 , 62 , 7436–7447. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
77. Aminudin, M.; Kamarudin, S.; Lim, B.; Majilan, E.; Masdar, M.; Shaari, N. Przegląd: aktualny postęp w dziedzinie pojazdów z ogniwami paliwowymi na wodór. Int. J. Hydrogen Energy 2023 , 48 , 4371–4388. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
78. Martins, LS; Guimarães, LF; Junior, ABB; Tenório, JAS; Espinosa, Akumulator do samochodów elektrycznych DCR: przegląd globalnego popytu, recyklingu i przyszłych podejść do zrównoważonego rozwoju. J. Environ. Manag. 2021 , 295 , 113091. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
79. Patil, H.; Kalkhambkar, Integracja pojazdów elektrycznych z siecią VN w celu uzyskania korzyści ekonomicznych: przegląd. J. Mod. Power Syst. Czysta energia 2020 , 9 , 13–26. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
80. Ahmadi, P.; Khoshnevisan, A. Dynamiczna symulacja i ocena cyklu życia pojazdów elektrycznych z ogniwami paliwowymi wodorowymi z uwzględnieniem różnych metod produkcji wodoru. Int. J. Hydrogen Energy 2022 , 47 , 26758–26769. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
81. Brenna, M.; Foiadelli, F.; Leone, C.; Longo, M. Przegląd technologii ładowania pojazdów elektrycznych i szacowanie optymalnego rozmiaru. J. Electr. Eng. Technol. 2020 , 15 , 2539–2552. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
82. Sendek-Matysiak, E.; Pyza, D. Perspektywy rozwoju infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych w Polsce w świetle obowiązujących przepisów. Arch. Transp. 2021 , 57 , 43–58. [ Google Scholar ]
83. Kast, J.; Morrison, G.; Gangloff, JJ, Jr.; Vijayagopal, R.; Marcinkoski, J. Projektowanie elektrycznych ciężarówek zasilanych ogniwami paliwowymi wodorowymi na zróżnicowanym rynku pojazdów średnich i ciężkich. Res. Transp. Econ. 2018 , 70 , 139–147. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
84. Williams, SE; Davis, SC; Boundy, RG Książka danych o energii transportowej: wydanie 36 ; Oak Ridge National Lab (ORNL): Oak Ridge, TN, USA, 2017. [ Google Scholar ]
85. Pielecha, I.; Dimitrov, R.; Mihaylov, V. Analiza przepływu energii na podstawie symulowanego napędu lokomotywy hybrydowej zasilanej ogniwami paliwowymi. Rail Veh. Pojazdy Szyn. 2022 , 68. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
86. Xing, H.; Stuart, C.; Spence, S.; Chen, H. Systemy zasilania ogniwami paliwowymi do zastosowań morskich: postęp i perspektywy. Zrównoważony rozwój 2021 , 13 , 1213. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
87. Kast, J.; Vijayagopal, R.; Gangloff, JJ, Jr.; Marcinkoski, J. Czysty transport komercyjny: średnie i ciężkie ciężarówki elektryczne na ogniwa paliwowe. Int. J. Hydrogen Energy 2017 , 42 , 4508–4517. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
88. Smith, JR; Aceves, SM; Johnson, NL; Amsden, AA Postęp w kierunku zoptymalizowanego hybrydowego silnika szeregowego wodorowego ; Raport techniczny; USDOE: Waszyngton, DC, USA, 1995. [ Google Scholar ] [ CrossRef ][ Wersja zielona ]
89. Sakintuna, B.; Lamari-Darkrim, F.; Hirscher, M. Materiały wodorkowo-metalowe do magazynowania stałego wodoru: przegląd. Int. J. Hydrogen Energy 2007 , 32 , 1121–1140. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
90. Chalk, SG; Miller, JF; Wagner, FW Wyzwania dla ogniw paliwowych w zastosowaniach transportowych. J. Power Sources 2000 , 86 , 40–51. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
91. Zaetta, R.; Madden, B. Przegląd stanu techniki w zakresie technologii ogniw paliwowych wodorowych w autobusach ; NextHyLights: Ottobrunn, Niemcy, 2013. [ Google Scholar ]
92. Eudy, L.; Post, M.; Jeffers, M. Wyniki demonstracji autobusu z ogniwami paliwowymi o zerowej emisji w Bay Area (ZEBA): piąty raport ; Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL): Golden, CO, USA, 2016. [ Google Scholar ]
93. Folkesson, A.; Andersson, C.; Alvfors, P.; Alaküla, M.; Overgaard, L. Testowanie w warunkach rzeczywistych hybrydowego autobusu z ogniwami paliwowymi PEM. J. Power Sources 2003 , 118 , 349–357. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
94. Pramuanjaroenkij, A.; Kakaç, S. Pojazdy elektryczne na ogniwa paliwowe: przegląd najważniejszych wydarzeń. Int. J. Hydrogen Energy 2023 , 48 , 9401–9425. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
95. Genovese, M.; Schlüter, A.; Scionti, E.; Piraino, F.; Corigliano, O.; Fragiacomo, P. Systemy energetyczne Power-to-Hydrogen i Hydrogen-to-X dla przemysłu przyszłości w Europie. Int. J. Hydrogen Energy 2023 , 48 , 16545–16568. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
96. Gallas, D.; Stobnicki, P. Wdrażanie nowoczesnych technologii wodorowych w transporcie kolejowym. J. Ecol. Eng. 2022 , 23 , 84–91. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
97. Cavaliere, P. Zastosowania wodoru. W: Elektroliza wody do produkcji wodoru ; Springer: Berlin/Heidelberg, Niemcy, 2023; s. 653–727. [ Google Scholar ]
98. Brazzola, N.; Patt, A.; Wohland, J. Definicje i implikacje lotnictwa neutralnego dla klimatu. Nat. Clim. Change 2022 , 12 , 761–767. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
99. Międzynarodowa Agencja Energetyczna. Global Hydrogen Review 2023 ; Międzynarodowa Agencja Energetyczna: Paryż, Francja, 2023. [ Google Scholar ]
100. Niaz, S.; Manzoor, T.; Pandith, AH Magazynowanie wodoru: materiały, metody i perspektywy. Renew. Sustain. Energy Rev. 2015 , 50 , 457–469. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
101. Pavlyuk, V.; Dmytriv, G.; Chumak, I.; Gutfleisch, O.; Lindemann, I.; Ehrenberg, H. Superlekkie związki międzymetaliczne o wysokiej zawartości wodoru z układu Li–Mg–Si. Int. J. Hydrogen Energy 2013 , 38 , 5724–5737. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
102. Burch, R.; Buss, R. Absorpcja wodoru przez stopy palladu i miedzi. Część 1. — Pomiary eksperymentalne. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 Phys. Chem. Condens. Phases 1975 , 71 , 913–921. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
103. Baba, K.; Sakamoto, Y.; Flanagan, TB; Kuji, T.; Craft, A. Anomalie oporu elektrycznego i rozpuszczalność wodoru w układzie nieporządek-porządek Pd/Sub 3/Mn. Scr. Metall. 1987 , 21 , 299–303. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
104. Richardson, TJ; Slack, JL; Farangis, B.; Rubin, MD Mieszane warstwy metalowe o przełączalnych właściwościach optycznych. Appl. Phys. Lett. 2002 , 80 , 1349–1351. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
105. Wang, M.; Feng, Y. Cienka warstwa palladu i srebra do wykrywania wodoru. Sens. Actuators B Chem. 2007 , 123 , 101–106. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
106. Hara, M.; Sakurai, J.; Akamaru, S.; Hashizume, K.; Nishimura, K.; Mori, K.; Okabe, T.; Watanabe, K.; Matsuyama, M. Właściwości termodynamiczne i magnetyczne wodorku Pd0. 93Ag0. 07. Mater. Trans. 2007 , 48 , 3154–3159. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
107. Vocaturo, R.; Tresca, C.; Ghiringhelli, G.; Profeta, G. Prognozowanie nadprzewodnictwa przy ciśnieniu otoczenia w wodorku trójskładnikowym PdCuHx. J. Appl. Phys. 2022 , 131 , 033903. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
108. Sivasamy, R.; Venugopal, P.; Kumar, KV; Espinoza-González, R. Synteza i charakterystyka nanokompozytu Pd/Mn (Mn1, 36Pd0, 64) O4: podejście eksperymentalne i teoretyczne. Vacuum 2020 , 182 , 109683. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
109. Gryaznow, V.; Serebryannikova, O.; Serow, YM; Ermilova, M.; Karavanov, A.; Misczenko, A.; Orekhova, N. Przygotowanie i kataliza na membranach kompozytowych palladu. Aplikacja Katal. A Gen. 1993 , 96 , 15–23. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
110. Padama, AAB; Kasai, H.; Budhi, YW Absorpcja wodoru i odwrotna segregacja indukowana wodorem na powierzchni palladu i srebra. Int. J. Hydrogen Energy 2013 , 38 , 14715–14724. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
111. Dillon, E.; Jimenez, G.; Davie, A.; Bulak, J.; Nesbit, S.; Craft, A. Czynniki wpływające na wytrzymałość na rozciąganie, twardość i ciągliwość palladu poddanego cyklom wodorowym. Mater. Sci. Eng. A 2009 , 524 , 89–97. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
112. Apostolou, D.; Xydis, G. Przegląd literatury na temat stacji tankowania wodoru i infrastruktury. Stan obecny, perspektywy na przyszłość. Odnów. Zrównoważ. Energia Rev. 2019 , 113 , 109292. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
113. Perna, A.; Minutillo, M.; Di Micco, S.; Jannelli, E. Projektowanie i analiza kosztów stacji tankowania wodoru w oparciu o różne źródła wodoru i konfiguracje instalacji. Energies 2022 , 15 , 541. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
114. Europejskie Obserwatorium Wodoru. Stacje tankowania wodoru. Dostępne online: https://observatory.clean-hydrogen.europa.eu/hydrogen-landscape/distribution-and-storage/hydrogen-refuelling-stations (dostęp: 9 września 2024 r.).
115. Almeida, R.; Cassang, A.; Lin, D.; Abe, M. Systemy partnerstwa publiczno-prywatnego i zrównoważony rozwój w Azji i na Pacyfiku ; ESCAP: Bangkok, Tajlandia, 2020. [ Google Scholar ]
116. Urząd Publikacji Rządu USA. Ustawa o inwestycjach infrastrukturalnych i tworzeniu miejsc pracy ; Urząd Publikacji Rządu USA: Waszyngton, DC, USA, 2021.
117. Fakhreddine, O.; Gharbia, Y.; Derakhshandeh, JF; Amer, A. Wyzwania i rozwiązania związane z ogniwami paliwowymi wodorowymi w systemach transportowych: przegląd i perspektywy. World Electr. Veh. J. 2023 , 14 , 156. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
118. Cihlar, J.; Lejarreta, AV; Wang, A.; Melgar, F.; Jens, J.; Rio, P. Wytwarzanie wodoru w Europie: przegląd kosztów i kluczowych korzyści ; Publikacje UE: Luksemburg, 2021. [ Google Scholar ]
119. Sens, L.; Piguel, Y.; Neuling, U.; Timmerberg, S.; Wilbrand, K.; Kaltschmitt, M. Minimalizacja kosztów wodoru ze słońca i wiatru – produkcja i dostawy w europejskim obszarze zlewni. Energy Convers. Manag. 2022 , 265 , 115742. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
120. Díaz, MTM; Oróstica, HC; Guajardo, J. Analiza ekonomiczna: Systemy produkcji zielonego wodoru. Procesy 2023 , 11 , 1390. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
121. Janssen, JL; Weeda, M.; Detz, RJ; van der Zwaan, B. Prognozy kosztów produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych w poszczególnych krajach za pośrednictwem systemów elektroenergetycznych poza siecią. Appl. Energy 2022 , 309 , 118398. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
122. Radner, F.; Strobl, N.; Köberl, M.; Winkler, F.; Esser, K.; Trattner, A. Produkcja wodoru poza siecią: analiza kosztów produkcji i dostaw wodoru z uwzględnieniem specyfiki kraju i transportu do Europy. Int. J. Hydrogen Energy 2024 , 80 , 1197–1209. [ Google Scholar ] [ CrossRef ]
123. Europejskie Obserwatorium Wodoru. Koszt produkcji wodoru. Dostępne online: https://observatory.clean-hydrogen.europa.eu/index.php/hydrogen-landscape/production-trade-and-cost/cost-hydrogen-production (dostęp: 9 września 2024 r.).