La început a fost hidrogenul. Big Bang a creat toate elementele pe care le cunoaștem astăzi în tabelul periodic, iar primul și cel mai simplu element dintre toate este hidrogenul: are un singur proton și un singur electron. Această simplitate explică, de altfel, și motivul pentru care hidrogenul este cel mai abundent element din Univers.
În stelele precum Soarele care ne luminează zilnic planeta, atomii de hidrogen interacționează și formează heliu, al doilea cel mai abundent element din Univers. În crusta planetei noastre, hidrogenul are o compoziție de 0.14%. Și s-ar putea să fii uimit, dar 9.5% din corpul uman este alcătuit din hidrogen, care ajută stomacul și alte organe să mențină un nivel corect al pH-ului.
Hidrogenul este, practic, peste tot: în Univers, în stele, în crusta planetelor, în corpul uman. Și atunci, de ce n-am profita de abundența lui?
Se spune că prima descriere a hidrogenului i-a aparținut chimistului olandez Jan Baptist van Helmont în 1625, însă oamenii de știință îl creditează pentru descoperirea acestui gaz pe fizicianul britanic Henry Cavendish. În 1777, acesta a fost primul om care a descoperit că se poate obține apă atunci când amesteci hidrogenul cu oxigenul. În această perioadă, oamenii de știință au realizat că, datorită energiei chimice rezultate în urma interacțiunii dintre hidrogen și oxigen, hidrogenul poate juca rol de combustibil. Așa au apărut în 1783 primele baloane cu hidrogen pentru transportul aerian al oamenilor.
Pe silențios dar de neoprit, electrificarea a luat pe sus lumea mobilității, cu avantaje evidente: o mașină electrică nu poluează, poate fi încărcată acum cu ușurință, presupune costuri reduse de întreținere și facilități fiscale. Misiunea PPC Blue este de accelera tranziția energetică în transport și construiește infrastructura de mobilitate în toată lumea.
Descoperă aici stațiile de încărcare potrivite pentru tine și mașina ta, acasă, la birou sau în tranzit.
Mai târziu, hidrogenul a jucat un rol cheie în cucerirea spațiului. Rachetele cu ajutorul cărora oamenii au ajuns pe Lună în 1969, cu care au călătorit apoi pe Stația Spațială Internațională și cu care intenționează să revină pe satelitul natural al Pământului în acest deceniu folosesc drept carburant hidrogen lichid și oxigen lichid.
Oarecum inevitabil, oamenii de știință s-au întrebat dacă nu cumva hidrogenul ar putea fi utilizat și ca sursă de stocare de energie electrică în industria dispozitivelor electronice. Așa au apărut bateriile Ni-MH pe care le-am folosit cu toții la primele cărămizi telefoane mobile – Nokia 5110, remember? – și care au fost integrate inclusiv în primele vehicule hibride de pe piață. Da, inclusiv celebrul Toyota Prius a avut baterie Ni-MH. Acronimul provine de la nichel – metal – hidrură și simbolizează faptul că astfel de baterii utilizau ca materiale, pe lângă nichel și un metal, și hidrură, un termen care definește un compus binar al hidrogenului cu un metal.
Așa cum știm, bateriile Ni-MH nu era tocmai eficiente, motiv pentru care au fost înlocuite cu bateriile Li-Ion.
Și, până la urmă, dacă folosim hidrogenul pentru rachete spațiale, oare nu l-am putea folosi și pentru banalele noastre mașini de zi cu zi?
Mașini cu motoare termice alimentate cu hidrogen
Probabil că varianta cea mai simplă la care te gândești când auzi de termenul “mașină cu hidrogen” este o mașină cu motor termic care folosește hidrogen în loc de benzină sau motorină. Dacă vezi pe undeva acronimul HICEV (Hydrogen Internal Combustion Engine Vehicle), la astfel de vehicule se referă.
Comparativ cu motoarele diesel sau pe benzină, o astfel de soluție tehnică are ca principal avantaj absența emisiilor de substanțe poluante bazate pe carbon, cum ar fi monoxidul de carbon sau dioxidul de carbon. În schimb, întrucât combustia hidrogenului are loc într-o atmosferă care conține oxigen și azot, procesul de ardere a hidrogenului are ca efect secundar eliberarea de oxid de azot. Un gaz nociv pentru sănătatea omului care este eliberat în atmosferă de orice fel de motor cu ardere internă, indiferent că este alimentat cu benzină, motorină sau hidrogen. Și exact acel gaz nociv care a stat la baza scandalului Dieselgate în 2015.
Din acest motiv, mașinile cu motoare termice alimentate cu hidrogen nu pot fi considerate mașini cu zero emisii. Și este, implicit, și unul dintre motivele pentru care industria auto nu a acordat o atenție foarte mare acestui tip de propulsie.
Probabil că cel mai bun exemplu de mașină cu motor termic alimentată cu hidrogen a fost BMW Hydrogen 7, un model bazat pe Seria 7 produs în perioada 2005-2007 în 100 de exemplare de test despre care poți citi un studiu amănunțit aici. Ulterior, astfel de vehicule au apărut sporadic în competițiile de motorsport – de exemplu, Aston Martin Rapide S a fost un hibrid benzină – hidrogen care a concurat în Cursa de 24 de ore de la Nurburgring din 2013 și care putea utiliza simultan cele două tipuri de carburant.
Cel mai recent, constructorii japonezi Toyota, Denso și Isuzu au anunțat în iulie 2022 că intenționează să folosească această tehnologie pe vehicule de mare tonaj. Între timp, în Europa, organizația olandeză TNO (Netherlands Organisation for Applied Scientific Research) este în discuții cu o serie de parteneri industriali pentru a dezvolta un astfel de motor cât mai eficient pentru transportul de mărfuri pe cale rutieră sau maritimă, prin care să înlocuiască astfel motoarele diesel.
În tot acest context, șansele ca în viitor să fim asaltați de mașini cu motoare termice alimentate cu hidrogen sunt infime, în special din cauza emisiilor de oxid de azot menționate mai sus. Și asta mai ales pentru că există și o alternativă – teoretic – fără niciun fel de emisii.
Mașini electrice alimentate cu hidrogen
Alternativa este reprezentată de mașinile electrice care folosesc pile de combustie pe bază de hidrogen.
Povestea pilei de combustie este interesantă fie și numai pentru că a fost inventată în 1838 de un judecător galez pe nume William Robert Grove care și-a descoperit pasiunea pentru știință în timpul lunii de miere.
Foarte pe scurt și în termeni cât mai puțin tehnici, o pilă de combustie este o celulă electrochimică cu rolul de a converti energia chimică rezultată din interacțiunea hidrogenului cu oxigenul în energie electrică.
Practic, în acest mod, mașina electrică folosește energie electrică generată de pila de combustie în loc să utilizeze energie electrică provenită de la o baterie Li-Ion. Totuși, merită menționat că există posibilitatea ca energia electrică rezultată să fie stocată și într-o baterie Li-Ion de mici dimensiuni înainte de a fi utilizată de motorul electric.
Un avantaj este că pila de combustie poate produce energie electrică în mod continuu, atât timp cât celula este alimentată cu hidrogen și oxigen. Comparativ cu mașinile cu motoare termice alimentate cu hidrogen, în urma procesului din pila de combustie rezultă doar apă distilată, care este eliminată prin sistemul de evacuare sub formă de vapori. Implicit, asta înseamnă că, în timpul utilizării, mașinile electrice alimentate cu hidrogen nu au niciun fel de emisii nocive. Le vei gasi uneori si sub acronimul FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle.
Poate vei fi surprins, dar lista constructorilor auto care au investit zeci și sute de milioane de dolari sau euro în dezvoltarea unor astfel de vehicule este lungă. Ford, Nissan, Mercedes-Benz, Fiat, Mazda, Kia sau Renault sunt câțiva producători care au tatonat terenul. Niciunul dintre ei nu a lansat însă un astfel de model în versiune de serie. De asta s-au ocupat, mai degrabă, asiaticii.
Primul model electric alimentat cu hidrogen dezvoltat în producție de serie a fost lansat de Honda în anul 2008: Honda FCX Clarity a fost produs în Japonia și a fost disponibil exclusiv în leasing pentru 600 de dolari pe lună în Europa, Statele Unite și, desigur, în țara natală.
Cu un motor electric de 136 de cai putere, FCX Clarity avea o autonomie oficială de 450 de kilometri, calculată pe baza standardului american EPA, unul mai dur comparativ cu vechiul standard european NEDC, înlocuit între timp cu WLTP.
Constructorul japonez a jucat apoi cartea diversificării, pentru că în preajma anului 2016 a lansat atât o versiune îmbunătățită pe nume Honda Clarity Fuel Cell, cât și o versiune alimentată cu baterii și una plug-in hybrid. Noul Clarity Fuel Cell s-a mândrit la vremea respectivă cu o autonomie de 589 de kilometri, însă în Statele Unite putea fi achiziționat cu aproape 60.000 de dolari sau cumpărat în leasing de la numai 12 dealeri din California.
Între timp, pe piață își făcuse timid apariția și Hyundai ix35 Fuel Cell. Bazat pe clasicul Tucson, modelul avea de asemenea un motor de 136 de cai putere și promitea o autonomie de 600 de kilometri, calculată pe baza standardului european NEDC. Rețeta succesului eșecului a fost similară: s-a vândut doar în leasing cu 600 de dolari pe lună, doar în Europa, Japonia, California și Toronto, și doar până în 2018.
În prezent, există doar două modele electrice alimentate cu hidrogen aflate în producție. Cel de care probabil ai auzit și tu într-un context sau altul este Toyota Mirai.
Lansat inițial în 2015, Toyota Mirai a ajuns între timp la a doua generație și propune 174 de cai putere și o autonomie de 650 de kilometri, calculată pe baza noului standard european WLTP. Consumul oficial este de 0.79 kilograme de hidrogen la 100 de kilometri, iar cele trei rezervoare de hidrogen au o capacitate totală de 5.6 kilograme.
O mică paranteză aici: capacitatea rezervoarelor și consumul sunt măsurate în kilograme, nu în litri, pentru că hidrogenul cu care alimentezi este sub formă de gaz compresat la o presiune de circa 700 de bari, iar volumul în litri depinde semnificativ de presiune și de temperatura gazului.
Celălalt model alimentat cu hidrogen disponibil în prezent pe piață este Hyundai Nexo, care oferă 163 de cai putere și o autonomie de 666 de kilometri (WLTP) prin intermediul unui rezervor cu capacitatea de 6.33 de kilograme.
Așa cum observi, ambele modele electrice alimentate cu hidrogen oferă autonomii oficiale de circa 650 de kilometri, ușor mai mari decât cele uzuale de 400 – 600 de kilometri oferite de cele mai multe modele electrice pe bază de baterii. Iar asta în condițiile în care mașinile FCEV nu se confruntă iarna cu dezavantajul unor temperaturi scăzute care limitează și mai mult performanțele bateriei Li-Ion.
De departe, principalul avantaj al mașinilor FCEV este însă procedura simplă de alimentare cu hidrogen, similară cu cea prin care alimentezi mașinile cu motoare termice cu benzină sau motorină, astfel că ai nevoie de aproximativ 5 minute pentru un plin de rezervor.
Așadar, există mașini electrice cu autonomii de 650 de kilometri care se încarcă în 5 minute. Bun, atunci de ce nu le vedem pe străzi? De ce nu vedem niciun Mirai pe Magheru și niciun Nexo în parcarea mall-ului în care ajungem atât de des? Pentru că, în ciuda acestor avantaje, există câteva obstacole majore în adopția în masă a acestei tehnologii.
Cât de verde este, de fapt, producția de hidrogen?
În ciuda abundenței sale pe Pământ, hidrogenul nu există în mod natural de sine stătător, ci este disponibil doar în conexiune cu alte elemente precum apa, astfel că pentru a fi obținut trebuie separat.
Cel mai simplu și eficient mod de a produce hidrogen este prin procesul de electroliză al apei, iar acest lucru implică utilizarea unor electrizoare care au nevoie de… energie electrică.
Potrivit raportului “Fuel Cell Electric Vehicles 2022-2042” realizat de compania de cercetare IDTechEx, pentru producția unui kilogram de hidrogen este necesară o cantitate de energie electrică de 50 kWh. Dacă această energie electrică provine din surse regenerabile – de exemplu, de la turbine eoliene sau panouri solare – atunci producția de hidrogen este practic curată, cu o cantitate infimă de dioxid de carbon eliminată în atmosferă.
Din păcate, parțial din cauza cantității de energie electrică necesară, producția de hidrogen prin electroliza apei este scumpă. Cea mai eficientă, comună și accesibilă metodă din punct de vedere al costurilor este reformarea gazelor naturale, adică utilizarea gazelor naturale în combinație cu un abur fierbinte, proces din care rezultă hidrogen, dar și gaze nocive precum monoxid de carbon și dioxid de carbon. O altă metodă este gazificarea cărbunelui, adică utilizarea de cărbuni într-un recipient sub presiune în care există oxigen și abur fierbinte, proces în urma căruia rezultă un gaz care conține hidrogen și monoxid de carbon.
În prezent, 95% din cantitatea totală de hidrogen produsă la nivel global este generată prin reformarea gazului natural sau prin gazificarea cărbunelui. Prin urmare, inclusiv mașinile electrice de tip FCEV sunt alimentate, în realitate, cu hidrogen produs prin intermediul unui proces care eliberează dioxid de carbon în atmosferă. Un hidrogen care în industrie este cunoscut, din acest motiv, drept “hidrogen gri”. Totuși, pentru a remedia această problemă, unii producători de hidrogen au dezvoltat sisteme de captare a dioxidului de carbon. În acest caz, combustibilul final este cunoscut sub numele de “hidrogen albastru”, nume menționat explicit la numeroase stații de alimentare cu hidrogen.
Datele analizate de IDTechEx arată că producția unui kilogram de hidrogen prin reformarea gazului natural sau prin gazificarea cărbunelui conduce la eliberarea în atmosferă a aproape 11 kilograme de dioxid de carbon. Pe baza datelor de consum pentru Toyota Mirai anunțate de constructorul japonez, utilizarea acestui tip de hidrogen implică, în realitate, emisii de 109 grame de dioxid de carbon pe kilometru. Cu alte cuvinte, emisiile de dioxid de carbon sunt doar marginal mai mici decât cele înregistrate, de exemplu, de un Renault Clio echipat cu un motor pe benzină TCe de 90 de cai putere, care emite 112 grame de dioxid de carbon pe kilometru.
Singurul avantaj? Emisiile de dioxid de carbon au loc doar în locul în care este produs hidrogenul, în timp ce rularea în oraș nu produce niciun fel de emisii nocive, ceea ce înseamnă o reducere a poluării urbane.
Eficiență energetică extrem de scăzută
O altă problemă majoră pentru hidrogen este eficiența energetică a acestuia de la producția efectivă până în rezervorul mașinii. Sau, mai simplu spus, o problemă este reprezentată de pierderile de energie de pe parcurs.
Potrivit studiului “The Future of the EU Automotive Sector” publicat de Uniunea Europeană în octombrie 2021, eficiența hidrogenului este de numai 25% – 35%. Iar acest lucru este valabil inclusiv în cazul obținerii hidrogenului prin procesul verde de electroliză. Astfel, până la 75% din cantitatea inițială de energie electrică se pierde pe drum: 55% în timpul procesului de producție a hidrogenului și încă 55% din cantatea rămasă în timpul proceselor de compresie, lichefiere și transport spre stația de alimentare cu hidrogen.
În schimb, mașinile electrice pe baterii au o eficiență de 70% – 90% în privința utilizării energiei electrice, în timp ce eficiența combustibililor fosili este de numai 10% – 20%.
Infrastructura de încărcare este scumpă
Potrivit datelor agregate de portalul H2Stations, la sfârșitul anului 2021 existau 685 de stații de alimentare cu hidrogen la nivel global. Dintre acestea, peste 350 de stații se află în Asia (în special în Japonia și Coreea de Sud), în timp ce în Europa sunt mai puțin de 250 de stații, marea majoritate în Germania, Franța, Olanda și Belgia.
De altfel, în România nu există nicio stație de alimentare cu hidrogen. Cea mai apropiată este la Budapesta – inaugurată anul trecut – sau, dacă pleci din București, la Istanbul.
Una dintre explicațiile pentru rețeaua modestă de stații la nivel global este legată de costuri. În Europa, deschiderea unei stații de alimentare cu hidrogen presupune o investiție de aproximativ un milion de euro, în timp ce în Statele Unite ai depăși cu ușurință pragul de 2 milioane de dolari, potrivit datelor furnizate de centrul de cercetare Asia Pacific Energy Research Centre (APERC). În plus, nu există posibilitatea să instalezi acasă o stație de alimentare cu hidrogen, atât din motive de siguranță, cât și din motive logistice, întrucât ai avea nevoie de un furnizor care să-ți livreze doar câteva kilograme de hidrogen pe lună.
În prezent, prețurile pentru alimentarea mașinii cu hidrogen variază puternic și sunt destul de ridicate: 10-15 euro pe kilogram, ceea ce înseamnă costuri de 50 – 75 de euro pentru un plin de hidrogen care îți ajunge pentru cel mult 650 de kilometri. Se estimează că, dacă tehnologia va deveni mai populară, prețurile vor coborî până în preajma pragului de 5 euro pe kilogram.
Cât de sigur este hidrogenul?
La prima vedere probabil ești tentat să afirmi că siguranța unui sistem de alimentare cu hidrogen nu este la fel de ridicată precum alimentarea cu carburanți folosi. Datele statistice arată însă că, pe parcursul istoriei, inclusiv în cazul rachetelor alimentate cu hidrogen lichid și oxigen lichid, nu au fost consemnate accidente majore care să clasifice hidrogenul drept un combustibil mai periculos decât benzina sau motorina.
Astfel, la pompa de alimentare, riscurile sunt practic asemănătoare cu cele pe care ți le asumi atunci când încarci rezervorul cu benzină sau motorină. În plus, rezervoarele cu hidrogen ale mașinilor electrice FCEV respectă un anumit standard care impune realizarea unui strat protector ignifug. De asemenea, în cazul în care mașina ia foc, iar temperatura din jurul rezervorului crește peste un anumit prag, sistemul de detecție forțează eliberarea hidrogenului în atmosferă pentru a evita producerea unei explozii.
Vânzări globale modeste
Pe baza acestor aspecte legate de producția, transportul și infrastructura de încărcare cu hidrogen nu este greu să intuiești că, până acum, vânzările de mașini electrice alimentate cu hidrogen au fost mai degrabă modeste.
Datele colectate de compania de cercetare IDTechEx arată că, pe parcursul anului 2021, s-au vândut doar 15.538 de unități Mirai și Nexo la nivel global. Da, în creștere cu 82% comparativ anul 2020, însă în spatele acestui procent se ascund și câteva explicații mai puțin plăcute.
De exemplu, 38% dintre cele 5.918 unități Mirai s-au comercializat în Japonia, iar în statul american California prețul unui Mirai a fost de numai 18.000 de dolari, întrucât Toyota a oferit un discount special de 20.000 de dolari, iar subvențiile acordate de autoritățile americane a fost de 12.500 de dolari. Bonus: clienții încarcă gratuit cu hidrogen în primii 3 ani de utilizare în limita a 15.000 de dolari.
Între timp, 88% dintre cele 9.620 de unități Hyundai Nexo s-au vândut în Coreea de Sud, acolo unde discount-ul acordat de autorități a fost echivalentul a circa 30.000 de dolari. Adică aproximativ 50% din prețul de listă.
Așa cum observi, discount-urile oferite de producători și autoritățile naționale sunt chiar mai mari decât cele pe care le primesc cumpărătorii de mașini electrice alimentate prin baterii, chiar și atunci când facem comparația cu România, care oferă cel mai generos bonus de achiziție: 45.000 lei, echivalentul a peste 9.000 de euro.
Producătorii asiatici precum Toyota și Hyundai continuă să investească sume semnificative în dezvoltarea de mașini electrice alimentate cu hidrogen.
Și s-ar putea să fii surprins, dar nu sunt singurii. BMW construiește în prezent o nouă uzină în Decebren (Ungaria), care urmează să fie finalizată în 2024 și să fie dedicată doar vehiculelor fără emisii dezvoltate pe o nouă platformă, Neue Klasse. Constructorul german a confirmat recent că platforma va permite inclusiv dezvoltarea unor modele electrice alimentate cu hidrogen.
“În opinia noastră, hidrogenul este piesa lipsă din puzzle-ul care poate completa electromobilitatea acolo unde mașinile electrice pe baterii nu câștiga teren. Ne putem imagina un sistem cu hidrogen pentru această nouă platformă”, spune CEO-ul Oliver Zipse.
De altfel, spre finalul acestui an, BMW va începe producția limitată a unui model electric alimentat cu hidrogen bazat pe X5, și anume iX5 Hydrogen, care a fost prezentat în stadiu de concept la Salonul Auto de la Munchen din 2021.
Și germanii nu sunt singurii, întrucât Renault a prezentat recent un concept Scenic Vision alimentat cu hidrogen. În schimb, rivalii tradiționali de la Mercedes par deja că abandonat lupta, întrucât au întrerupt dezvoltarea SUV-ului GLC F-Cell.
Totuși, hidrogenul care ajunge acum în rezervoarele lui Mirai sau Nexo este obținut printr-un proces care poluează atmosfera cu dioxid de carbon și are o eficiență energetică extrem de scăzută înainte de a ajunge la stațiile de încărcare. Iar asta s-ar putea dovedi pur și simplu o nucă prea tare de spart pentru industria auto, în ciuda optimismului arătat de Toyota, Hyundai sau BMW.
Prin urmare, lupta între mașinile electrice alimentate cu hidrogen și cele care utilizează baterii Li-Ion pare deja tranșată. Iar aici, pe parcursul întregii durate de viață, mașinile electrice pe baterii sunt mai puțin poluante comparativ cu mașinile cu motoare termice.
În plus, pe termen lung, este de așteptat ca inginerii să pună la punct alternative mai eficiente la bateriile Li-Ion, cum ar fi bateriile solid-state sau bateriile bazate pe sodiu, care să ofere, în primul rând, autonomii mai mari.
Nu în ultimul rând, un alt aspect important este legat de reciclarea bateriilor, iar progresele realizate în acest domeniu ne fac de asemenea să sperăm că, într-un viitor nu prea îndepărtat, mașinile electrice cu baterii vor fi chiar mai puțin dăunătoare mediului decât în prezent.
Foto principală: Dreamstime
