Kuro elementais varomi automobiliai techniniu požiūriu yra elektrinės transporto priemonės, kurios pačios gamina elektros energiją iš deguonies ir vandenilio. Nors vandenilio technologija kai kam vis dar atrodo esanti ateities perspektyva, „Hyundai“ vandeniliu varomi automobiliai jau yra gaminami, o „Toyota“ savo pirmąjį vandenilio kuro elemento automobilį „Mirai“ išleido 2014 m. pabaigoje Japonijoje, prekybą JAV rinkoje pradėdama 2015 metais.
Vandeniliu varomų automobilių technologija
Vandenilio degalų elementais varomi elektromobiliai - ekologiškesnis mobilumo sprendimas, nes pro išmetimo vamzdį išleidžia tik gryną vandenį. Ši technologija gamina elektrą, degalų elementų pakete vykstant cheminei reakcijai tarp vandenilio ir deguonies. Automobilis varomas vandeniliu, kuris pumpuojamas panašiai kaip benzinas arba dyzelinas.
Kuro elementų sistema
Varikliui varyti reikalingą elektrą gaminančios kuro elementų sistemos dar vadinamos „tretiniu akumuliatoriumi“. Kuro elementų baterijoje pagamintą ir aukštos įtampos akumuliatoriuje sukauptą elektros energiją variklis paverčia kinetine energija. Paleidus automobilį, degalų bake laikomas vandenilis degalų elemento viduje susilieja su oru, įtrauktu pro įsiurbimo angą. Vandeniliu varomi automobiliai vietoje vidaus variklio turi vandenilio kuro elementą - įrenginį, kuriame jungdamasis su deguonimi iš oro, vandenilis virsta vandeniu (vienintelis išmetimas) ir generuoja elektros energiją, kuri savo ruožtu maitina elektros variklį, sukantį ratus.
Šiuose automobiliuose yra ir mažos talpos akumuliatorius (kaip hibriduose). Jis tiekia energiją elektros varikliui greitai akseleruojant, kadangi kuro elementui užtrunka „įsibėgėti“. Taip pat toks akumuliatorius leidžia naudoti regeneratyvinį stabdymą - įjungus stabdžius ir automobiliui lėtėjant, susidaranti energija nėra prarandama, o panaudojama.
Vandenilio saugojimas ir pildymas
Vandenilis saugomas dviejose arba trijose talpose (visuose modeliuose bendras talpų tūris yra apie 140 kubinių litrų) dideliame slėgyje (700 bar). „Hyundai“ vandenilio bakai pagaminti iš anglies pluoštu sustiprinto plastiko, o jų vidinį paviršių dengia plonas poliamido (nailono) įdėklas. Inžinieriai deda daug pastangų patikimai aukšto slėgio vandenilio talpyklai sukurti. „Toyota“ daugiasluoksniai vandenilio balionai yra itin gerai apsaugoti. Transportui skirto vandenilio kainos nurodomos kilogramais. Pavyzdžiui, Vokietijoje vienas kilogramas vandenilio paprastai kainuoja apie 9,50 euro. Vandenilio kaina Rygoje (artimiausia vandenilio kolonėlė) šio teksto rašymo metu buvo 15,94 Eur/kg.
Pagrindinis tokios sistemos privalumas - galimybė automobilį užpildyti vandenilio dujomis per kelias minutes, t. y. ženkliai trumpiau, jei lygintume su elektromobilių įkrovimo laiku. Pavyzdžiui, „NEXO“ užpildomas vandeniliu per penkias minutes. „Toyota Mirai“ užpildymas trunka vos nuo 3 iki 5 minučių.
Kaip JUS MULKINA per JAV aukcionus: Tarpininkų apgavystės (+ kaip to išvengti)
Ekologiškumas ir emisijos
Toyota revoliucinė vandenilio degalų elementais varomų elektromobilių technologija kelyje užtikrina nulines emisijas. Vandenilinės transporto priemonės yra ekologiškas pasirinkimas, nes išmeta tik vandens garus. Vandenilis sudaro 70 % materijos žinomoje visatoje, ir jį naudoti yra saugiau nei benziną arba dyzeliną.
Kaip ir akumuliatorinių elektromobilių atveju, vandenilinių automobilių ekologiškumas taip pat priklauso nuo to, ar naudojama atsinaujinanti energija vandenilio gamybai.
Skirtumai nuo baterijinių elektromobilių
Įprastiems elektromobiliams energiją tiekia baterija, kuriai išsekus ją reikia įkrauti, tuo tarpu vandenilio degalų elementais varomi elektromobiliai gamina elektrą degalų elementų pakete vykdydami cheminę reakciją. Vandenilinės transporto priemonės nėra įkraunamos taip, kaip baterijose įkrautą energiją naudojantys elektromobiliai.
Vandenilio transporto priemonės ir jų plėtra
Vandenilinė transporto priemonė - tai transporto priemonė, kuri naudoja iš vandenilio išgautą energiją judėjimui. Tokiose transporto priemonėse esančios jėgainės paverčia vandenilio cheminę energiją į mechaninę energiją deginant vandenilį vidaus degimo varikliuose arba cheminės reakcijos metu jungiant vandenilį su deguonimi degalų elemente panaudojant išgautą elektrą elektromobilių motoruose.
Lengvieji automobiliai
Nuo 2015 metų jau galima įsigyti vandeniliu varomų serijinių automobilių. Šiuo metu galima įsigyti du naujus vandeniliu varomus automobilius - antros kartos „Toyota Mirai“ ir „Hyundai Nexo“. Apskritai egzistuoja 4 vandeniliu varomi automobilių modeliai, kuriuos galima įsigyti - „Hyundai ix35 FCEV“ („Tucson FCEV“ JAV rinkoje), „Hyundai Nexo“, „Toyota Mirai“ JPD10, „Toyota Mirai“ JPD20. Minėtini ir „Honda Clarity FCEV“ bei „Mercedes-Benz GLC F-Cell“, tačiau juos buvo galima naudoti tik išperkamosios nuomos būdu JAV ir Vokietijoje atitinkamai.
„Hyundai Tucson FCEV“ buvo pirmas komercinis masiškai gaminamas vandenilio kuro elementų automobilis pasaulyje (2013 m.). „Hyundai Nexo“, kuris pakeitė „Tucson“ modelį 2018 m., buvo išrinktas saugiausiu visureigiu „Euro NCAP“ 2018 m. „Toyota Mirai“ automobilis gali nuvažiuoti iki 502 kilometrų, o įkrovimas vandenilio kuro elemento užtrunka iki 5 minučių. Vienu užpildymu visi minėti vandeniliniai automobiliai gali nuvažiuoti 500-600 km. Talpose telpa 5-6 kg vandenilio.
Sunkiosios transporto priemonės
Netolimoje ateityje vandenilis tikriausiai padės sunkiasvorėms transporto priemonėms pasiekti nulinę emisiją. „Hyundai H2 XCIENT Fuel Cell“ sunkvežimyje panaudota naujausia vandenilio technologija sunkiajam transportui. Šis keturašis 18 tonų vilkikas su priekaba nuvažiuoja apie 400 km su viena degalų įkrova. Septyniuose sunkvežimio vandenilio bakuose iš viso telpa 32,09 kg suslėgto vandenilio.
Viešasis transportas
Viešajame transporte aktyviausiai daromi nauji bandymai su vandeniliu. Nuo 1991 m. pasaulio keliuose pasirodė keli šimtai vandenilį naudojančių autobusų. Didžioji dalis jų JAV ir Europos keliuose. Vandenilio kuro elementų autobusai pasiekė aukštą technologinį lygį, tačiau dar vis nėra komerciškai paklausūs. Jų gamybos kaina siekia apie milijoną dolerių (900 000 eurų), o dyzelinių autobusų kainos siekia apie 220 000 eurų.
Pramoniniai krautuvai
Šakiniai krautuvai „HICE forklift“ ir „HICE lift truck“ yra pramoniniai krautuvai, naudojami įvairių prekių iškrovimui, pervežimui, pakrovimui sandėliuose. Dauguma kompanijų JAV ir Europoje nenaudoja iškastinio kuro šakinių krautuvų sandėliuose, kuriose dirba žmonės, kadangi transporto priemonės yra naudojamos viduje ir jų išmetamos emisijos turi būti kontroliuojamos. Sandėliuose kaip alternatyva paplito elektriniai, vandenilio vidaus degimo ir vandenilio kuro elemento tipo krautuvai. Standartiškai ilgas elektros baterijų įkrovimo laikas lėmė, kad vandenilio vidaus degimo varikliai tapo geriausiu sprendimu, nes jų įkrovimo laikas užtrunka tik 3 minutes.
Kosmoso tyrinėjimai
Vandenilinės transporto priemonės yra tiek kosmoso tyrinėjimuose naudojamos raketos, tiek automobiliai, autobusai ar kitos transporto priemonės. Didžiosios raketos naudoja suskystintą vandenilį kaip kurą, o suskystintą deguonį kaip katalizatorių. Vandenilinės raketos pranašumas yra greitas, efektyvus išpurškimo greitis, lyginant su kerosino varikliu. Pagal Ciolkovskio raketų lygtį, raketa su didesniu išpurškimo greičiu sunaudoja mažesnį kuro kiekį įgyjant greitį. Didžiausias trūkumas tokių raketų yra mažas tankis ir reikalinga žema temperatūra suskystintam vandeniliui, kas savaime reiškia didesnes talpas ir reikalingą geresnę izoliaciją. Tai padidina raketos struktūros dydį, taip pat didelis trūkumas yra suskystinto vandenilio laikymo sąlygos pačioje raketoje. Termodinamikos dėsniai lemia, tai kad suskystintas vandenilis negali būti laikomas ilgą laiką degalų saugyklose, dėl nuolatinio temperatūros didėjimo, todėl raketos turi būti aprūpinamos vandeniliu prieš pat raketos paleidimą.
Vandenilio infrastruktūra ir gamyba
Vandenilio gamyba
Vandenilis yra labiausiai paplitęs cheminis elementas visatoje, tačiau svarbu, kad jis grynas praktiškai neegzistuoja ir yra būtina skaidyti jau esamus cheminius junginius tam, kad išgautume gryną vandenilį. Šis procesas reikalauja didelių energijos sąnaudų. Šiuo metu pasaulyje didžioji vandenilio dalis yra pagaminama skaidant gamtines dujas ir į aplinką išskiriant didelius kiekius CO2. Toks vandenilis vadinamas pilkuoju. Svarbesnis ateičiai yra žaliasis vandenilis, kuris gaunamas vykdant vandens elektrolizę ir naudojant atsinaujinančius energijos šaltinius (nėra jokios CO2 emisijos). Tokio vandenilio gavybai AB „Achema“ vykdo daugiau nei 300 mln. eurų vertės projektą.
Vandenilio infrastruktūrą sudaro vandenilio stotys, vandenilio išgryninimo gamyklos, transportavimo priemonės ir vandenilio dujotiekio vamzdžiai.
Degalinių tinklas ir kainos
Vandenilinių automobilių daugiausiai yra JAV Kalifornijos valstijoje, Pietų Korėjoje, Japonijoje ir Vokietijoje. Tai galima paaiškinti ten esančiu vandenilio kolonėlių tinklu. 2018 metais Jungtinėse Amerikos Valstijose buvo 40 vandenilio papildymo degalinių, iš kurių dauguma Kalifornijoje, palyginus su 19 000 elektromobilių įkrovimo stočių.
Pasaulinės politikos iniciatyvos
Japonijos iniciatyva pradėta vykdyti pasaulinė vandenilio politika, kuri gavo palaikymą iš 30 pasaulio valstybių energijos ministrų, kurie dalyvavo kasmetinėje vandenilio konferencijoje Tokijuje. Rezoliucijoje siekiama per 10 metų įdiegti papildomai 10 000 naujų vandenilio įkrovimo stočių ir pagaminti iki 10 milijonų naujų transporto priemonių. Tarptautinė energetikos agentūra (IEA) 2019 m. liepos pranešime pirmą kartą skyrė didelį dėmesį vandenilio pramonei, kuriai išsivysčius pavyktų sumažinti pasaulinius anglies dioksido lygius.
Ekonominiai aspektai ir iššūkiai
Eksploatacinės išlaidos
Be įprastinių automobilio važiuoklės, stabdžių sistemų ir kt. priežiūros, vandeniliu varomiems automobiliams taip pat keičiami oro ir kuro elemento aušinimo skysčio (jonų) filtrai bei kuro elemento ir variklio aušinimo skysčiai. Oro filtras šiek tiek brangesnis už įprastus, nes naudojamas papildomas aktyvintos anglies sluoksnis cheminiams radikalams neutralizuoti. Kainos svyruoja tarp 30-75 Eur (priklausomai nuo automobilio) plius importo mokesčiai. Jonų filtro kaina yra apie 200 Eur plius importo mokesčiai.
Aptarnavimo intervalai „Hyundai Nexo“ yra 10 tūkst. km, kuomet keičiamas jonų filtras. Tuo tarpu antros kartos „Toyota Mirai“ intervalas jau yra 50 tūkst. km. „Hyundai Nexo“ naudoja du filtrus 60 tūkst. km arba 3 metų intervalais. Aušinimui naudojamas labai mažo laidumo aušinimo skystis, kurio keitimas, priklausomai nuo automobilio, numatytas vidutiniškai kas 50 tūkst. km. Skysčio kaina gali siekti iki 1 tūkst. Eur.
Šiems automobiliams taikomi ir kiti techniniai apribojimai, susiję su vandenilio talpomis - numatytas jų tarnavimo laikotarpis yra 15 metų nuo pagaminimo, be galimybės, praėjus 15 metų, atlikti jų patikrą ir naudoti toliau (kaip yra su gamtinių dujų balionais). Naujų talpų kaina yra 20-40 tūkst. Eur.
Automobilių kaina ir nusidėvėjimas
Pradinė „Toyota Mirai“ kaina Japonijoje siekė 7 milijonus jenų, o tai yra apie 69 000 Jungtinių Valstijų dolerių (2014 m.). Svarbu įvertinti, kad vandeniliniai automobiliai praranda iki 80 % savo vertės per 5 metus.
O ir pačių vandenilinių automobilių kaina išlieka nekonkurencinga, lyginant su kitų degalų rūšių transportu.
Infrastruktūros kaina ir „kiaušinio ir vištos“ problema
Lietuvos energetikos instituto pateikta vienos žaliojo vandenilio kolonėlės įrengimo kaina yra 3,9-4,4 mln. Eur. „Ignitis“ grupės (2021-06-10) duomenimis - 1,5 mln Eur. Dėl ypatingai didelės infrastruktūros kainos kyla didžiausias vandenilinių lengvųjų automobilių trūkumas. Nėra investuotojų, norinčių investuoti tokius pinigus, nes nėra automobilių, o automobiliai nėra paklausūs, nes nėra kur juos užpildyti vandeniliu. Ženklaus kolonėlių įrengimo kainos sumažėjimo artimiausiu metu tikėtis būtų naivu, nes tam reikalingos dar neišrastos technologijos.
Efektyvumo klausimas
Žaliojo vandenilio naudojimas lengvuosiuose automobiliuose kelia abejonių, nes viso vandenilio gavybos, perdavimo ir panaudojimo kuro elementuose proceso efektyvumas pradinio energijos kiekio atžvilgiu siekia tik iki 30 %. Bet, jei tą pačią pradinę energiją panaudotume tiesiogiai lengvajam elektromobiliui, efektyvumas gali būti didesnis nei 80 %.
Vandenilio technologijų ateitis Lietuvoje ir Pasaulyje
Situacija Lietuvoje
Vidutinis Lietuvos automobilių parko amžius - 16,2 metų (2023 m. „Regitros“ duomenimis). Šiuo metu Lietuvoje yra registruoti tik 2 vandeniliu varomi automobiliai („Toyota Mirai JPD10“ ir „Hyundai ix35 FCEV“). Kadangi nei vienas iš vandeniliu varomų automobilių neturi galimybės įkrauti akumuliatorių iš išorės, Lietuvoje jie nėra laikomi elektromobiliais ir registruojami kaip automobiliai su vidaus degimo varikliais, nors faktiškai ratus suka elektros variklis ir nėra jokios oro taršos.
Artimiausia vandenilio stotelė yra Rygoje, todėl norint važinėti Lietuvoje, automobilį pildymui reikia vežtis į Rygą. Rygos viešajame transporte yra naudojami vandeniliu varomi troleibusai, todėl pagrindinė infrastruktūra jau įrengta, o lengvųjų automobilių užpildymo galimybė padidina ekonominį projekto tvarumą. Svarbu žinoti, kad sunkiajame transporte naudojamas vandenilio slėgis yra 350 bar, o lengvuosiuose automobiliuose - 700 bar. Todėl sunkiojo transporto vandenilio kolonėlėje lengvieji automobiliai gali užsipildyti tik „pusę bako“.
Perspektyvos ir planai
Lietuvoje turime „Vandenilio sektoriaus plėtros Lietuvoje 2024-2030 metais gaires“, kurių įgyvendinimo priemonių planas turi būti parengtas iki šių metų birželio 30 dienos. Jose numatoma, kad iki 2026 metų galėtų būti pastatytos iki 5 vandenilio stotelių tiek lengvajam, tiek sunkiajam transportui. „Ignitis“ grupės 2021-06-10 parengtame dokumente „Vandenilio perspektyva Lietuvoje“ buvo planuojama, kad 2025 metais Lietuvoje bus 1000-3600 vandenilinių lengvųjų automobilių ir bus įrengtos 5-7 kolonėlės. Deja, panašu, kad ši perspektyva nepasitvirtins.
Pagal dabar galiojančią tvarką Lietuvoje, nuo 2030 m. nebebus galima registruoti naujo komercinio transporto su vidaus degimo varikliu. Galbūt tai ir yra galimybė vandenilio technologijai.
Pavyzdys: Norvegija
„Uno-X Hydrogen“, naujai įsteigta įmonė, Norvegijoje tapo pirmojo „Toyota Mirai“ savininke. „Mirai“ modelis, kurio pavadinimas, pažodžiui išvertus iš japonų kalbos, reiškia „ateitis“, yra pirmasis pasaulyje vandeniliu varomas sedanas. Elektros energija, kuria varomas automobilis, yra sukuriama naujo „Toyota“ patentuoto kuro elementų bloko bei aukšto slėgio vandenilio talpų dėka, išskiriant į orą vien vandenį. „Uno-X Hydrogen“ vandenilio gamybai naudos atsinaujinančią energiją. Pirmosiose 20 planuojamų stočių bus panaudota elektros energija, išgauta iš saulės kolektorių.
Norvegijos vyriausybė neseniai ne tik patvirtino paramą šalies vandenilio degalinių tinklui, ji taip pat įsteigė programas, kurių tikslas pasiekti 50000 vandeniliu varomų automobilių pardavimus iki 2025 metų. Programa siūlo daug privalumų, kad įsigyti vandeniliu varomą automobilį būtų dar patraukliau: šie automobiliai atleidžiami nuo registracijos mokesčio, pridėtinės vertės mokesčio, mokamų kelių ir keltų mokesčių, šiems automobiliams nemokamas parkavimas viešose automobilių stovėjimo aikštelėse, leidimas važiuoti tik autobusams skirtose kelio juostose, įmonės automobiliams taikoma tik pusė mokesčio.
„Toyota“ įsipareigojo sumažinti CO2 emisijas naujiems automobiliams net 90 % iki 2050 metų (palyginti su 2010 metų rodmenimis). Vandeniliu varomi automobiliai turės labai svarbią reikšmę norint pasiekti šiuos ambicingus tikslus. „Toyota Mirai“ pardavimai prasidėjo nuo 2015 metų, ir dabar jį galima įsigyti Japonijoje, Kalifornijoje, o Norvegija - penktoji Europos šalis, įskaitant Didžiąją Britaniją, Daniją, Vokietiją ir Belgiją, atstovaujanti pirmojo pasaulyje vandeniliu varomo sedano pardavimus.
tags: #automobiliai #varomi #vandeniliu