Υδρογόνο εναντίον ηλεκτροκίνησης: Ποια τεχνολογία έχει το πάνω χέρι;

Με την ηλεκτροκίνηση να διαθέτει ένα φανερό προβάδισμα ως η καταλληλότερη λύση για τις μεταφορές μηδενικών ρύπων, τίθεται από πολλούς το ερώτημα αν το κάποτε πολλά υποσχόμενο υδρογόνο μπορεί να πραγματοποιήσει μια θριαμβευτική επάνοδο. Ευκαιρία, λοιπόν, να πραγματοποιήσουμε μια εφ’ όλης της ύλης αντιπαράθεση ανάμεσα στις δύο αυτές επιλογές, που αμφότερες φιλοδοξούν να μηδενίσουν το ανθρακικό αποτύπωμα των μετακινήσεων.

Κατ’ αρχάς να διευκρινίσουμε πως στο συγκεκριμένο debate μεταξύ των δύο τεχνολογιών, η λύση του υδρογόνου εξετάζεται μόνο ως «καύσιμο» σε οχήματα που φέρουν ενεργειακές κυψέλες, και όχι ως υποκατάστατο για τους κλασικούς θερμικούς κινητήρες, καθώς στην περίπτωση αυτή η απόδοσή του είναι ιδιαίτερα χαμηλή.

Αξίζει επίσης να διευκρινίσουμε ότι ένα αυτοκίνητο που κινείται με ενεργειακές κυψέλες είναι κι αυτό ένα ηλεκτρικό όχημα, που για ευκολία θα το αναφέρουμε ως FCEV (Fuel Cell Electric Vehicle), ενώ BEV (Battery Electric Vehicle) είναι η αντίστοιχη συντομογραφία για ένα τυπικό ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Αμφότερα τα οχήματα κινούνται από ένα ηλεκτρικό μοτέρ, απλώς στο BEV η απαραίτητη ενέργεια για την κίνησή του αποθηκεύεται σε μια μεγάλη μπαταρία, τη στιγμή που στο FCEV η ενέργεια προέρχεται από το αποθηκευμένο υδρογόνο, που, διοχετευόμενο πάνω σε μια μεμβράνη ανταλλαγής πρωτονίων, παράγει ηλεκτρικό ρεύμα και καθαρό νερό, το οποίο και αποδίδεται στο περιβάλλον.

Έτσι, σε σχέση με τα αμιγώς ηλεκτρικά, τα FCEV διαθέτουν μια πολύ μικρότερη μπαταρία, η οποία απλώς χρησιμεύει για την εξασφάλιση αμεσότερης απόκρισης όταν ο οδηγός πατήσει το δεξί πεντάλ, μέχρι η κυψέλη υδρογόνου να αρχίσει να παράγει ρεύμα.

Ας εξετάσουμε ξεχωριστά, λοιπόν, τι έχει να προσφέρει σήμερα κάθε τεχνολογία σε όλους εκείνους τους κρίσιμους τομείς για έναν υποψήφιο αγοραστή.

Οι φιάλες αποθήκευσης του υδρογόνου στο Mirai είναι αρκετά ογκώδεις,

Αυτονομία

Πριν από μία δεκαετία, το υδρογόνο φιγούραρε ως η τελική λύση για τις μετακινήσεις μηδενικών ρύπων, καθώς τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα, με την εμβέλεια που εξασφάλιζαν τότε και τις περιορισμένες υποδομές φόρτισης, προσφέρονταν μόνο για διαδρομές μέσα στα όρια της πόλης. Το πρώτο Nissan Leaf, για παράδειγμα, το 2010 προσέφερε μια πραγματική εμβέλεια περί τα 150 χλμ., όταν σήμερα η αντίστοιχη τιμή ενός μικρομεσαίου ηλεκτρικού μοντέλου μπορεί να ξεπερνάει τα 300 χλμ., ενώ σε κάποιες περιπτώσεις οι τιμές αυτονομίας ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου φτάνουν σε εντυπωσιακά επίπεδα, όπως τα 676 χλμ. της Mercedes EQS 450. Μπορεί στον αυτοκινητόδρομο να μην επιβεβαιώνονται οι συγκεκριμένοι αριθμοί, εντούτοις ένα υδρογονοκίνητο δεν κάνει πλέον τη διαφορά στις τιμές αυτονομίας, όταν για παράδειγμα το Toyota Mirai, που οδηγήσαμε πρόσφατα στο Βέλγιο, υποσχόταν μεν 650 χλμ. με ένα γέμισμα του ρεζερβουάρ, αλλά η τελική τιμή της εμβέλειας διαμορφώθηκε κοντά στα 465 χλμ. Φυσικά, τα ογκώδη ρεζερβουάρ που διαθέτει το Mirai δε θα μπορούσαν να ενσωματωθούν σε ένα αυτοκίνητο πόλης, οπότε στην περίπτωση αυτή το υδρογόνο θα προσέφερε μια πολύ πιο περιορισμένη ακτίνα δράσης. Αξίζει επίσης να επισημάνουμε ότι το μέγεθος αλλά και το μεγάλο βάρος ενός τέτοιου ρεζερβουάρ δεν προβλέπεται να μειωθεί σημαντικά στο μέλλον, καθώς πρέπει να αντέχει στην εξαιρετικά υψηλή πίεση (700 bar), στην οποία φυλάσσεται το υδρογόνο.

Από την άλλη, η υφιστάμενη τεχνολογία μπαταριών εξελίσσεται με τέτοιο ρυθμό, ώστε κάθε πέντε χρόνια διπλασιάζεται η ενεργειακή πυκνότητα των συσσωρευτών, ή με άλλα λόγια εξασφαλίζεται διπλάσια αυτονομία για τον ίδιο όγκο μπαταριών.

Πρατήριο ανεφοδιασμού για οχήματα που κινούνται με υδρογόνο.

Ανεφοδιασμός

Παρ’ ότι οι χρόνοι φόρτισης των καινούργιων ηλεκτρικών αυτοκινήτων περιορίζονται χρόνο με το χρόνο χάρη στους ισχυρότερους on–board φορτιστές τους, για την επίτευξη ενός πιο σύντομου ανεφοδιασμού απαιτείται αντίστοιχα ένα δίκτυο ταχυφορτιστών μεγάλης ισχύος. Όμως και πάλι, υπολογίστε μια στάση της τάξης των 30 λεπτών για μια φόρτιση έως το 80% της μπαταρίας. Όσο, μάλιστα, αυξάνεται η χωρητικότητα μιας μπαταρίας, αντίστοιχα αυξάνεται και ο χρόνος για τη φόρτισή της. Εναλλακτική λύση είναι αυτή της εναλλαγής των μπαταριών σε ειδικούς σταθμούς, σαν αυτούς που διαθέτει η κινέζικη Nio, ώστε μέσα σε 5 λεπτά μπορείς να συνεχίσεις το ταξίδι σου με μια φορτισμένη μπαταρία, λύση όμως που δεν προκρίνουν οι υπόλοιποι κατασκευαστές. Την ίδια στιγμή ο χρόνος ανεφοδιασμού ενός υδρογονοκίνητου οχήματος υπολογίζεται σε 3 με 4 λεπτά, οπότε στην προκειμένη περίπτωση το υδρογόνο διαθέτει ένα σαφές προβάδισμα.

Παρ’ ότι ο ανεφοδιασμός ενός υδρογονοκίνητου οχήματος μπορεί να επιτευχθεί σε πολύ μικρότερο χρόνο από εκείνον ενός ηλεκτρικού, δεν μπορεί να παραγνωριστεί το ζήτημα του πολύ περιορισμένου δικτύου ανεφοδιασμού, που στην περίπτωση της Ευρώπης μόλις που περνάει τα 150 σημεία. Αυτό αφενός έχει να κάνει με τον πολύ μικρό υφιστάμενο στόλο υδρογονοκίνητων οχημάτων, αλλά κυρίως με το δυσανάλογα υψηλό κόστος για τη δημιουργία ενός πρατηρίου υδρογόνου, καθώς το καύσιμο πρέπει να διατηρείται σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία και υπό εξαιρετικά υψηλή πίεση. Προβλήματα αντίστοιχα υπάρχουν και στη μεταφορά του καυσίμου, καθώς, υπό κανονικές συνθήκες, το υδρογόνο βρίσκεται σε αέρια μορφή, οπότε για την αποθήκευση και τη μεταφορά του θα πρέπει να συμπιεστεί σε πάρα πολύ μεγάλη πίεση ή και να ψυχθεί σε εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες. Στα υπέρ του υδρογόνου, σημειώστε τη δυνατότητα δημιουργίας ενός σταθμού ανεφοδιασμού σε μια απομακρυσμένη περιοχή, τη στιγμή που για την τοποθέτηση ενός φορτιστή ηλεκτρικών οχημάτων, πρέπει να υπάρχει κοντά η κατάλληλη υποδομή παροχής ηλεκτρικής ενέργειας.

Εντούτοις, κανείς δεν πρέπει να αμφισβητήσει ότι η ηλεκτροκίνηση έχει κάνει ήδη κάποια σημαντικά βήματα για τη δημιουργία ενός ικανοποιητικού δικτύου, που σήμερα στην Ευρώπη μετράει περί τα 350.000 σημεία φόρτισης. Προκειμένου όμως να καλυφθούν οι μελλοντικές ανάγκες των ηλεκτροκίνητων οχημάτων, ο αριθμός αυτός θα πρέπει να φτάσει τα 3,4 εκατομμύρια το 2030, κάτι το οποίο σημαίνει ότι ο ρυθμός εγκατάστασης νέων φορτιστών πρέπει από 2.000 την εβδομάδα να ανέβει κοντά στις 10.000.

Μέγεθος – βάρος

Παρ’ ότι η τεχνολογία των συσσωρευτών ιόντων λιθίου θεωρείται σήμερα η βέλτιστη επιλογή για την τροφοδοσία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, η ενεργειακή πυκνότητα των μπαταριών φτάνει μόλις το 1% εκείνης της βενζίνης ή του πετρελαίου. Μπορεί ο ηλεκτροκινητήρας να διαθέτει ένα σημαντικά υψηλότερο βαθμό απόδοσης σε σχέση με έναν θερμικό, όμως και πάλι οι απαραίτητες μπαταρίες για την εξασφάλιση μιας ικανής αυτονομίας καταλαμβάνουν έναν σημαντικό όγκο. Εντούτοις, επειδή αυτές διευθετούνται στο δάπεδο, ακριβώς κάτω από τους επιβάτες, είναι κάτι που τελικά δεν επιβαρύνει χωροταξικά τις ηλεκτρικές κατασκευές. Από την άλλη, αυτό που δεν μπορεί να παραγνωριστεί είναι το βάρος τους, που σε ένα μέσο αυτοκίνητο κυμαίνεται κοντά στα 500 κιλά.

Όσο για το υδρογόνο, διαθέτει σε σχέση με τα συμβατικά καύσιμα μεγαλύτερη ενεργειακή πυκνότητα με βάση τη μάζα του, κάτι που θεωρητικά εξασφαλίζει μεγαλύτερη αυτονομία, εντούτοις για τη μεταφορά ικανής ποσότητας υδρογόνου μέσα σε ένα ρεζερβουάρ θα χρειαστεί να συμπιεστεί σε πολύ υψηλή πίεση. Έτσι, τα ρεζερβουάρ των υδρογονοκίνητων αυτοκινήτων αποθηκεύουν κατά περίπτωση το καύσιμο με πίεση 700 ή 350 bar (στα βαρέα οχήματα), κάτι που δημιουργεί ιδιαίτερες απαιτήσεις ως προς την κατασκευή των ρεζερβουάρ. Το αναγκαστικά κυλινδρικό τους σχήμα δεν είναι εύκολο να προσαρμοστεί χωροταξικά μέσα σε ένα αυτοκίνητο. Για παράδειγμα, στην περίπτωση του Mirai, οι τρεις δεξαμενές καυσίμου καταλαμβάνουν μέρος του πορτ μπαγκάζ, αφήνοντας μόλις 273 λίτρα για τη μεταφορά αποσκευών, ενώ το κεντρικό τούνελ έχει για την περίσταση τόσο διογκωθεί, που φτάνει περί τα 5 εκατοστά από τη βάση του καθίσματος. Το δεδομένο της υψηλής πίεσης στην οποία φυλάσσεται το καύσιμο, αλλά και οι σχετικές προδιαγραφές ασφαλείας, καθώς το υδρογόνο είναι ιδιαίτερα εύφλεκτο, δεν αφήνουν μεγάλα περιθώρια ώστε στο μέλλον να συρρικνωθούν σημαντικά οι διαστάσεις των ρεζερβουάρ.

Κόστος απόκτησης

Πριν από μερικά χρόνια το κόστος των ενεργειακών κυψελών ήταν εξαιρετικά υψηλό, οπότε οι εφαρμογές στα αυτοκίνητα αφορούσαν ως επί το πλείστον κάποιον περιορισμένο στόλο οχημάτων, κατά βάση πειραματικού χαρακτήρα. Ακόμα και σήμερα, τα δύο μοναδικά μοντέλα που κυκλοφορούν στην Ευρώπη, το Hyundai Nexo και το Toyota Mirai, απευθύνονται σε πιο περιορισμένο κοινό -κατά βάση εκείνο των εταιρικών πωλήσεων-, καθώς διαθέτουν τιμές κοντά στα 60.000 ευρώ. Για το επόμενο διάστημα αναμένεται η γκάμα των υδρογονοκίνητων μοντέλων να εμπλουτιστεί με τα BMW iX5 Hydrogen και Honda CR–V Hydrogen, που όμως κι αυτά αναμένεται να κινηθούν στο ίδιο επίπεδο τιμής.

Από την άλλη, σήμερα πλέον βρίσκεις ηλεκτρικά μοντέλα σε κάθε μέγεθος και κατηγορία τιμής, από το Citroen Ami (που χωρίς επιδότηση ξεκινάει κάτω από τα 10.000 ευρώ) μέχρι εξωπραγματικά hypercar. Κρίσιμη για την εξάπλωση της ηλεκτροκίνησης θα είναι η εξέλιξη τιμών στις δημοφιλείς κατηγορίες B και C, όπου οι Κινέζοι κατεβαίνουν πλέον με φροντισμένες ηλεκτρικές κατασκευές σε τιμές που, σε συνδυασμό με τις σχετικές επιδοτήσεις, μπορούν να ανταγωνιστούν τις τιμές των συμβατικών αυτοκινήτων.

Κόστος χρήσης

Στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, το κόστος φόρτισης ποικίλλει ανάλογα με το αν αυτή πραγματοποιείται οικιακά ή σε δημόσιο φορτιστή, με την ταχυφόρτιση μάλιστα να διαθέτει την υψηλότερη χρέωση. Σε κάθε περίπτωση, όμως, το κόστος για ένα «φουλάρισμα» παραμένει φθηνότερο έως πολύ φθηνότερο σε σχέση με την τυπική επίσκεψη στο πρατήριο. Όσο για την τιμή του υδρογόνου, αυτή εν γένει επιδοτείται έτσι ώστε το χιλιομετρικό κόστος να είναι αντίστοιχο της χρήσης ενός συμβατικού καυσίμου.

Άραγε, στο κόστος χρήσης ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου θα πρέπει να συνυπολογιστεί και αυτό της πιθανής αντικατάστασης της μπαταρίας; Αξίζει να σημειώσουμε πως ήδη τα 8 χρόνια εγγύησης που οι περισσότεροι κατασκευαστές παρέχουν σήμερα για την μπαταρία των ηλεκτρικών μοντέλων δεν αναμένεται να προβληματίσουν τον μέσο αγοραστή ενός αυτοκινήτου, ενώ το μέλλον διαγράφεται πιο αισιόδοξο για την εξέλιξη της αντοχής των μπαταριών. Ήδη η Lexus στο UX300e δίνει εγγύηση 10 ετών ή 1 εκατομμυρίου χιλιομέτρων(!), ενώ οι συσσωρευτές στερεάς κατάστασης, που θα διαδεχθούν τις σημερινές μπαταρίες, θα είναι σε θέση να προσφέρουν εγγύηση καλής λειτουργίας ακόμα και εφ’ όρου ζωής.

Τι διάρκεια ζωής όμως έχουν οι ενεργειακές κυψέλες; Καθώς η εμπειρία των χρηστών είναι πολύ πιο περιορισμένη, το μόνο που μπορούμε να αναφέρουμε είναι πως η Toyota υποστηρίζει ότι οι ενεργειακές κυψέλες θα λειτουργούν απρόσκοπτα για όλη τη διάρκεια ζωής του Μirai, και προσφέρει εγγύηση καλής λειτουργίας 100.000 χιλιομέτρων.

Περιβαλλοντικό αποτύπωμα

Μπορεί τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα να μην εκπέμπουν CO2, εντούτοις η κατασκευή της μπαταρίας περιλαμβάνει μια σειρά από υλικά που επιβαρύνουν το ανθρακικό της αποτύπωμα. Πάντως η μετάβαση σε μπαταρίες στερεάς κατάστασης θα περιορίσει κοντά στο 40% το εν λόγω αποτύπωμα.

Από την άλλη, τα FCEV, που διαθέτουν μια σημαντικά μικρότερη μπαταρία, επιβαρύνουν πολύ λιγότερο το περιβάλλον στη φάση της κατασκευής, εντούτοις στη χρήση η απόδοσή τους (συνυπολογίζοντας την ενέργεια που δαπανάται για την παραγωγή του υδρογόνου) είναι πρακτικά η μισή σε σχέση με εκείνη των αμιγώς ηλεκτρικών. Πιο αναλυτικά, η παραγωγή οικολογικού (πράσινου) υδρογόνου με ηλεκτρόλυση διαθέτει ένα βαθμό απόδοσης 75%. Το υδρογόνο στη συνέχεια πρέπει να συμπιεστεί, ψυχθεί και μεταφερθεί, που αντιστοιχεί σε ακόμα μία απώλεια, της τάξης του 10%. Η μετατροπή του υδρογόνου στις ενεργειακές κυψέλες σε ηλεκτρικό ρεύμα έχει απόδοση 60%, πάνω στο οποίο πρέπει να συνυπολογίσετε μια απώλεια 5% για τη μετατροπή σε κινητική ενέργεια, με το συνολικό βαθμό απόδοσης να διαμορφώνεται στο 38%. Συνυπολογίστε επίσης το γεγονός ότι σήμερα το 95% του υδρογόνου παράγεται από ορυκτά καύσιμα.

Τέλος, ένα θέμα που πολλοί θίγουν είναι αυτό της δυνατότητας ανακύκλωσης των μπαταριών ιόντων λιθίου. Κατ’ αρχάς θα πρέπει να διευκρινίσουμε ότι όταν κριθεί ακατάλληλη μια μπαταρία για την κίνηση ενός αυτοκινήτου, αυτή θα διαθέτει ακόμα περίπου το 70% της αρχικής της χωρητικότητας, οπότε θα μπορεί στη συνέχεια να αξιοποιηθεί για οποιεσδήποτε ανάγκες αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας. Από εκεί και πέρα, η δυνατότητα ανακύκλωσης των συγκεκριμένων μπαταριών φτάνει σήμερα στο 95%.

Συνοψίζοντας, θα μπορούσαμε να πούμε πως τα FCEV έχουν ένα προβάδισμα ως προς το ανθρακικό τους αποτύπωμα στην κατασκευή και την ευκολία ανακύκλωσής τους, όμως είναι λιγότερο αποδοτικά στη χρήση.

Κινητήρας με ενεργειακές κυψέλες για χρήση σε βαρέα οχήματα.

Δηλώσεις και παρασκηνιακές κινήσεις

Πολλοί προσπαθούν να κατανοήσουν ποια τεχνολογία είναι η πιο πρόσφορη, μέσα από δηλώσεις στελεχών της αυτοκινητοβιομηχανίας, όμως δε θα πρέπει να ξεχνάμε ότι κάθε τέτοια δήλωση έρχεται να υποστηρίξει συγκεκριμένες στρατηγικές και συμφέροντα, και υπό αυτό το πρίσμα θα πρέπει να αξιολογούνται.

Έτσι, για παράδειγμα, τις κυψέλες καυσίμου υδρογόνου έχουν επικρίνει αξιόλογες προσωπικότητες του κλάδου, όπως ο Διευθύνων Σύμβουλος της Tesla, Ίλον Μασκ, και ο Διευθύνων Σύμβουλος της Volkswagen, Χέρμπερτ Ντις. Το πράσινο υδρογόνο, θεωρούν, είναι απαραίτητο για τη λειτουργία της βιομηχανίας, την παραγωγή χάλυβα, χημικών κτλ., και δεν πρέπει να καταλήγει στα αυτοκίνητα, όντας ακριβό και αναποτελεσματικό για τη συγκεκριμένη χρήση.

Από την άλλη, τόσο η Toyota όσο και η Hyundai συνεχίζουν εδώ και χρόνια να αναπτύσσουν την τεχνολογία των ενεργειακών κυψελών. Ωστόσο, αξίζει να επισημάνουμε ότι ο Κορεάτης κατασκευαστής δε σταμάτησε ποτέ να επενδύει στην παραγωγή ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Αντίθετα, η Toyota, αν και πρωτοστάτησε στην καθιέρωση της υβριδικής τεχνολογίας, η οποία θεωρητικά θα μπορούσε να αποτελέσει προπομπό των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, εντούτοις προτίμησε να ποντάρει στην υδρογονοκίνηση, αγνοώντας το γεγονός ότι το μεγαλύτερο μέρος της βιομηχανίας κινούνταν με διαφορετικό τρόπο. Κάποιοι θεώρησαν επί σειρά ετών ότι η επικριτική στάση της Toyota απέναντι στην ηλεκτροκίνηση δεν ήταν παρά ένας ελιγμός ώστε να κερδίσει τον απαραίτητο χρόνο για να αναπτύξει τη σχετική τεχνολογία, κάτι που επιβεβαιώνεται πλέον μέσα από το σχέδιο ανάπτυξης τριάντα ηλεκτρικών μοντέλων μέχρι το 2030, που εξήγγειλε πέρυσι.

Στo υδρογονοκίνητο λεωφορείο Mercedes-Benz Citaro το συμπιεσμένο καύσιμο είναι αποθηκευμένο σε φιάλες τοποθετημένες στην οροφή του αυτοκινήτου. Η αυτονομία του αγγίζει τα 200 χλμ. και η μέγιστη ταχύτητά του τα 80 χλμ./ώρα.

Υδρογόνο vs ηλεκτροκίνηση: Κάνοντας ταμείο

Ενώ οι κυψέλες υδρογόνου προσφέρουν μια καθαρή ενέργεια για τον τομέα των μεταφορών, η τεχνολογία είναι επί του παρόντος ακριβή, οι υποψήφιοι αγοραστές έχουν ελάχιστες επιλογές, ενώ δεν πρέπει να παραγνωριστεί το πρόβλημα των περιορισμένων υποδομών ανεφοδιασμού. Τα ογκώδη ρεζερβουάρ υδρογόνου καθιστούν τη συγκεκριμένη λύση περισσότερο συμβατή με τα βαρέα οχήματα, όπως επίσης με τα πλοία ή τα τρένα.

Έτσι, προς το παρόν, τα αμιγώς ηλεκτρικά αυτοκίνητα παραμένουν η πιο προηγμένη εμπορικά και η πιο πρακτική επιλογή για τον περιορισμό του ανθρακικού αποτυπώματος των οδικών μεταφορών. Οι πωλήσεις ηλεκτρικών αυτοκινήτων γνωρίζουν πλέον μεγάλη ανάπτυξη, όπως και οι υποδομές φόρτισης. Μένει να δούμε αν ο ρυθμός διείσδυσης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι επαρκής ώστε να καλυφθούν οι περιβαλλοντικοί στόχοι που έχουν τεθεί και τι ανατροπές θα επιφέρει αυτή η ραγδαία μεταβολή του μοντέλου της αυτοκίνησης._ Μ. Σ.

ΦΩΤΟΓΡΑΦΙΕΣ: ΑΡΧΕΙΟ 4Τ, iSTOCK

Γραμμή τελικής συναρμολόγησης κινητήρων ενεργειακών κυψελών.