Seryjne modele pojazdów zasilanych wodorem mogą być dostępne już za dwa lata. Zastosowanie ogniw paliwowych pozwoli obniżyć emisję gazów cieplarnianych i uniezależnić się od dostawców metali rzadkich. Wyzwaniem pozostaje produkcja zielonego wodoru i wdrożenie nowoczesnych technologii produkcji ogniw paliwowych. Jak firmy motoryzacyjne z sektora ACES mogą wykorzystać doświadczenie zdobyte przy produkcji akumulatorów do samochodów elektrycznych?
Zrównoważona mobilności, kojarzy się głównie z samochodami elektrycznymi zasilanymi przez akumulatory. Ogniwa paliwowe i zasilanie wodorem traktowane są jako technologie uzupełniające. Mimo że mają duży potencjał obniżenia emisji CO₂ i sprawdzenia się na rynku. W technologii wodorowej potencjał widzi też europejski przemysł motoryzacyjny. Niedawne badanie Expleo pokazało, że 80% badanych producentów samochodów uważa pojazdy zasilane wodorem za bardziej przyjazne dla środowiska niż samochody elektryczne. Ponadto 64% z nich jest przekonanych, że pierwsze samochody zasilane wodorem gotowe do produkcji seryjnej pojawią się na rynku już w ciągu najbliższych dwóch lat.
Jak działają ogniwa paliwowe? W pojazdach napędzanych wodorem reakcja przebiega w następujący sposób: wodór (H₂) i tlen (O) są przekształcane w ogniwie paliwowym w energię elektryczną i wodę (H₂O). Uzyskiwana energia napędza silnik elektryczny. Dlatego samochody z ogniwami paliwowymi to również samochody elektryczne, chociaż nie wymagają ładowania akumulatora przed rozpoczęciem jazdy. Wymagana energia elektryczna może być generowana w samochodzie dzięki dostarczaniu H₂.
Dla dalszego rozwoju i wdrażania technologii wodorowej potrzeba jednak bardziej innowacyjnego podejścia producentów i dostawców, wsparcia ze strony polityków oraz inwestycji w lepszą infrastrukturę energetyczną. Ważny jest również fakt, że firmy z sektora ACES (z ang. autonomous driving, connectivity, electrification, and shared mobility – pojazdy autonomiczne, łączność, elektryfikacja i transport współdzielony) potrzebują wydajnych i przyszłościowych zakładów produkcyjnych, określanych jako Smart Factory. Wyróżniają je zautomatyzowane i zdigitalizowane linie produkcyjne, a także wyeliminowanie procesów ręcznych.
Zrównoważona produkcja wodoru
„Nowoczesna, zautomatyzowana produkcja akumulatorów i ogniw paliwowych, wspierana przez robotykę, technologie oparte na czujnikach i sztuczną inteligencję, to centralny element strategii zrównoważonego rozwoju. Akumulator to serce zarówno napędu wodorowego, jak i «klasycznych» pojazdów elektrycznych, choć zależnie od przeznaczenia może być znacznie mniejszy i mieć inną konstrukcję” – wskazuje Jarosław Drzazga, OMRON Polska. Aby jednak stosować wodór w prawdziwie zrównoważony sposób, paliwo oparte na H₂ musi być produkowane przy użyciu energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych (elektrolizy), która nie jest jeszcze w pełni dostępna na szeroką skalę. Polska jest trzecim co do wielkości producentem wodoru w Europie. Choć jest on uzyskiwany głównie z paliw kopalnych (wodór szary i niebieski). Celem jest dojście do produkcji wodoru zielonego powstającego z bezemisyjnych źródeł energii, np. morskich farm wiatrowych.
Zbyt duża ostrożność wobec wodoru
Producenci akumulatorów są w znacznym stopniu zależni od dostaw z Chin. W przeciwieństwie do akumulatorów ogniwa paliwowe nie potrzebują takich surowców jak lit i kobalt. W ogniwach paliwowych podstawowym materiałem jest żelazo. Kolejną zaletą jest możliwość przechowywania, transportowania i udostępniania wodoru w formie molekularnej.
Napędy wodorowe są coraz częściej używane w pojazdach komercyjnych, takich jak autobusy miejskie, ponieważ mają one więcej miejsca na wymagany napęd. Wodór nadal stosuje się stosunkowo rzadko w „normalnych” samochodach, co częściowo wynika z braku stacji do tankowania H₂, ale także ze względu na niedostatecznie wdrażanie. W 2020 roku w Europie zarejestrowano łącznie tylko 749 samochodów osobowych z ogniwami paliwowymi (FCEV). W porównaniu z 2019 rokiem było to nieznaczny wzrost, o ponad 250 samochodów osobowych.
W nadchodzących latach systemy napędu wodorowego będą dostępne w wielu różnych zastosowaniach, takich jak transport, ogrzewanie lub wytwarzanie energii. Źródło: Oświadczenie Komisji Europejskiej nr 2020
Zwiększenie automatyzacji procesów elektrolizy i produkcji ogniw paliwowych
Pojazdy nowej energii, tak zwane pojazdy NEV, to niezbędny element rozwoju technologii, jeżeli chcemy zbliżyć się do osiągnięcia celów paryskiego porozumienia klimatycznego. Wodór może być wytwarzany z odnawialnych źródeł energii w sposób neutralny dla emisji CO₂ i przekształcany w energię elektryczną w ogniwach paliwowych. Jednak produkcja ogniw paliwowych musi sprostać wielu wyzwaniom, aby zapewnić wydajność i precyzję. Dotyczy to zarówno produkcji poszczególnych komponentów, jak i montażu zespołów ogniw przy produkcji całego układu. Elementy ogniw paliwowych, takie jak membrana półprzepuszczalna, warstwa dyfuzji gazu i membrana pokryta katalizatorem są wytwarzane z różnych materiałów w różnych procesach produkcyjnych. Rozpowszechnienie technologii elektrolizy i ogniw paliwowych wymaga innowacji w zakresie produktów i procesów w celu zmniejszenia kosztów produkcji, tak aby stymulować wdrażanie tych rozwiązań. Zaleca się elastyczne i skalowalne linie produkcyjne, które można szybko i łatwo dostosować do indywidualnych wymagań. Konieczne jest też dążenie do zmniejszania kosztów produkcji ogniw paliwowych, ponieważ jest to jedyny sposób na ich wdrożenie w dłuższej perspektywie.
Doświadczenie w dziedzinie akumulatorów pomaga w produkcji ogniw paliwowych
W przeciwieństwie do produkcji akumulatorów, gdzie procesy są już od wielu lat zautomatyzowane i stale rozwijane, produkcja ogniw paliwowych jest nadal niemal na początku drogi. „Technologie wodorowe nie zostały jeszcze wdrożone na tyle, aby możliwe było zwiększanie produkcji do skali przemysłowej. Dlatego wiele procesów jest wykonywanych półautomatycznie, a nawet ręcznie. Aby zwiększyć atrakcyjność zastosowań wodoru, pilnie potrzebna jest większa automatyzacja produkcji. Ponieważ produkcja akumulatorów i ogniw paliwowych jest pod wieloma względami podobna, warto skorzystać ze wsparcia partnera zaznajomionego z automatyzacją produkcji akumulatorów” – podkreśla Jarosław Drzazga, OMRON Polska. Oprócz technologii i wiedzy technicznej niezbędna jest również pomoc integratorów systemów i konstruktorów maszyn. W procesie produkcji akumulatorów i ogniw paliwowych szczególnie ważne jest łączenie ogniw – ponieważ mogą tam wystąpić wycieki. Znalezienie przyczyny zajmuje dużo czasu. Dlatego też zalecana jest współpraca z partnerem mającym doświadczenie w ich łączeniu.
Fabryka przyszłości: unowocześnione procesy produkcyjne, innowacyjne technologie
Podstawą nastawionej na rozwój produkcji ogniw paliwowych, mającej na celu promowanie zrównoważonej mobilności, są procedury i technologie Smart Factory. Umożliwiają one kompleksową modernizację produkcji i racjonalizację łańcucha dostaw od podstaw, równolegle z rozwojem i wdrażaniem nowych technologii napędu. Innowacyjna robotyka przemysłowa, roboty mobilne i roboty współpracujące, przetwarzanie brzegowe, technologie oparte na czujnikach, połączenie mechatroniki i IT oraz rozszerzona rzeczywistość (AR) to tylko niektóre przykładowe rozwiązania, które znajdą zastosowanie w fabrykach przyszłości. „Najwyższy możliwy stopień digitalizacji jest kluczem do sukcesu, aby proces produkcji mógł się samoczynnie optymalizować. Niezbędna jest także identyfikowalność, aby móc śledzić każdą warstwę ogniwa paliwowego w celu wykrycia wszystkich punktów wpływających negatywnie na proces produkcji” – dodaje Jarosław Drzazga, OMRON Polska.
Kolejnym filarem jest sztuczna inteligencja (AI), ponieważ możną ją wykorzystać do uwolnienia nowego potencjału wydajności w wysoce skomplikowanych łańcuchach produkcyjnych. Prawidłowe korzystanie ze sztucznej inteligencji może pomóc liderom sektora motoryzacyjnego lepiej zrozumieć ich procesy. Informacje zebrane przez algorytmy AI i technologie oparte na czujnikach pozwalają znacznie skuteczniej optymalizować procesy wewnętrzne i zewnętrzne firmy. Jednym z przykładów jest serwis predykcyjny. Może służyć do wykrywania wzorców zużycia, zachowań nietypowych i anomalii, a tym samym do zapobiegania awariom, przestojom i błędom maszyn. Sztuczna inteligencja może również pomóc uchwycić udziały rynkowe w błękitnych oceanach – czyli na nowych i innowacyjnych rynkach. Szczególną uwagę należy zwrócić na sprawne i elastyczne procesy intralogistyczne, przede wszystkim na przejrzyste łańcuchy dostaw.
Wniosek: potrzebne są wspólne działania
W nadchodzących latach dostępne będą różne technologie napędu, a ogniwa paliwowe będą odgrywać bardzo ważną rolę. Aby rozwój alternatywnych technologii przyszłości nabrał tempa, politycy, producenci i usługodawcy powinni teraz wspólnie podejmować decyzje, optymalizować zakresy działań i warunki produkcji oraz promować cyfryzację i automatyzację.
