Ogniwa wodorowe wytwarzają prąd, emitując jedynie parę wodną. Jednak pomimo obiecujących właściwości, technologia ta wciąż nie przebiła się do masowego zastosowania. Główną przeszkodą okazuje się nie fizyka, a ekonomia. Powód? Bardzo drogi metal, który jest niezbędny do działania tych urządzeń. Na szczęście, trwające od lat poszukiwania tańszej alternatywy przynoszą pierwsze, konkretne efekty. Badacze z amerykańskiej uczelni opracowali metodę, która może znacząco obniżyć koszt wytwarzania energii z wodoru.
Koszt platyny to główna bariera dla ogniw paliwowych
Rzeczywistość rynkowa jest brutalna. Samochód z napędem wodorowym to wydatek rzędu 70 tysięcy dolarów, czyli około 250 tysięcy złotych. Dla porównania, podobnej klasy pojazd z konwencjonalnym napędem można nabyć za mniej niż połowę tej kwoty. Lwia część tej różnicy bierze się z konieczności zastosowania platyny, która służy jako katalizator w reakcji wytwarzania energii. Szacuje się, że ten właśnie szlachetny metal odpowiada za blisko 45% całkowitej ceny stosu ogniw paliwowych.
Wodorowe ogniwa paliwowe zostały z powodzeniem skomercjalizowane w Japonii i Kalifornii. Ale te pojazdy mają trudności z konkurowaniem z pojazdami elektrycznymi na akumulator i pojazdami z silnikami spalinowymi, a głównym problemem jest koszt – Gang Wu, profesor inżynierii energetycznej w McKelvey School of Engineering
Czytaj też: Paliwo przyszłości przestało być czarną skrzynką. Neutrony zdradziły sekrety TRISO
Platyna jest nie tylko kosztowna, ale także ograniczona w kwestii podaży, co przy wzroście popytu może dodatkowo windować ceny. Dlatego naukowcy od dawna szukali materiału, który mógłby ją zastąpić. Naturalnym kandydatem wydaje się niepozorne żelazo, które jest powszechne, tanie i wydajne katalitycznie. Przez długi czas jednak jego zastosowanie blokował jeden zasadniczy problem: niestabilność w kwaśnym środowisku wewnątrz nowoczesnych ogniw.
Stabilizacja żelaza w ogniwach paliwowych dzięki inżynierii molekularnej
Przełom w zakresie zastosowania żelaza w ogniwach wodorowych może przynieść praca zespołu profesora Ganga Wu z Washington University. Naukowcom udało się opracować proces aktywacji termicznej, w którym specjalnie dobrana mieszanina gazów stabilizuje strukturę katalizatora żelaznego. To zabezpiecza go przed degradacją i pozwala efektywnie pracować w trudnych warunkach panujących w ogniwie z membraną polimerową. Kluczowe jest to, że nowa metoda nie tylko zapewnia trwałość, ale również poprawia kluczowe parametry użytkowe, takie jak gęstość mocy.
Czytaj też: Arka Noego na miarę naszych czasów. Co naprawdę znajdzie się w BioVault?
Badania skupiają się na ogniwach typu PEM, które są szczególnie predysponowane do zastosowań w transporcie ciężkim, a więc w ciężarówkach, autobusach czy maszynach budowlanych. Stanowi to strategiczny wybór, ponieważ takie pojazdy często operują w oparciu o scentralizowane bazy, co ułatwiłoby budowę niezbędnej infrastruktury tankowania. Samo skupienie się na segmencie pojazdów użytkowych ma swój głęboki sens ekonomiczny. Floty takie jak transportowe czy komunalne mogłyby stać się pierwszym masowym odbiorcą technologii, co z czasem obniżyłoby koszty produkcji dzięki efektowi skali. Jest to sprawdzona ścieżka wprowadzania na rynek nowych, początkowo drogich rozwiązań.
Ogniwa są wydajniejsze od tradycyjnych silników
Podstawowa przewaga ogniw wodorowych nad spalinowymi leży w efektywności przetwarzania energii. Podczas gdy silnik samochodowy marnuje ponad 80% energii zawartej w paliwie, zamieniając ją głównie w bezproduktywne ciepło, ogniwo paliwowe potrafi przekształcić w elektryczność ponad 60% energii chemicznej wodoru. W układach skojarzonych, które wykorzystują także ciepło procesu, sprawność może sięgać nawet 85%, więc jest to różnica, która w perspektywie długoterminowej mogłaby przełożyć się na znaczne oszczędności.
Potencjał tańszych katalizatorów żelaznych wykracza oczywiście poza ciężki transport lądowy. Technologia mogłaby znaleźć zastosowanie w lotnictwie regionalnym, gdzie wodór oferuje wysoką gęstość energii przy zerowej emisji, oraz jako źródło zasilania awaryjnego lub podstawowego dla energochłonnych centrów danych. Wizje te są jednak odległe i uzależnione od sukcesu prac badawczo-rozwojowych.
Od laboratoryjnego sukcesu do seryjnej produkcji
Droga od obiecującego odkrycia w laboratorium do komercyjnego produktu jest zawsze długa i wyboista. Zespół z St. Louis planuje dalsze udoskonalanie procesu, mając za cel nie tylko dorównanie parametrom katalizatorów platynowych, ale ich przewyższenie. Jest to ambitne zadanie, ale poparte solidnym finansowaniem z Washington University, National Science Foundation oraz amerykańskiego Departamentu Energii.
Czytaj też: Era elektronów dobiega końca? Kolejny dowód na to, że przyszłe procesory będą świecić a nie grzać
Zastąpienie platyny żelazem to nie gwarancja sukcesu, ale konieczny krok, aby ogniwa wodorowe mogły realnie konkurować cenowo z bateryjnymi samochodami elektrycznymi i jednostkami spalinowymi. Jeśli koszty produkcji faktycznie spadną, technologia ma szansę wypełnić swoją obietnicę. Kluczowe pytanie brzmi, ile czasu zajmie dopracowanie metody i jej przemysłowe wdrożenie? Tego na tę chwilę nie wiemy.
