”Baterii vs. hidrogen” va înlocui dilema ”benzină vs. diesel”. Dar cât de repede?

Înlocuirea propulsiei convenționale (bazată pe motoare cu ardere internă alimentate cu carburanți petrolieri) cu propulsia alternativă nepoluantă a evoluat de la stadiul ”dacă se va întâmpla” la ”când se va întâmpla”. Adică e doar o problemă de timp până când mașinile nepoluante vor deveni populare – dar care sunt factorii și problemele care întârzie această transformare a peisajului auto?

Întrebare la care încearcă să dea răspunsul lucrarea realizată de trei specialiști: Oliver Gröger, din partea Volkswagen AG (deține mai multe patente pentru baterii, în principal pentru litiu-sulf); Hubert A. Gaisteger, de la Universitatea Tehnică din Munchen; Jens-Peter Suchsland, de la compania SolviCore GmbH (implicată în cercetarea și dezvoltarea soluțiilor de tip fuel cell cu hidrogen).

Ce presupune obiectivul UE (emisii CO2 de 95 g/km)

Până în 2020, Uniunea Europeană vrea să impună o limită maximă a emisiilor de CO2 de 95 g/km (este vorba despre valoarea medie a vehiculelor noi vândute anual pe plan european). Conform celor trei specialiști, acest obiectiv nu este realizabil decât dacă se apelează la sisteme de propulsie electrică în combinație cu generalizarea soluțiilor de obținere a energiei din surse regenerabile (cum ar fi energia eoliană sau solară, tehnologiile cele mai populare momentan).

Deocamdată, vehiculele bazate pe tehnologia fuel cell cu hidrogen nu sunt fezabile pentru atingerea acestui obiectiv de 95 g/km emisii CO2, deoarece producerea hidrogenului prin electroliză sau prin reformarea gazelor naturale înseamnă consum mare de energie, respectiv grad mare de poluare. În ce privește vehiculele plug-in hibride, în teorie obiectivul ar putea fi emis doar în condițiile în care autonomia strict electrică s-ar cifra la cel puțin 60 km, iar minimum 50% din utilizarea mașinii s-ar face în regim strict electric – în practică, însă, publicul nu este suficient de educat pentru a privilegia utilizarea nepoluantă a vehiculelor.

masini-electrice-baterii-hidrogen-ecoprofit

 

Prin urmare, doar mașinile 100% electrice au șansa să asigure atingerea acestui obiectiv drastic, de 95 g/km emisii CO2. Dar numai dacă vânzările de astfel de vehicule ar fi substanțiale (deci mult peste nivelul de acum). Fără un sprijin guvernamental, prin subvenții și programe dedicate, succesul mașinilor electrice trebuie să se bazeze doar pe gradul de acceptare a clienților, care sunt foarte mult influențați de costuri, dar și de fenomenul ”range anxiety” (autonomia este considerată prea redusă).

Baterii vs. hidrogen: distanțe scurte vs. distanțe lungi

La momentul actual, alegerea între motoarele pe benzină și diesel depinde cel mai mult de distanțele pe care le vor parcurge mașinile. Pentru o utilizare preponderent urbană și periurbană, care presupune parcurgerea unor distanțe scurte zi de zi, este indicat motorul pe benzină. Pentru o utilizare preponderent extraurbană, mai ales pe autostrăzi și presupunând distanțe foarte lugi zilnic, sunt preferate motoarele diesel – mai ales în sectorul transportului greu, de bunuri și persoane.

Conform specialiștilor de față, dilema ”benzină vs. diesel” va fi transformată într-una de tipul ”baterii vs. hidrogen”. Adică mașinile 100% electrice (BEV – Battery Electric Vehicle) vor fi mai potrivite pentru distanțele scurte, iar cele alimentate cu hidrogen (FCEV – Fuel Cell Electric Vehicle) vor deveni alegerea pentru cei care parcurg distanțe lungi. Nu va fi, însă, o transpunere directă, deoarece transporturile vor fi puternic influențate în viitorul apropiat și de servicii de tip car-sharing, dar și de tehnologia condusului autonom.

masini electrice baterii hidrogen - ecoprofit 2
Preferința pentru un anumit tip de sistem de propulsie este dictată de percepția clientului asupra autonomiei care i se pare suficientă

Principial, mașinile 100% electrice se lovesc de un paradox: diferența între nevoile reale privind autonomia și nevoile estimate de către potențialii clienți. Factorii care influențează acest paradox sunt mai mulți. În primul rând, oamenii nu sunt obișnuiți să-și estimeze distanțele parcurse în mod realist, deoarece actualele mașini cu motoare internă oferă autonomii de sute de kilometri, iar rețeaua de stații de alimentare este foarte vastă. O autonomie limitată la doar 100-150 km a mașinilor electrice induce teama că poți rămâne fără curent (”range anxiety”), mai ales pe fondul unei infrastructuri insuficiente de stații de încărcare. Nu în ultimul rând, lipsa de experiență a publicului cu o mașină electrică limitează înțelegerea avantajelor acestora.

Practic, autonomia redusă este considerată un impediment chiar mai mare decât prețul mai ridicat al mașinilor electrice față de cele convenționale. Iar acest factor psihologic nu poate fi contracarat decât prin creșterea densității enegetice a bateriilor. La care se mai adaugă utilizarea unor materiale ușoare (de exemplu BMW folosește CFRP pentru i3), creșterea eficienței sistemului de propulsie sau optimizarea consumatorilor auxiliari (cum ar fi sistemul de aer condiționat). Totuși, avansul tehnologic din domeniul bateriilor se consideră că ar contribui cu mai mult de 70% din creșterea autonomiei.

Un alt factor interesant care ar putea crește interesul potențialilor clienți pentru mașinile electrice ține și de timpul de încărcare a bateriei. Dacă durata ar fi mult mai scăzută, similară cu alimentarea mașinilor convenționale în benzinării, iar infrastructura de stații de tip fast-charge ar fi mai bine pusă la punct, specialiștii consideră că nu ar fi necesare evoluții majore ale tehnologiei bateriilor.

masini electrice baterii hidrogen - ecoprofit 3
Cel mai recent model de serie cu propulsie fuel cell pe hidrogen, Honda Clarity, promite o autonomie de 700 km cu un plin – mult peste mașinile electrice actuale

Aici, practic, intervin avantajele mașinilor cu hidrogen, deoarece procesul de alimentare este similar cu al mașinilor convenționale (deci, din punct de vedere psihologic, e mult mai ușor de acceptat de către utilizatori). Iar raportul între timpul de alimentare și autonomia obținută este net superior față de cazul mașinilor electrice. Situație care este de așteptat să rămână valabilă și în următorii ani, o tehnologie super-fast-charge pentru baterii fiind încă departe de a fi viabilă din punct de vedere comercial.

Cele mai mari provocări: costul și durabilitatea

În ciuda investițiilor enorme în cercetarea și dezvoltarea bateriilor litiu-ion, obținerea unei densități energetice superioare valorii de 0,25 kWh/kg, dar și viabilă economic este încă departe de a fi realitate. Ceea ce înseamnă că nu vom vedea în viitorul apropiat mașini 100% electrice accesibile, având baterii cu tehnologie litiu-ion, care să ofere autonomie de peste 300 km (o valoare considerată rezonabilă de 80% dintre potențialii clienți). În -traducere, adopția în masă a mașinilor electrice nu este posibilă până în 2020.

 

masini electrice baterii hidrogen - ecoprofit 4
Tehnologia bateriilor litiu-ion se consideră că nu va evolua simțitor până în 2020 – cel puțin nu suficient pentru a asigura adopția în masă a vehiculelor electrice până la finalul acestui deceniu

Până acum, tehnologia alternativă a bateriilor litiu-aer (cunoscute drept Li-O2) nu a reușit să ofere rezultate concrete, care să permită transpunerea în producția de serie, în principal din cauză că încă nu a fost descoperită o formulă care să confere stabilitate chimită electrozilor și electrolitului. Chiar dacă, până în 2020, această tehnologie Li-O2 ar deveni viabilă, s-ar constata o îmbunătățire a performanțelor de maximum 1,5 ori mai mare decât a bateriilor litiu-ion actuale, deci din nou insuficient pentru a duce la adopția în masă a mașinilor electrice până la finalul acestui deceniu.

În ce privește bateriile litiu-sulf (Li-S), un avantaj important al acestora ar fi costurile mai reduse decât pentru bateriile litiu-ion. Însă marea problemă rămâne densitatea energetică volumetrică inferioară bateriilor litiu-ion actuale, precum și durata de viață prea scurtă. Sunt bariere tehnologice pe care specialiștii consideră că nu le vom vedea rezolvate până în 2020.

masini electrice baterii hidrogen - ecoprofit 5
Tehnologia fuel cell cu hidrogen presupune adaptarea pe o mașină electrică a unei ”mini-uzine” de producere a curentului electric prin utilizarea hidrogenului. Deci complexitate mai mare și costuri mai mari – merită pentru un câștig de autonomie, nu neapărat substanțial, față de mașinile electrice?

În privința tehnologiei fuel-cell cu hidrogen, autorii consideră că s-au făcut mai multe progrese în ultimii 10 ani decât în domeniul bateriilor litiu-ion. Utilizarea diverselor aliaje de platină pentru catod, de exemplu, asigură stabilitatea ciclurilor chimice și performanțe bune, dar, în contrapartidă, costurile sunt foarte mari, din cauza materialelor rare utilizate. Acum, industria se concentrează pe găsirea unor materiale alternative, mult mai ieftine, dar care să fie și rezistente la procesele din sistemul fuel-cell (deocamdată, cercetătorii se confruntă cu eficiența foarte scăzută și influențele nefaste ale variației temperaturii).

Un alt dezavantaj conex ține de costurile uriașe pentru realizarea unei infrastructuri de stații de alimentare cu hidrogen – în SUA, de pildă, se estimează că aceste costuri se ridică la 1 trilion de dolari, deci și pe plan european ar fi un efort imens și care, cu siguranță, ar fi departe de necesități până la finalul acestui deceniu. În plus, se mai pune problema eficientizării obținerii hidrogenului, dar și a găsirii unor modalități mai sigure pentru stocarea acestuia la bordul vehiculelor. Lucruri care e destul de sigur că nu vor fi rezolvate decât după 2020.

CONCLUZIE

Accentul pus de autorități pe emisiile de CO2 a dus și la apariția unei probleme ținând de creșterea alarmantă a nivelului de poluare locală. Generalizarea exagerată a motoarelor diesel pe plan european (datorită emisiilor mai scăzute de CO2) și-a arătat ”colții” de-abia acum, pe fondul scandalului ”Dieselgate”. Așa încât și obiectivul UE, privind emisiile nocive maxime, trebuie adaptat de urgență noii realități – adică trebuie luate în considerare toate problemele cauzate de poluarea din transporturi, în special emisiile de NOx și particulele fine, rezultate în principal din arderea motorinei.

Din analiza celor trei specialiști reiese că, de fapt, obiectivul de 95 g/km emisii CO2 în sectorul transporturilor nu are cum să fie atins în condițiile actuale, fără intervențiile guvernelor, dar și fără niște evoluții tehnologice substanțiale, atât în domeniul bateriilor, cât și al tehnologiei fuel cell pe hidrogen. În plus, este imperios necesară și o modificare a standardelor de măsurare a consumului, dar și o adaptare a politicilor companiilor auto, care să privilegieze cu adevărat sustenabilitatea în mediul de business auto.

masini electrice baterii hidrogen - ecoprofit 6
Constatăm că am ajuns într-un punct critic, în care presiunea efectelor poluării a devenit insuportabilă, iar mijloacele de combatere ne duc într-o direcție a măsurilor nepopulare. Din păcate, mașinile electrice și cele pe hidrogen nu sunt încă soluțiile salvatoare

Din păcate, dacă e să ne luăm după analiza de față, nu avem soluții realiste pentru a reduce poluarea din transporturi în viitorul apropiat, decât dacă se va apela la măsuri nepopulare: de la creșterea taxelor pe carburanți și interdicții de circulație pentru vehiculele mai vechi până la politici de subvenționare considerate discriminatorii și creșterea exagerată a costurilor totale de a deține vehicule. Cu alte cuvinte, un obstacol extrem de serios pentru autorități, care, la summit-ul COP21 de la Paris, vor trebui să ne arate dacă sunt capabile sau nu să găsească soluțiile optime.

Deocamdată, viitorul propulsiei nepoluante se pare că rămâne unul al dilemelor. Cine va avea câștig de cauză: mașinile 100% electrice sau cele fuel-cell cu hidrogen? Și cât de repede vor ajunge acestea să înlocuiască o cât mai mare parte din vehiculele convenționale actuale? Până când vom avea răspuns la aceste întrebări, poluarea din transporturi va continua să rămână o realitate amenințătoare.