Ηλεκτρικά αυτοκίνητα: Τεχνολογία, πρόσφατες εξελίξεις και αναμενόμενες αλλαγές

Τα ηλεκτρικά οχήματα (ΗΟ) στις διάφορες εκδοχές τους έχουν δύο βασικούς στόχους: Τη μείωση της επιβάρυνσης του περιβάλλοντος, και την αποδοτικότερη λειτουργία. Θα εξετάσουμε τις τεχνολογίες που προσφέρονται σήμερα, τις αναμενόμενες εξελίξεις, και τα σχετικά πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα, καθώς και με ποιους τρόπους επιτυγχάνουν τους στόχους τους.

Όλες σχεδόν οι αυτοκινητοβιομηχανίες έχουν ταχύτατα αυξανόμενη παραγωγή ηλεκτρικών αυτοκινήτων, και βρίσκονται στα τελευταία στάδιο εγκατάστασης τεράστια εργοστάσια παραγωγής μπαταριών σε όλον τον εκβιομηχανισμένο κόσμο. Το πρόβλημα του θερμοκηπίου και της ραγδαίας αύξησης της μέσης θερμοκρασία της γης, καθιστά την μείωση των ρύπων CO2 επιτακτική για την διατήρηση της ζωής στον πλανήτη, και σταδιακά γίνεται και πολιτικό πρόβλημα. Έτσι η ενθάρρυνση της χρήσης ηλεκτρικών αυτοκινήτων αυξάνει διεθνώς, και αφορά και οργανισμούς πολλών κρατών (ΟΗΕ, Ευρωπαϊκή Ένωση).

Η γρήγορη αποδοχή των ΗΟ αυξάνει τις ανησυχίες για δύο θέματα: Πρώτον, λύνουν το πρόβλημα της υπερθέρμανσης του πλανήτη και γενικότερα της μόλυνσης του περιβάλλοντος; Και δεύτερο, πόσο η λύση των ΗΟ σε αντικατάσταση των συμβατικών είναι βιώσιμη;

Τεχνολογία

Η τεχνολογία αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων στηρίζεται στην χρήση μπαταρίας για αποθήκευση ενέργειας και χρησιμοποιεί μία ή περισσότερες ηλεκτρικές μηχανές για κίνηση και επανάκτηση ενέργειας από πέδηση. Κλασικό παράδειγμα αμιγώς ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι τα αυτοκίνητα της Tesla.

Το ηλεκτρικό όχημα, χρησιμοποιεί την ενέργεια της μπαταρίας πέρα από την κίνηση, και για θέρμανση και κλιματισμό στην καμπίνα των επιβατών, καθώς και για τις υπόλοιπες χρήσεις (φώτα, υποβοήθηση οδήγησης και φρένων, ηχητικό σύστημα κλπ.). Η μπαταρία συνήθως φορτίζεται περιοδικά από το δίκτυο είτε από επί τούτου συστήματα, είτε από μεγάλες εγκαταστάσεις. Καθώς οι μπαταρίες έχουν σχετικά αργούς ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης και διαρρέονται από μεγάλα ρεύματα για μικρό χρονικό διάστημα, ο χρόνος ζωής τους μειώνεται. Συχνά η μπαταρία έχει παράλληλα υπερ-πυκνωτές που μπορούν να ανταποκριθούν γρήγορα σε ανάγκες φόρτισης και εκφόρτισης.

Τα εμφανή πλεονεκτήματα των ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι:

• Μείωση της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας δεδομένου ότι η ενέργεια που χρησιμοποιούν προέρχεται από το περισσότερο αποδοτικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας αντί από κινητήρες εσωτερικής καύσεως (ΜΕΚ).

• Ελάττωση των ρύπων μέσα στον οικισμό (και μεταφορά τους στην πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, αν αυτή δεν είναι ανανεώσιμη)

• Μείωση της κατανάλωσης ενέργειας ανά μεταφορά, από την ανάκτηση της κινητικής ενέργειας κατά την πέδηση, αντί για την κατανάλωσή της στα φρένα (και σε ένα βαθμό μείωση της φθοράς την φρένων).

Σημαντικό μειονέκτημα αυτής της κατηγορίας είναι η περιορισμένη αυτονομία που εξαρτάται από το ότι η αποθήκευση ενέργειας στην μπαταρία είναι σχετικά μικρή συγκριτικά με το βάρος και το κόστους της. Η φόρτισή τους είναι αργή και σήμερα υπάρχουν λιγότεροι σταθμοί φόρτισης από πρατήρια υγρών καυσίμων.

Η δεύτερη μεγάλη κατηγορία ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι τα υβριδικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα, κλασικό παράδειγμα είναι το Toyota Prius. Σε αυτά η μπαταρία έχει μικρότερο ρόλο στη αποθήκευση ενέργειας δεδομένου ότι χρησιμοποιείται για μικρές αποστάσεις, ενώ για μεγαλύτερες αποστάσεις μια μηχανή εσωτερικής καύσης φορτίζει την μπαταρία και προσφέρει μέρος της ενέργειας κίνησης. Έτσι η μπαταρία οχημάτων χρησιμοποιείται με τρόπο ώστε να συμπληρώνει ή να απορροφά ενέργεια από τη ΜΕΚ, και έτσι να της επιτρέπει να λειτουργεί κατά διαλείμματα, αλλά στο σημείο μέγιστης απόδοσης. Μια έκδοσή τους, Plug-in Hybrid, επιτρέπει και την επαναφόρτιση των μπαταριών από εξωτερική πηγή. Τα βασικά πλεονεκτήματα των υβριδικών οχημάτων είναι:

• Ομοιότητες με τα αμιγώς ηλεκτρικά, καθαρότερη λειτουργία από συμβατικά,

• Μεγάλη αυτονομία, παρόμοια με τα συμβατικά,

• Λειτουργία ως αμιγώς ηλεκτρικά για κοντινές αποστάσεις.

Μια τρίτη αναδυόμενη κατηγορία είναι τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα υδρογόνου. Η πηγή ενέργειας είναι κυψέλες υδρογόνου, αλλά ενώ υπάρχει αυξανόμενο ενδιαφέρον και προγραμματισμένες επενδύσεις, δεν έχουν ακόμη σημαντική διείσδυση στην αγορά.

Το βασικό πλεονέκτημα τους είναι ότι το πράσινο υδρογόνο μπορεί να προέλθει χωρίς έκλυση διοξειδίου του άνθρακά, από ηλεκτρόλυση νερού, άρα με ελάχιστη επιβάρυνση του περιβάλλοντος. Μένουν όμως αρκετά προβλήματα: σημαντικό κόστος ανά kWh, μηχανισμός διανομής του υδρογόνου, αυξημένο βάρος αφού το αυτοκίνητο έχει ΜΕΚ, καύσιμο υδρογόνο, μπαταρία και ηλεκτρικό κινητήρα/γεννήτρια.

Ας εξετάσουμε μερικά από τα θέματα που σχετίζονται με τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα σήμερα:

Κινητήρας και Ηλεκτρονικά ισχύος

Αν κα τα πρώτα ηλεκτρικά αυτοκίνητα χρησιμοποιούσαν κινητήρες επαγωγής, σχεδόν όλα τα ΗΟ σήμερα χρησιμοποιούν σύγχρονους κινητήρες. ΟΙ πλειοψηφία είναι κινητήρες με μόνιμο μαγνήτη από Νεοδύμιο (Nd) ή Σαμάριο (Sm) που όμως έχουν αυξημένο κόστος, ενώ τα ορυκτά αυτά δεν είναι πάντα εύκολο να εξαχθούν. Για να αποφευχθεί η χρήση σπανίων γαιών, πρόσφατα έχουν εισαχθεί κινητήρες με περιελιγμένο δρομέα, και βασική αρχή λειτουργίας παρόμοια με τις μεγάλες σύγχρονες γεννήτριες. Βέβαια η τροφοδοσία τους προέρχεται από ηλεκτρονικά ισχύος, όπου τα νεότερα προϊόντα είναι από καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και επιτρέπουν υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας και μεγαλύτερες ταχύτητες κινητήρων, άρα και μικρότερο όγκο κινητήρα.

Μπαταρίες: υλικά, παραγωγή, κόστος, ανακύκλωση

Κεντρικό στοιχείο σε όλα τα είδη ηλεκτρικών οχημάτων που συζητήσαμε, είναι η μπαταρία. Έχει δύο σκοπούς στα καθαρά ηλεκτρικά και στα μικτά (plug-in hybrid): αποθήκευση ενέργειας από την πηγή (δίκτυο) και παροχή για την κίνηση και τα λοιπά ηλεκτρικά φορτία (θέρμανση, κλιματισμός, φώτα, ήχος) και αποθήκευση από την αναγεννητική πέδηση.

Η μπαταρία είναι το καθοριστικό κέντρο κόστους σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο αλλά και ένα αδύναμο σημείο γιατί:

1. Μπορεί να είναι πηγή μόλυνσης στο στάδιο της κατασκευής της. Η κατασκευή του ηλεκτρικού οχήματος έχει σημαντικά μεγαλύτερο ενεργειακό αποτύπωμα από αυτό του συμβατικού (ιδίως όσον αφορά στην παραγωγή των μπαταριών) που όμως αντισταθμίζεται στα δύο περίπου πρώτα χρόνια λειτουργίας του καθώς τα ηλεκτρικά οχήματα παράγουν ελάχιστους ρύπους κατά την λειτουργία τους [1, 2]. Τα στοιχεία αυτά βέβαια είναι αντικείμενο συνεχούς συζήτησης, και μεταβάλλονται με την συνεχώς εξελισσόμενη τεχνολογία ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Βέβαια τα προβλήματα που σχετίζονται με την παραγωγή ενέργειας είναι διαφορετικά από αυτά των αυτοκινήτων με κινητήρες εσωτερικής καύσης 

2. Συνδέεται με πολιτικά προβλήματα διεθνώς καθώς οι πηγές των πρώτων υλών γίνονται θέμα πολιτικής πίεσης από τις χώρες που προέρχονται. Πέρα από το λίθιο, απαραίτητο είναι το νικέλιο, που συχνά δεν αναφέρεται καθώς και το κοβάλτιο. Για κάθε 100 kWh μπαταρίας απαιτούνται 61-66 kg νικέλιο. Αν υπάρξει πλήρης αλλαγή από συμβατικά σε ηλεκτρικά (στόχος το 2040) απαιτούνται 5,8 εκατομμύρια τόνοι νικελίου τον χρόνο, αλλά η παραγωγή σήμερα είναι 2,7 εκατομμύρια τόνοι. Λόγω του πολέμου Ουκρανίας–Ρωσίας η τιμή του νικελίου διπλασιάστηκε στους πρώτους μήνες του 2022 και έφτασε τα $100.000 ανά τόνο.

3. Το λίθιο εκτός από την Κίνα, παράγεται και καθαρίζεται και στην Χιλή, Αργεντινή και Βολιβία, και η επεξεργασία του προκαλεί σημαντική μόλυνση σε λίμνες, ποτάμια και πόσιμο νερό.

   Περισσότερο από το 70% της παγκόσμιας κατανάλωσης Κοβαλτίου προέρχεται από την Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό, όπου 40% των εργατών είναι παιδιά. Κινεζικές εταιρείες έχουν την ιδιοκτησία ή ελέγχουν οικονομικά άνω του 80% των ορυχείων κοβαλτίου και λιθίου του Κονγκό, και στην Κίνα γίνεται η επεξεργασία των ορυκτών αυτών [3].

   Η βιομηχανία μπαταριών έχει μειώσει σταθερά το ποσό κοβαλτίου που απαιτείται στις κυψέλες, αλλά εξακολουθεί να παραμένει βασικό στοιχείο. Το νικέλιο συχνά εξορύσσεται με τρόπο που καταστρέφει το περιβάλλον. Το τεράστιο ορυχείο Ramu στην Παπούα Νέα Γουινέα, εικάζεται ότι απορρίπτει 680.000 τόνους αποβλήτων τον χρόνο στον κόλπο Basamuk.

   Η εξόρυξη λιθίου με τρόπο που να μην μολύνει το περιβάλλον είναι υπό ανάπτυξη, αλλά η ανακύκλωσή του αν και έχει αποδειχθεί δυνατή, είναι στην αρχή. Ένας τόνος λιθίου για χρήση σε μπαταρίες απαιτεί 250 τόνους ορυκτού και 70 τόνους αλμυρού νερού, αλλά όμως μπορεί να παραχθεί από μόνο 28 τόνους ανακυκλωμένων/χρησιμοποιημένων μπαταριών. Το πρόβλημα είναι ότι ακόμη το ποσοστό των μπαταριών λιθίου που ανακυκλώνονται είναι χαμηλό (5% το 2019). Η σχέση αποθηκευμένης ενέργειας με το κόστος και το βάρος δεν είναι σήμερα ελκυστική σε σύγκριση με τα ορυκτά καύσιμα.

   Τα υλικά μιας καινούργιας μπαταρίας προέρχονται από διαφορετικές πηγές και πέρα από τα άλλα κατά μέσον όρο ένα άτομο μετάλλου ταξιδεύει 80.000 km από το ορυχείο πριν χρησιμοποιηθεί στην μπαταρία, σύμφωνα με το Redwood Materials. Τα ανακυκλωμένα υλικά αναμένεται να είναι το 30% το υλικών το 2025 [3].

Φόρτιση: μέθοδοι, εξάπλωση και προκαλούμενη ρύπανση

Στην Ευρώπη όπου υπάρχουν σχετικά στοιχεία (και όπου σήμερα οι πωλήσεις Ηλεκτρικών αυτοκινήτων αυξάνονται ταχύτερα στον κόσμο) σύμφωνα με το Radiant Energy Group (REG) σε ορισμένες περιπτώσεις (ή ηλεκτρικά συστήματα), π.χ. στην Πολωνία και το Κόσοβο, τα ΗΟ πρακτικά προκαλούν περισσότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα από τα συμβατικά, καθώς εκεί η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται κυρίως από στερεά καύσιμα (κάρβουνο/λιγνίτη). Στην υπόλοιπη Ευρώπη η εικόνα είναι καλύτερη, καθώς η μείωση εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα λόγω τις χρήσης των ΗΟ εξαρτάται από την πηγή ενέργειας στο δίκτυο και την ώρα που φορτίζονται τα ΗΟ.

Η Ελβετία έχει την καλύτερη απόδοση με 100% εξοικονόμηση ρύπων σε σχέση με τα συμβατικά αυτοκίνητα, η Νορβηγία 98%, η Γαλλία 96% η Σουηδία 95%, η Αυστρία 93% σύμφωνα με στοιχεία του Reuters. Στο άλλο άκρο είναι η Κύπρος 4%, Σερβία 15%, Εσθονία 35% και Ολλανδία 37%. Στην Γερμανία που χρησιμοποιεί μίγμα ΑΠΕ και συμβατικών μονάδων παραγωγής, η εξοικονόμηση αερίων θερμοκηπίου είναι 55%.

Στις χώρες με μεγάλη διείσδυση ΑΠΕ στο μίγμα ηλεκτροπαραγωγής, π.χ. Γερμανία, Ισπανία, λόγω περιορισμένης δυνατότητας αποθήκευσης ανανεώσιμης ηλεκτρικής ενέργειας, το ποσό της μείωσης ρύπων λόγω ΗΟ, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ώρα της ημέρας που φορτίζονται. Η φόρτιση το μεσημέρι και απόγευμα, όταν ο ήλιος και ο άνεμος συμβάλουν σημαντικά στο μίγμα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, η εξοικονόμηση σε εκπομπές αερίων ρύπων είναι 16-18% μεγαλύτερη σε σχέση με την φόρτιση την νύχτα, όταν χρησιμοποιούνται ορυκτά καύσιμα. Η ανάλυση στηρίζεται σε δεδομένα ανοικτά στο κοινό από την Ευρωπαϊκή πλατφόρμα και την Ευρωπαϊκή αρχή Περιβάλλοντος (EEA).

Με τα σημερινά δεδομένα υπάρχουν δύο προβλήματα στην φόρτιση των αμιγώς ηλεκτρικών και των υβριδικών plug-in οχημάτων:

1. Ο χρόνος φόρτισης είναι πολύ μεγαλύτερος σε σύγκριση με τον χρόνο πλήρωσης σε ορυκτό καύσιμο (βενζίνη/diesel) σε πρατήριο.

2. Αν και ο αριθμός δημόσιων φορτιστών αυξάνεται ραγδαία, το δίκτυο φορτιστών είναι περιορισμένο διεθνώς. Η προτιμητέα μέθοδος είναι η φόρτιση σε ιδιόκτητο γκαράζ, πράγμα δύσκολο στις αστικές περιοχές στην Ευρώπη.

Οι σταθμοί φόρτισης πολλαπλασιάζονται τόσο στην Ευρώπη όσο και στην Βόρεια Αμερική και Κίνα και υπάρχουν ήδη διαδρομές και περιοχές με πλήρως ανεπτυγμένο δίκτυο σταθμών φόρτισης. Όμως ο συνδυασμός μικρής σχετικά αυτονομίας, μεγάλης αύξησης ηλεκτρικών αυτοκινήτων και μεγάλου χρόνου φόρτισης εμποδίζει την εξάπλωση την ηλεκτρικών αυτοκινήτων παρά την μείωση του κόστους κτήσης μέσω κρατικών επιδοτήσεων.

Η φόρτιση από χαμηλής τάσης φορτιστές AC είναι εύκολη με απλή εγκατάσταση ακόμη και στο σπίτι. Το εναλλασσόμενο ρεύμα ανορθώνεται στο ΗΟ και φορτίζει την μπαταρία. Η υψηλότερη τάση δίνει περισσότερη ισχύ, αλλά απαιτεί ακριβότερες εγκαταστάσεις. Η φόρτιση με συνεχές (DC) χρησιμοποιεί ανορθωτικό στη σταθερή εγκατάσταση και τροφοδοτεί απευθείας την μπαταρία του οχήματος.

Τα προβλήματα δικτύου έχουν οδηγήσει στην έρευνα και ανάπτυξη εναλλακτικών μορφών φόρτισης, κυρίως για φορτηγά αυτοκίνητα στη Σκανδιναβία. Μια τέτοια μορφή φόρτισης είναι φόρτιση από τμήματα δρόμου όπου έχουν εγκατασταθεί πηνία για επαγωγική φόρτιση ενώ το όχημα κινείται, ενώ μόνο για φορτηγά, ηλεκτρικές γραμμές στον δρόμο για γαλβανική σύνδεση.

Σε μεγάλες διαδρομές εξετάζεται σοβαρά η φόρτιση ΗΟ εν κινήσει. Η Σουηδία (Traficverket, η κυβερνητική αρχή μεταφορών) έχει επιλέξει τον Ευρωπαϊκό αυτοκινητόδρομο Ε20 που ενώνει κόμβους στο Hallsberg and Örebro, μεταξύ των τριών μεγάλων πόλεων, Stockholm, Gothenburg και Malmö. Για φορτηγά υπάρχουν τρεις επιλογές, εναέρια γραμμή, επίγεια αγώγιμη, και επαγωγική. Μέχρι το 2025, θα είναι έτοιμα 3000 χιλιόμετρα.

Η Volvo ήδη δοκιμάζει επαγωγική φόρτιση ταξί στο Gothenburg. Τα ΗΟ αυτά θα βρίσκονται στον δόμο περισσότερο από 12 ώρες την ημέρα και θα καλύπτουν πάνω από 100.000 χιλιόμετρα τον χρόνο.

Διείσδυση στην αγορά

Ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ηλεκτρικό δίκτυο και περιβάλλον

Τα ΗΟ, είτε αμιγώς μπαταρίας, είτε υβριδικά plug-in (PHEV), εισάγονται με σταθερούς ρυθμούς στην Ευρωπαϊκή Αγορά. Από 600 το 2010 σε 1.062.000 το 2020 και αντιπροσωπεύουν το 18% των νέων ταξινομήσεων το 2021. Το 2021 το μερίδιο τους στις νέες πωλήσεις στη Νορβηγία ήταν 86%, στην Ισλανδία 64%, Σουηδία 46% και Δανία 35% [6].

Καθώς ο αριθμός των αυτοκινήτων που χρειάζονται ηλεκτρική ενέργεια αυξάνει, διαφοροποιείται η καμπύλη ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειες που οδηγεί σε ανάγκη διαφοροποίησης του μίγματος παραγωγής.

Η παραγωγή ανανεώσιμης ενέργειας δεν συμπίπτει χρονικά με τις ανάγκες φόρτισης των οχημάτων. Οι μονάδες ορυκτών καυσίμων αφενός δεν συμβάλουν στην μείωση των ρύπων που επιδιώκεται με τη χρήση των ηλεκτρικών οχημάτων, αφετέρου αυτές που χρησιμοποιούν στερεά καύσιμα έχουν αργούς ρυθμούς μεταβολής φορτίου που δεν βοηθά στην ανταπόκριση σε γρήγορες μεταβολές της ζήτησης. Εξαιρετικά αργούς ρυθμούς μεταβολής έχουν και οι πυρηνικοί σταθμοί. Η χρήση φωτοβολταϊκών έχει μικρό χρονικό συσχετισμό με την φόρτιση αυτοκινήτων όπως και η χρήση ανεμογεννητριών λόγω της στοχαστικής παραγωγής τους που δεν εξαρτάται από τις ανάγκες της ζήτησης.

Συνεπώς, για γρήγορη αντίδραση στην αύξηση των φορτίων η πλέον πρόσφορη μέθοδος είναι η χρήση υδροηλεκτρικών που διαθέτουν ταχύτατους ρυθμούς μεταβολής φορτίου, ώστε να ανταποκρίνονται στις ανάγκες της ζήτησης λόγω φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων κατά τη διάρκεια της ημέρας [8]. Συμπερασματικά οι δυνατές λύσεις που παραμένουν είναι:

1. Η χρήση υδροηλεκτρικών για άμεση παραγωγή ανταποκρινόμενη σε ζήτηση, και

2. Η αποθήκευση ενέργειας.

Η επάρκεια και ο τρόπος χρήσης των υδροηλεκτρικών εξαρτώνται από την κατανομή και τον προγραμματισμό παραγωγής σε μια περιοχή και σχετικά με τα ΗΟ, μπορούν να είναι η βέλτιστη λύση παροχής ενέργειας σε συγκεκριμένες περιοχές και εποχές [7].

Οι δυνατές μορφές αποθήκευσης ενέργειας είναι είτε αντλησιοταμίευση (pumped storage) σε επίπεδο δικτύου, που όμως απαιτεί ακριβές εγκαταστάσεις, είτε η χρήση υδρογόνου στο ίδιο το αυτοκίνητο.

Παράλληλα με το πρόβλημα επάρκειας παραγωγής ισχύος είναι και τα προβλήματα:

1. Στο δίκτυο διανομής, όπου πρέπει να αναβαθμιστούν οι μετασχηματιστές που δεν επαρκούν, και έχουν σημαντικό κόστος, και

2. Ποιότητας ισχύος που προκαλείται από τους γρήγορους ηλεκτρονικούς διακόπτες των ηλεκτρονικών ισχύος που χρησιμοποιούνται κατά τη φόρτιση.

Υδρογόνο και ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Οι κυψέλες υδρογόνου εμφανίζονται τον τελευταίο καιρό ως η προτιμότερη μορφή αποθήκευσης ενέργειας για αυτοκίνητα. Υπάρχουν δύο τρόποι παραγωγής υδρογόνου: είτε από διάσπαση ορυκτού φυσικού αεριού (μπλε υδρογόνο) που όμως απορρίπτει τον άνθρακα που εμπεριέχεται στο φυσικό αέριο, μειώνοντας έτσι την χρήση της συνολικής υπάρχουσας ενέργειας σε αυτό, είτε από ηλεκτρόλυση, χρησιμοποιώντας ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές (πράσινο υδρογόνο).

Στα ΗΟ με κυψέλες υδρογόνου η ενέργεια προέρχεται από το υδρογόνο, ενώ η μπαταρία έχει καθαρά βοηθητικό χαρακτήρα, περίπου όπως στα υβριδικά βενζίνης.

Ο περισσότερο συνηθισμένος τύπος κυψέλης (fuel cell) για ΗΟ χρησιμοποιεί πολυμερισμένη μεμβράνη (PEM). Η μεμβράνη είναι τοποθετημένη ανάμεσα στο θετικό (κάθοδο) και αρνητικό ηλεκτρόδιο (άνοδο). Οξυγόνο (αέρας) τροφοδοτείται στην κάθοδο και υδρογόνο στην άνοδο. Τα μόρια υδρογόνου διασπώνται σε πρωτόνια κα ηλεκτρόνια λόγω της ηλεκτροχημικής αντίδρασης στον καταλύτη. Και τα πρωτόνια περνούν την μεμβράνη και ταξιδεύουν στην κάθοδο. Τα ηλεκτρόνια περνούν από το εξωτερικό κύκλωμα (ηλεκτρονικά ισχύος, ηλεκτρικός κινητήρας) και ενώνονται με τα πρωτόνια στην κάθοδο και παράγουν νερό.

Η σημερινή τιμή του υδρογόνου για ΗΟ είναι περίπου 3.5 φορές αυτή της βενζίνης για την ίδια ενέργεια. Μια και το κιλό υδρογόνου το 2021 κόστιζε $16.5/kg η τιμή του πρέπει να πέσει σε $5.88/kg για να είναι ανταγωνιστικό.

Η διεθνής αρχή ενέργειας (International Energy Agency) λέει ότι η συνολική παραγωγή υδρογόνου πρέπει να φτάσει τα 180 εκατομμύρια τόνους στον χρόνο το 2030 για να σταματήσει η παραγωγή αερίων ρύπων (CO2) από καύσιμα. Σήμερα η παραγωγή υδρογόνου είναι 90 εκατομμύρια τόνοι το χρόνο.

Οι μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες (Toyota, Volkswagen) έχουν ήδη αναπτύξει προγράμματα και μοντέλα ΗΟ με υδρογόνο, αλλά δεν τα προωθούν με τις σημερινές συνθήκες κόστους. Στις ΗΠΑ τον περασμένο Νοέμβριο υπήρχαν 54 σταθμοί ανεφοδιασμού υδρογόνου σε σύγκριση με περίπου 50.000 σταθμούς ηλεκτρικής φόρτισης όλων των τύπων [9,10].

Από τα πλεονεκτήματα των ΗΟ υδρογόνου είναι:

Η φόρτιση με υδρογόνο διαρκεί λιγότερο από τέσσερα λεπτά, ενώ η ηλεκτρική φόρτιση δίνει 3-8 km ανά ώρα φόρτισης (φόρτιση τύπου 1), 15-30 km ανά ώρα φόρτισης (φόρτιση τύπου 2) και 150-300 km για 30 λεπτά (φόρτιση DC). Μια φόρτιση με υδρογόνο (Toyota) δίνει έως 600 km.

Βασικό πλεονέκτημα των κυψελών υδρογόνου σε σχέση με τις μπαταρίες, είναι ότι δεν χρησιμοποιούν τα μέταλλα που χρειάζονται οι μπαταρίες, με πολύ μικρότερη επιβάρυνση του περιβάλλοντος, χωρίς τα αντίστοιχα πολιτικά προβλήματα, καθώς και η απλή κατασκευή.

Στους τελευταίους 6 μήνες έχουν προγραμματιστεί διεθνώς 18% περισσότερα εργοστάσια ηλεκτρόλυσης περνώντας το 1 ΤW ηλεκτρικής εγκατεστημένης ισχύος. Η Ευρώπη είχε τα ηνία στην παραγωγή υδρογόνου έως πρόσφατα, αλλά το μερίδιο της σε νέα έργα έπεσε από 63% σε 56% και προβλέπεται να πέσει σύντομα περισσότερο. Η Βόρεια Αμερική έχει την μεγαλύτερη αύξηση τέτοιων εγκαταστάσεων. Προβλέπεται ότι έως το 2025 η τιμή του υδρογόνου θα πέσει κάτω από €7/kW έως το 2025 και €2.8/kW το 2050 [11].

Συμπεράσματα και το μέλλον

Η κίνηση με ηλεκτρικά αυτοκίνητα, παράλληλα με την αύξηση της χρήσης μαζικών μέσων μεταφοράς , κυρίως τρένων, δίνει την ελπίδα μείωσης του φαινόμενου θερμοκηπίου και υπερθέρμανσης του περιβάλλοντος, αλλά δεν μπορεί να θεωρηθεί πανάκεια. Τα ηλεκτρικά και υβριδικά αυτοκίνητα συνδέονται με πολιτικά προβλήματα διεθνώς, την παραγωγή και χρήση πρώτων υλών, τοπικά προβλήματα σχετικά με την τροφοδότησή τους, και είναι αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας σήμερα.

Ήδη με την σημερινή τεχνολογία και κόστος έχουν επιφέρει βελτίωση στο περιβάλλον και την ζωή αρκετών πόλεων, και η αυξανόμενη χρήση τους καθώς και τα αποτελέσματα της έρευνας αναμένεται να έχουν πολύ περισσότερα θετικά αποτελέσματα.

Αναφορές

1. Eric A. Taub, NY Times, Nov. 7, 2022,

2. Μελέτη του University of Michigan, Corrigendum: The role of pickup truck electrification in the decarbonization of light-duty vehicles (2022 Environ. Res. Lett. 17 034031)

3. Jim Motavalli, SAE International, Closing the loop on EV battery recycling, 2022-10-07

4. IEA, Paris https://www.iea.org/data-and-statistics/charts/fast-publicly- available-chargers-2015-2021, IEA.

5. https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2022/trends-in-charging- infrastructure

6. https://www.eea.europa.eu/ims/new-registrations-of-electric-vehicles.

7. Robert N. Charette, The EV Transition Explained Engineering a new cyberphysical system at scale poses daunting challenges, IEEE Spectrum 13 Nov 2022.

8. Srivastava, A., Manas, M. & Dubey, R.K. Electric vehicle integration’s impacts on power quality in distribution network and associated mitigation measures: a review. J. Eng. Appl. Sci. 70, 32 (2023).

9. https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis.

10. [10]Stillwater Associates analysis of U.S. Energy Information Administration (EIA) regular gasoline prices, CEC Hydrogen Fuel Cell Program.

11. The Wall Street Journal, Will Horner April 28, 2023.

----------------------

* Ο Ηλίας Στράγκας είναι Ομότιμος Καθηγητής Michigan State University, Electrical and Computer Engineering Department, Εργαστήριο Ηλεκτρικών Μηχανών και Ηλεκτρονικών Ισχύος

Το παρόν άρθρο αποτελεί αναδημοσίευση από το τεύχος 4 του περιοδικού ΠΥΛΩΝΕΣ, το οποίο εκδίδει η Ε.Ε. Cigre https://cigre.gr/