Paliwo przyszłości: zrównoważona produkcja ogniw paliwowych

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.

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.

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.

http://industrial.omron.pl

źródło: Omron