Urządzenia do zastosowań przenośnych wyglądają najbardziej obiecująco
Wysokie ceny energii stanowią motywację do opracowywania ogniw paliwowych, które mają zasilać wszystko, od samochodów do laptopów, a nawet wielorodzinne domy.
Wersja próbna ogniw paliwowych do laptopa pojawi się na scenie w tym roku, a ABI Research (Oyster, NY) przewiduje, że do roku 2012 13,5% laptopów będzie pracować na ogniwach paliwowych.
W transporcie Departament Energii USA przeznaczył pierwsze 350 mln USD (z puli określanej na łączną sumę 1,2 mld USD) na oszacowanie komercyjnej przydatności wodorowych ogniw paliwowych do samochodów, co ma nastąpić do 2015 r.
A w światowym wyścigu technicznym przedsiębiorstwa komunalne w Japonii rozpoczynają w bieżącym roku szeroko zakrojony program, w którym obywatele – łącznie z premierem Koizumi – pierwszy kilowat mocy w domach będą pobierać z ogniw paliwowych.
Tymczasem rynek zaroił się od nowo utworzonych firm oraz stowarzyszeń przemysłowych, których zadaniem jest przyspieszenie prowadzonych badań. – Technika poczyniła postępy i doszła d o punktu,w którym prawdziwe produkty wchodzą w fazę komercjalizacji – mówi Scott Pearson, główny dyrektor zarządzający firmy Protonex, developera ogniw paliwowych z Southboro, MA.
Urządzenia przenośne na czele
Na przykład Protonex współpracuje z armią USA nad testowaniem w terenie produkowanych przez firmę wodorowo-powietrznych ogniw paliwowych. Ten system membran do wymiany protonowej oferuje wydajne zasilanie do przenośnych urządzeń GPS, radioodbiorników wojskowych, noktowizorów oraz innych urządzeń wojskowych. Firma zwróciła uwagę na fakt, że żołnierz podczas trzydniowej misji musiałby nosić ok. 10 kilogramów baterii, które może zastąpić ważące ok. 2,5 kg ogniwo paliwowe Protonex.
Oprócz tego Protonex podpisał w roku 2004 strategiczną umowę z firmą Parker-Hannifin dotyczącą wspólnej pracy nad ogniwami paliwowymi. Protonex dostarczy ogniwa paliwowe, a Parker pompy, zawory, uszczelnienia oraz bloki uzupełniające system. W listopadzie 2004 r. firmy przedstawiły pierwsze prototypy będące owocem współpracy – przenośne generatory o mocy 150 i 500 W.
Inna firma z Massachusetts, Giner Electromechanical Systems, pomaga General Motors w opracowaniu wodorowych ogniw paliwowych do samochodów, jak również opracowuje swój własny prototyp ogniw paliwowych zasilanych bezpośrednio metanolem (direct methanol fuel cells – DMFC). Jeden zespół 150 W o wielkości pudełka na buty może służyć jako ładowarka do baterii lub bezpośrednie źródło zasilania łodzi i pojazdów rekreacyjnych. Zastosowanie tego rozwiązania rozważa również wojsko. – W dziedzinie ogniw paliwowych dzieje się coraz więcej – mówi Lawrence Gestaut, wiceprezes firmy Giner ds. technologii. – Wszyscy skupiają się na rozwiązywaniu problemów, żeby trafić na szczyt.
MTI Micro (Albany, NY) twierdzi, że jest pierwsza firmą, która skomercjalizowała ogniwa paliwowe (patrz http://rbi.ims.ca/4388-511). W grudniu 2004 r. firma rozpoczęła sprzedaż ogniw paliwowych zasilanych bezpośrednio metanolem, które stanowią zintegrowany komponent przenośnego czytnika RFID produkowanego przez Intermec Technologies (Everett, WA). Zasilacz, którego rozmiary wynoszą zaledwie 7,62×7,62 cm, w sposób ciągły zasila litową baterię jonową. W rezultacie pięciokrotnie wzrasta długość jego użytkowania w porównaniu z urządzeniem zasilanym tylko przez baterię.
William Acker, prezes MTI Micro, przypisuje zdolność ogniwa do osiągania większej gęstości mocy w tak kompaktowym pakiecie uproszczonemu systemowi zarządzania wodą, który znajduje się w pakietach MobionTM. System podaje 100% metanolu bezpośrednio do anody ogniwa. Ten projekt eliminuje potrzebę stosowania mikropomp, które przenoszą wodę z katody do anody w typowym DMFC.
TRANSPORT: Autobusy wyposażone w ogniwa wodorowe Ballard Systems pracują już w wielu krajach. Ford oraz DaimlerChrysler również planują zainwestowanie 44 mln USD w firmę Ballard w celu przyspieszenia rozwoju systemów wodorowych dla samochodów
MTI Micro opracowała również mniejszy prototyp 40 cm2 przeznaczony dla inteligentnych telefonów oraz innych elektronicznych towarów konsumenckich. Podobnie jak Protonex firma przystąpiła do strategicznej współpracy z dużymi firmami. DuPont dostarczy materiały na membrany ogniw. Gillette Duracell zajmie się uzupełnianiem paliwa dla produktów konsumenckich, a Flextronics wyprodukuje ogniwa.
Acker twierdzi, że ogniwa paliwowe będą przejmować coraz większą część rynku zasilania przenośnych urządzeń elektronicznych, która pod koniec bieżącej dekady powinna wzrosnąć z 7 mld USD do 10 mld USD. Według Ackera kiedy OEM dodają do kamer, telefonów i innych urządzeń coraz więcej opcji, pobór mocy staje się zbyt duży dla tradycyjnych baterii.
David Kurzman, analityk z Needham & Co. z Nowego Jorku, zgadza się, że to właśnie rynek urządzeń przenośnych, a nie aplikacji transportowych czy stacjonarnych, oferuje najlepsze możliwości zastosowania ogniw paliwowych w najbliższej przyszłości.
Przeszkody
Pomimo tych jakże pozytywnych objawów przemysł ten czeka sporo wyzwań. Carl Pinto, dyrektor do spraw rozwoju produktów w firmie Toshiba Notebooks, zauważył, że komercyjne zastosowanie ogniw paliwowych w laptopach zależy od nowych standardów i regulacji, które pozwolą na wnoszenie nowych źródeł mocy na pokłady samolotów pasażerskich. Narody Zjednoczone już zajęły się tym tematem. Może się jednak okazać, że będzie to długa droga, ponieważ Stowarzyszenie Transportu Powietrznego i Federalna Administracja Lotnictwa również muszą wypowiedzieć się w tej sprawie. Plusem jest jednak to, że CSA America oraz Underwriters Laboratory ogłosiły w grudniu 2004 r., że wspólnie opracują i opublikują nowy standard, który wyszczególni wymogi stawiane przed mikrosystemami ogniw paliwowych i kartridżami.
Tymczasem Toshiba posuwa się do przodu w pracach nad ogniwami paliwowymi do produktów z dziedziny elektronicznych towarów konsumenckich. Przyznając nagrody dla najlepszej 50-tki za rok 2004, Scientific American nazwał Toshibę i MTI Micro liderami w sektorze energii. Wśród prototypów Toshiby znajduje się ogniwo paliwowe zasilane bezpośrednio metanolem, które działa jako stacja dokująca dla laptopa, zapewniając dodatkowe zasilanie i przedłużając okres użytkowania litowych baterii do 10 godzin.
Jeszcze jeden prototyp Toshiby, pasywny system DMFC bez pomp, waży zaledwie 8,5 g i jest na tyle mały, że może zasilać odtwarzacz muzyki MP3 aż przez 20 godzin, na jednej dawce metanolu 2 cm3.
Pinto zauważa, że producenci przenośnych ogniw paliwowych muszą jeszcze pokonać wiele przeszkód, takich jak redukcja wielkości pompy w aktywnych systemach DMFC przynajmniej o 50%. Przemysł musi również przygotować sieć stacji do uzupełniania paliwa ogniw. Mimo to Pinto wierzy, że jon litowy ma bardzo mały potencjał rozwoju oraz że ogniwa paliwowe to technologia nowej generacji.
Perspektywy dla domów i samochodów
Postęp w dziedzinie ogniw paliwowych dla transportu jest powolny, ale i tu widać pozytywne oznaki. Firma Cellex (Vancouver, Kanada) opracowała skompresowany system wodorowy, który ma zastąpić akumulator kwasowo-ołowiowy w wózkach widłowych. Ogniwo paliwowe pracuje dwa razy dłużej niż bateria i wymaga zaledwie 7 minut na uzupełnienie paliwa, podczas gdy akumulator potrzebuje aż 30 minut. Jedną z firm, które wykonują testy systemu w swoich centrach dystrybucji, jest Wal-Mart.
W przemyśle motoryzacyjnym Dział Energii wymienił w zeszłym roku firmy, które otrzymują pierwszą pulę z 350 mln USD funduszy na rozwój rozwiązań wodorowych i ogniw paliwowych. Wśród liderów transportu znalazły się: United Technologies, General Motors oraz Ballard Systems z Kanady.
Mike Rosenberg, skarbnik Ballard, powiedział Design News, że połowa pojazdów znajdujących się w programie DOE będzie zasilana ogniwami Ballard. Firma już przedstawiła programy z zasilanym wodorem autobusem Mercedes-Benz Citaro w kilku miastach Europy, jak również w Australii, Chinach i Kalifornii. W ciągu 18 miesięcy Ford i DaimlerChrysler wprowadzą dalsze 90 pojazdów do swojej floty testowej, pracującej na ogniwach wodorowych Ballard.
Jednak zanim rozwiązania wodorowe zostaną zastosowane w transporcie, trzeba jeszcze uporać się z poważnymi wyzwaniami, począwszy od problemów technicznych, takich jak mała gęstość energii, po opracowanie struktury paliwowej. Eksperci zgadzają się, że w celu zapewnienia wiarygodnych aplikacji napędowych przemysł musi osiągnąć 50 USD/kWh. – Obecnie mamy 100 razy tyle – mówi Gestaut z Giner.
Rosenberg wierzy jednak, że kiedy przemysł rozpocznie produkcję na dużą skalę samochodów na napęd wodorowy – przynajmniej 250 000 – ten cel stanie się realny, co zbiegnie się z realizacją wytyczonego przez rząd terminu przypadającego na rok 2015, kiedy powinno nastąpić zademonstrowanie możliwości wodoru. Dodaje również, że producenci osiągną znaczne korzyści w dziedzinie oszczędności energii, kiedy samochody zaczną być projektowane dla tych właśnie systemów.
Perspektywa systemów ogniw paliwowych dla aplikacji nieruchomych wygląda bardziej optymistycznie. Na początku roku 2005 trzy zakłady komunalne w Japonii uruchomiły program, który ma na celu zaspokojenie ponad 60% potrzeb energetycznych w domach za pomocą systemów kogeneracji mocy 1 kW wodoru firmy Ballard. Cena jednego urządzenia wynosi 10 000 USD, z czego połowę pokrywa rząd.
Ogniwa stacjonarne stają się coraz bardziej atrakcyjnym źródłem energii (głównym lub zapasowym) dla hoteli oraz budynków college’ów, szacuje się więc, że sprzedaż stacjonarnych ogniw paliwowych wzrośnie z obecnego poziomu poniżej 200 milionów USD do 11,4 mld USD w roku 2009 – jak podaje organizacja Research and Markets.
Niezależnie od aplikacji badacze zajmujący się ogniwami paliwowymi są przekonani, że utrzymujący się trend wzrostowy zapotrzebowania tradycyjnych źródeł energii sprawi, że technologia ta z każdym rokiem będzie się stawać coraz bardziej wiarygodna.
Lawrence D. Maloney
NOWA WSPÓŁPRACA: Protonex połączył siły z Parker Hannifin w celu opracowania prototypów przenośnych generatorów 150 i 500 W
