Kiedyś wierzyliśmy, że przyszłość stanowią samochody zasilane akumulatorowo. Wizja była jasna. Brak rur wydechowych. Tylko ciche floty Tesli i Nissanów przemykające obok szklanych drapaczy chmur, sen science-fiction powołany do życia przez wczesnych proroków techno, takich jak Bradbury i Dick. Hype był prawdziwy. W 2008 roku Barack Obama obiecał, że do 2015 roku na amerykańskich drogach pojawi się milion pojazdów elektrycznych. Wydawało się to nieuniknione. Sprzęt już mieliśmy. Liść Nissana. Tesla Model S. BMW ActiveE. Oni już tu byli. Byli genialni.
Wtedy rzeczywistość uderzyła mnie w twarz.
„Alarm zasięgu” nie jest już terminem marketingowym. To jest bariera fizyczna. Większość wczesnych pojazdów elektrycznych mogła przejechać zaledwie 100–200 mil, zanim akumulator się wyczerpał. I to wszystko. A co z infrastrukturą ładowania? Była rzadka. Nie można było po prostu zatankować. Trzeba było szukać gniazd. Strach przed znalezieniem się w beznadziejnej sytuacji stał się zabójcą rynku. Sprzedaż uległa stagnacji. W 2012 roku w salonach sprzedano jedynie 52 835 pojazdów hybrydowych typu plug-in i pojazdów elektrycznych. Od grudnia 2010 r. do tego okresu całkowita sprzedaż oscylowała wokół 70 000 sztuk. Na tle 15 milionów tradycyjnych samochodów sprzedawanych rocznie? To mniej niż jeden procent. Zaokrąglony błąd.
Zatem branża zmieniła kurs. Nie z tyłu, ale z boku. Firmy zdały sobie sprawę, że nie mogą po prostu czekać, aż baterie będą lepsze. Postrzegali gospodarkę paliwami kopalnymi nie jako porażkę, ale jako platformę. Audi przewodzi temu ruchowi. W szczególności stawia na e-gaz.
W 2013 roku Audi otworzyło pierwszy na świecie zakład przemysłowy do produkcji syntetycznych paliw neutralnych pod względem emisji dwutlenku węgla. To nie jest zwykła benzyna. Jest to e-gaz przeznaczony do pojazdów zasilanych sprężonym gazem ziemnym (CNG). Ich poligon doświadczalny? Audi A3 Sportback TCNG. Ale ważniejszą strategią jest infrastruktura. Ta roślina tworzy szablon. Buduje sieć niezbędną do dostarczania energii elektrycznej dla pojazdów elektrycznych i wodoru dla pojazdów napędzanych ogniwami paliwowymi, gdy technologie te rzeczywiście osiągną dojrzałość. To jest most.
Sceptycy nie są pod wrażeniem. Christopher DeMorro piszący dla Gas 2 skrytykował projekt. Jego argumentacja była bezpośrednia. Wyzwaniem jest nie tylko utrzymanie emisji, ale także ich ograniczenie. Koncentrując się na e-gazie, pozostaje nam standard emisji dwutlenku węgla. Powinniśmy dać pierwszeństwo pojazdom, które w zasadzie zużywają mniej energii. Wydajność jest ważniejsza niż synteza.
Zanim jednak odrzucisz ten projekt jako korporacyjne oszustwo, musisz zrozumieć mechanikę tego procesu. Będziesz musiał przyjrzeć się, jak Audi definiuje „neutralność węglową”. To nie magia. To jest chemia. I może to być jedyny powód, dla którego silnik spalinowy przetrwa następną dekadę.
Audi nie mówi tylko o zmniejszeniu swojego śladu węglowego. Firma aktywnie pracuje nad sposobem na uczynienie silników spalinowych neutralnymi pod względem emisji dwutlenku węgla. Jeśli terminy „ślad węglowy” lub „kompensacja emisji dwutlenku węgla” nie są Ci obce, rozważ następującą kwestię: ślad węglowy oblicza całą emisję dwutlenku węgla (CO2) przez osobę lub firmę. Głównym źródłem problemu jest CO2, ale dokładne pomiary uwzględniają również metan i chlorofluorowęglowodory. Liczby te są zwykle wyrażane w tonach ekwiwalentu CO2 rocznie.
Kiedy redukujesz emisję CO2 w ramach określonej działalności, ślad węglowy zmniejsza się. Jeśli zmniejszysz emisję do tego samego poziomu, co ślad węglowy, osiągniesz neutralność węglową. Firmy osiągają to na różne, czasem trudne, sposoby. Niektórzy zamiast węglowych budują elektrownie wiatrowe. Inni sadzą drzewa, aby sekwestrować dwutlenek węgla. Audi finansuje projekty mające na celu redukcję emisji gazów cieplarnianych. Wszystko to uważa się za kompensację emisji dwutlenku węgla.
Sektor transportu jest najtrudniejszą częścią. Transport ludzi i towarów zwykle wiąże się ze spalaniem paliw kopalnych. Do produkcji samochodu potrzebna jest energia elektryczna, często pozyskiwana z brudnych elektrowni. Wydobywanie, przetwarzanie i dostarczanie paliwa wymaga jeszcze większej ilości energii. Następnie samochód rusza. Silnik spalinowy emituje gazy cieplarniane. Gromadzą się w atmosferze. Tworzą koc rozgrzewający, który ogrzewa planetę. Problem ten mogłyby rozwiązać samochody elektryczne i wodorowe. Ale nie są one jeszcze opłacalne dla wszystkich i wszędzie przez wiele lat.
Instalacja Vertla i syntetyczny metan
Audi nazywa swoje podejście „zrównoważoną mobilnością”. Definiuje się ją jako holistyczną, neutralną pod względem emisji dwutlenku węgla mobilność na krótkich, średnich i długich dystansach. E-gaz (paliwo elektryczne) jest kluczem do utrzymania silnika spalinowego przy życiu w tym ekologicznym scenariuszu. Jak osiągnąć neutralność węglową, korzystając ze starszych technologii? Wykorzystanie dwutlenku węgla jako surowca.
Instalacje biogazu odpadowego dostarczają CO2. Specjalnie wybudowany zakład w Wertle w Niemczech obsługuje procesy chemiczne. Od 2013 r. zakład ten zużywa 2800 ton metrycznych CO2 rocznie. Produkuje 1000 ton metrycznych e-gazu rocznie. W połączeniu z innymi praktykami przyjaznymi dla środowiska, Audi osiąga neutralność pod względem emisji dwutlenku węgla w całym swoim łańcuchu wartości.
Chemicy nazywają e-gaz metanem. Konsumenci znają go jako gaz ziemny. Ogrzewa domy. Napędza pojazdy na gaz ziemny. To syntetyczne. Jest stosunkowo czysto.
Podstawy e-paliwa
Chemia e-gazu to nie magia. To seria reakcji. Wodór powstały w wyniku elektrolizy wody reaguje z dwutlenkiem węgla. Kontaktują się. Tworzy się metan. Rezultatem jest paliwo spalane w istniejących silnikach. Zachowuje się jak gaz ziemny. Wynik jest czysty, ponieważ CO2 został pierwotnie pobrany z powietrza.
Jeśli chcesz zrezygnować ze zwykłej benzyny, infrastruktura może stanowić wyzwanie. W USA Departament Energii oferuje „Wyszukiwarkę stacji paliw alternatywnych”. Wpisz swój kod pocztowy. Wybierz rodzaj paliwa. Zobacz, co jest dostępne. Sieć jest nadal rzadkością. Ona rośnie. Ale istnieje.
Po co trzymać się silników spalinowych, skoro istnieją akumulatory? Niepokój zasięgowy. Praca w zimne dni. Istniejąca sieć energetyczna. Ogromna liczba silników spalinowych, które wciąż jeżdżą po drogach. Audi nie rezygnuje z silnika. Stara się mieć pewność, że silnik nie wpłynie na bilans węgla. To jest most. Długi, chemiczny most.
Matematyka jest prosta. 1000 ton paliwa. 2800 ton metrycznych wsadu CO2. Reszta to woda. Wodór i tlen. Są uwalniane jako produkt uboczny. Czysto. Tylko. Albo przynajmniej tak proste, jak może to zrobić chemia na skalę przemysłową.
Czy jest skalowalne? Oto pytanie. Jeden zakład w Wertle stanowi dowód koncepcji. Rysunek. Nie jest to rozwiązanie globalne. Jeszcze nie. Ale to pokazuje, że koncepcja działa. Metan z powietrza. Neutralny pod względem emisji dwutlenku węgla. Gotowy do silników.
Reszta to tylko głośność. I koszt. I polityka. I infrastruktura. I czas.
Chemia procesu produkcyjnego
Odłóżmy na bok marketingowy glos. E-gaz to po prostu syntetyczny metan. To wyhodowany w laboratorium bliźniak prawdziwego gazu. Wiesz, co to jest prawdziwy gaz. Jest to bezbarwny i bezwonny gaz otrzymywany ze szczątków starożytnych roślin i osadów wodnych zakopanych głęboko w skorupie ziemskiej. Metan kopalny tworzy się przez miliony lat. Syntetyczny metan? Można go szybko wyprodukować.
Wszystko zaczyna się od elektrolizy.
Przepuścić prąd elektryczny przez wodę. Rozbić wiązania chemiczne. Dostaniesz wodór i tlen. Równanie reakcji jest proste:
2 H2O → 2 H2 + O2
Sam wodór wygląda obiecująco jako paliwo przyszłości. Skompresuj go, przechowuj w dużym zbiorniku, przepuść przez ogniwo paliwowe wraz z tlenem, a jako produkty uboczne otrzymasz energię elektryczną i wodę. Ale jest tu problem. Budowa infrastruktury wodorowej od podstaw jest kosztowna. Nie jesteśmy jeszcze na to gotowi.
Dlatego Audi wybiera inną ścieżkę. Biorą ten wodór i mieszają go z dwutlenkiem węgla. Proces ten nazywa się metanacją.
CO2 + 4 H2 → CH4 + 2 H2O
Rezultatem jest CH4. Metan. Zachowuje się dokładnie tak, jak gaz bagienny wydobywający się z bagien lub gaz ziemny wydobywany w głowicy odwiertu. Ta sama łatwopalność. Ten sam brak zapachu. Ten sam bezbarwny wygląd.
Dlaczego jest to ważne dla entuzjasty samochodów? Ponieważ nowe rury nie są potrzebne. Nie jest potrzebna żadna nowa sieć dystrybucji. To syntetyczne paliwo można bezpośrednio zintegrować z istniejącą siecią gazu ziemnego. Trafia do domów i firm. Tankuje się go na stacjach sprężonego gazu ziemnego (CNG ).
Przemysł motoryzacyjny koncentruje się na tym drugim punkcie. Stacje CNG dostarczają paliwo rosnącej flocie pojazdów na gaz ziemny, czyli NG. To nie jest magiczna różdżka do walki z globalnym ociepleniem. Nie przełamią naszej zależności od paliw kopalnych z dnia na dzień. Ale tworzą most. Utrzymują pracę silników, podczas gdy infrastruktura nadrabia zaległości.
W następnej części przyjrzymy się, w jaki sposób Audi faktycznie tankuje swoje samochody tym paliwem.
Rzeczywistość niskoemisyjnych pojazdów na gaz ziemny
Pomysł zasilania Audi A3 syntetycznym metanem wydaje się skokiem w przyszłość, jednak tak naprawdę ma swoje korzenie w rozwiązaniach inżynieryjnych z początku XX wieku. Kiedy na początku lat trzydziestych XX wieku udostępniono niezawodne linie przesyłowe gazu ziemnego, kierowcy chcieli korzystać z tego paliwa. Mechanika procesu jest prosta. Silniki czterosuwowe mieszają paliwo z powietrzem, zapalają je świecą zapłonową i napędzają tłoki w górę i w dół. Ta sama fizyka dotyczy zarówno benzyny, jak i gazu ziemnego. Gdyby w Stanach Zjednoczonych i na Bliskim Wschodzie nie odkryto tak ogromnych i tanich złóż ropy, na drogach mogłyby zdominować pojazdy napędzane gazem ziemnym (NGV).
Ale tak się nie stało. Obecnie pojazdy na gaz ziemny są produktem niszowym. Pod koniec 2011 roku na amerykańskich drogach jeździło zaledwie około 120 000 tych pojazdów. Na całym świecie ich liczba była wyższa – ponad 15 milionów – ale rozkład był nierówny. Pięć krajów: Iran, Pakistan, Argentyna, Brazylia i Indie kontrolowały prawie 70 procent rynku. Dlaczego tam? Kraje te nie posiadają wystarczających mocy przerobowych ropy naftowej. Korzystają z tego, co mają. Inne kraje prawdopodobnie pójdą ich śladem w następnej dekadzie, zwłaszcza jeśli ceny benzyny będą nadal rosły. Gaz ziemny jest tańszy. Szacunki wskazują, że oszczędność paliwa wynosi około 30 procent w porównaniu z benzyną.
Czystsze spalanie
Cena to nie jedyny plus. Emisje są niższe. Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska (EPA) klasyfikuje pojazdy napędzane gazem ziemnym jako najczystsze dostępne na rynku silniki spalinowe. Ten zaszczyt należy do wersji Hondy Civic napędzanej gazem ziemnym. Statystyki są imponujące. Poziom tlenku węgla zmniejsza się o 70 do 90 procent. Tlenki azotu spadają o 75–95 procent. Nawet dwutlenek węgla, główny gaz cieplarniany, zostaje zredukowany o 20–30 procent. Rezultatem jest poprawa jakości powietrza i wolniejszy postęp w kierunku globalnego ocieplenia.
Nie jest to idealne rozwiązanie. Zakup samochodu na gaz ziemny jest droższy z góry. Tankowanie stwarza wyzwania porównywalne z wyzwaniami związanymi z infrastrukturą ładowania pojazdów elektrycznych. W grudniu 2011 r. w Stanach Zjednoczonych istniało zaledwie około 1000 stacji benzynowych dla pojazdów zasilanych gazem ziemnym. Połowa z nich była prywatna. Dostęp publiczny był ograniczony. Można zainstalować domowy system napełniania, ale to zwiększa i tak już wysokie koszty. I chociaż zmniejszają emisję CO2, nie eliminują całkowicie efektu ocieplenia.
Cykl syntetyczny Audi
Pomyśl o pojazdach na gaz ziemny jak o moście. Technologia przejściowa. To się zmienia, jeśli można je zasilać syntetycznym metanem wytwarzanym z dwutlenku węgla. Audi planuje właśnie to zrobić w swojej fabryce w Werlte. Proces ten polega na rozszczepianiu wody na wodór i tlen poprzez elektrolizę. Wodór jest następnie łączony z dwutlenkiem węgla wychwytywanym w biogazowni. Ale elektroliza wymaga energii. Czy nie powoduje to przeniesienia zanieczyszczeń w inne miejsce? Tak. To najnowszy element projektu Audi e-gas. Skąd pochodzi prąd? Ze źródeł odnawialnych.
Podwójna elastyczność
Producenci samochodów tłoczący syntetyczny metan potrzebują samochodu, który będzie w stanie go używać. Dla Audi jest to Audi A3 Sportback TCNG. Nie stworzyli „czystego” samochodu na gaz ziemny. A3 TCNG jest wyposażony w zbiorniki zarówno na gaz ziemny, jak i benzynę. Silnik płynnie przełącza się pomiędzy nimi. Czy zostało już niewiele LNG? Żadnej stacji benzynowej na horyzoncie? Użyj benzyny. To kompromis, ale celem jest jak największa jazda na gazie ziemnym. Audi przewiduje, że 1500 zmodyfikowanych modeli A3 TCNG będzie mogło przejechać 15 000 kilometrów rocznie na odnawialnym e-gazie. Rozpoczęcie sprzedaży planowano na rok 2013.
Zasilanie sieci wiatrem i odpadami
Zakład w Werlte jest zakładem hybrydowym. To pierwsza na świecie instalacja łącząca elektrolizę wodoru z metanizacją. Wodór otrzymujesz z wody i mieszasz go z dwutlenkiem węgla. Rezultatem jest syntetyczny metan. Ale główna historia nie dotyczy chemii. Ona jest w źródle energii.
Energia zaczyna się od wiatru. Silne, ciągłe bryzy znad Morza Północnego. Audi zainstalowało tam trzy duże morskie farmy wiatrowe. Cztery turbiny. Każdy generuje 3,6 megawata. Roczna wielkość produkcji? Pięćdziesiąt trzy gigawatogodziny. To ogromna liczba elektronów. Audi ma trzy jasne plany wykorzystania ich.
Po pierwsze, bezpośrednia dostawa. Firma twierdzi, że może wykorzystać energię wiatru do wyprodukowania 1000 egzemplarzy Audi A1 e-tron. Pojazdy te będą pokonywać rocznie 10 000 kilometrów. Czysto elektryczny. Brak gazów spalinowych.
Po drugie, sam zakład w Werlte. Do obiektu zostanie skierowanych około 20 gigawatogodzin tej energii wiatrowej. Tutaj prąd elektryczny rozkłada wodę na tlen i wodór. W najbliższej perspektywie wodór ten nie będzie trafiał do ogniw paliwowych. Jest głównym składnikiem e-gazu. Metan syntetyczny. Wchodzi do sieci gazu ziemnego. I wsiada do pojazdów zasilanych gazem ziemnym (NGV).
Po trzecie, przechowywanie. Farmy wiatrowe są niestabilne. Czasami wytwarzają więcej energii, niż jest w stanie obsłużyć sieć. Nadwyżka energii jest zwykle tracona. E-gaz zmienia tę zasadę. Można go wpompować do niemieckiej infrastruktury gazu ziemnego. Zachowaj to. Odzyskaj później, gdy wymagane będzie wytwarzanie energii. Niemiecka sieć jest ogromna. Może przechowywać równowartość 200 terawatogodzin energii elektrycznej. Wystarczająco, aby światło świeciło przez wiele miesięcy.
Współpraca i wydajność
Audi nie wymyśliło tego cyklu od zera. Proces pochodzi z Centrum Badań nad Energią Słoneczną i Wodorem Badenii-Wirtembergii. Współpracowali z Instytutem Fraunhofera ds. Energii Wiatrowej i Technologii Systemów Elektroenergetycznych. W proces zaangażowana jest także technologia paliw słonecznych. Ich obiekt znajduje się tuż obok Werlt.
Tutaj liczy się efektywność. Elektroliza i metanizacja uwalniają ciepło odpadowe. Fabryka Audi wychwytuje to ciepło. Wykorzystuje ją technologia paliwa słonecznego. Ta synergia między zakładami znacznie poprawia ogólną wydajność. Zamienia wadę w zaletę.
Harmonogram i perspektywy na przyszłość
Zakład w Werlte osiągnął etap montażu ostatniej belki w grudniu 2012 roku. Rozpoczęcie produkcji planowano na rok 2013. Termin ten zbiegł się z premierą nowego modelu Audi A3 Sportback TCNG. Samochody te trafiły do dealerów pod koniec 2013 roku.
Plan działania na tym się nie kończył. W 2015 roku planowano wypuszczenie drugiego modelu TCNG, opartego na podwoziu A4. Cel był prosty: więcej pojazdów na gaz ziemny na drogach.
Audi nie było jedynym graczem. Chrysler i General Motors wypuściły już wersje swoich ciężkich samochodów ciężarowych na gaz ziemny. Honda promuje swój model Civic zasilany gazem ziemnym. Przesłanie było spójne. Oszczędzaj pieniądze. Zmniejsz emisję. Może też ocalimy planetę.
Infrastruktura się zmienia. Paliwo się zmienia. Ale silniki? Nadal muszą coś spalić. Niezależnie od tego, czy są to elektrony, wodór czy syntetyczny metan, koło wciąż się kręci.
