Paliwo przyszłości: na co zwracać uwagę przy produkcji ogniw paliwowych
Opublikowano 10 Marzec 2022 w Sustainable Manufacturing
Firmy motoryzacyjne z sektora ACES potrzebują inteligentnych strategii i technologii produkcyjnych, aby wykorzystać potencjał wodoru.
Kiedy mówimy o zrównoważonej mobilności, pierwszą rzeczą, która przychodzi na myśl, są samochody elektryczne zasilane z akumulatorów. Ogniwa paliwowe lub zasilanie wodorem to technologie uzupełniające. Często giną w tle, chociaż mają duży potencjał dalszego obniżania emisji CO₂ i sprawdzenia się na rynku.
Entuzjazm wobec wodoru podziela niemiecki i europejski przemysł motoryzacyjny. W niedawnym badaniu Expleo 80% badanych producentów samochodów stwierdziło, że uważają pojazdy zasilane wodorem za bardziej przyjazne dla środowiska i czystsze od samochodów elektrycznych. Ponadto 64% z nich uważa, że pierwsze samochody zasilane wodorem gotowe do produkcji seryjnej pojawią się na rynku w ciągu najbliższych dwóch lat.
Potrzeba jednak bardziej innowacyjnego podejścia producentów i dostawców, wsparcia ze strony polityków oraz inwestycji w lepszą infrastrukturę energetyczną. Ważny jest również fakt, że firmy 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 — inteligentna fabryka. Linie produkcyjne muszą być zautomatyzowane i zdigitalizowane, procesy ręczne wyeliminowane, a motorem rozwoju muszą być innowacje.
Prawdziwie zrównoważona produkcja wodoru przy użyciu wyłącznie energii odnawialnej
Nowoczesna i 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. Oprócz napędów elektrycznych i wodorowych w zestawieniu zrównoważonych typów napędów powinny być również wymienione e-paliwa i paliwa syntetyczne. 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.
Niektóre duże firmy motoryzacyjne są zbyt ostrożne wobec wodoru
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 łatwego przechowywania, transportowania i udostępniania wodoru w formie molekularnej. Napędy wodorowe są coraz częściej używane w pojazdach komercyjnych, takich jak autobusy miejskie. Wynika to w szczególności z faktu, że oferują one więcej miejsca na napęd. Napędy wodorowe są nadal stosunkowo rzadkie w „normalnych” samochodach, co częściowo wynika z braku stacji do tankowania H₂, ale także ze względu na niedostatecznie zdecydowane wdrażanie.Zwiększenie automatyzacji procesów elektrolizy i produkcji ogniw paliwowych
Pojazdy nowej energii, tak zwane pojazdy NEV, to niezbędny element rozwoju, 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.
Rozpowszechnienie technologii elektrolizy i ogniw paliwowych wymaga innowacji produktowej i procesowej celem zmniejszenia kosztów produkcji, a także pobudzania wdrażania nowych rozwiązań. Konieczne jest skalowanie wielkości produkcji przy jednoczesnym zachowaniu jednolitych wymagań jakościowych. Zaleca się elastyczne i skalowalne linie produkcyjne, które można szybko i łatwo dostosować do indywidualnych wymagań. Konieczne jest dążenie do zmniejszania kosztów produkcji ogniw paliwowych, ponieważ jest to jedyny sposób na wdrażanie tej technologii 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 z pomocy partnera zaznajomionego z automatyzacją produkcji akumulatorów. Oprócz technologii i wiedzy technicznej niezbędna jest również pomoc integratorów systemów i konstruktorów maszyn, którzy będą uczestniczyć w rozwoju tego zagadnienia. W procesie produkcji akumulatorów i ogniw paliwowych szczególnie ważne jest łączenie ogniw — ponieważ mogą tu wystąpić wycieki.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.
Kolejnym filarem jest sztuczna inteligencja (AI), ponieważ może być wykorzystana 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. Szczególną uwagę należy zwrócić na sprawne i elastyczne procesy intralogistyczne, przede wszystkim na przejrzyste łańcuchy dostaw.
