Patenty na OZE w transporcie – czy będziemy gotowi na Fit for 55?

Najnowsze decyzje Komisji Europejskiej wyznaczają cel w postaci obniżki emisji gazów cieplarnianych na bezprecedensowym poziomie 55% do 2030 roku. Oszczędności w ilościach emitowanych do atmosfery gazów będzie musiała szukać niemal każda branża. Szczególny jednak ciężar spocznie na transporcie. Zmiany, jakie będą musiały nastąpić do roku 2030 i później, także w związku z planowanym na 2035 rok zakazem sprzedaży samochodów spalinowych, tworzą niespotykany do tej pory popyt na innowacje. Bez nowych rozwiązań, spełnienie wymagań postawionych przez Komisję nie będzie możliwe lub będzie wiązało się ze znacznym obciążeniem dla gospodarki krajów UE.

Liczba patentów w dziedzinie rozwiązań niskoemisyjnych w transporcie rośnie wolniej, niż można by się spodziewać. Według raportu IEA i EPO, w skali świata liczba zgłoszeń w dziedzinie odnawialnych źródeł energii jest niższa niż 10 lat temu. Największy spadek zanotowano w latach 2014-2016. Innowacja będzie musiała znacząco przyśpieszyć, aby zamierzone przez Komisję Europejską efekty mogły dojść do skutku. Uwagę przyciąga również trend, obserwowany od początku drugiej dekady nowego tysiąclecia – liczba zgłoszeń wynalazków dotyczących odnawialnych źródeł energii i technologii niskoemisyjnych stale rośnie, natomiast w technologiach wykorzystujących paliwa kopalne – maleje.

Ograniczenie emisji gazów cieplarnianych – wielkie wyzwanie dla transportu

Transport to dziedzina, którą czekają w najbliższych latach fundamentalne zmiany. Przejście niemal w całości na technologie bezemisyjne w ciągu zaledwie 15 lat wymaga nie tylko skoordynowanych wysiłków państw członkowskich, ale i technologii, która te zmiany ułatwi. Obserwując rynek i publikacje medialne, można odnieść wrażenie, że technologia wodorowa stanowi margines rozwoju bezemisyjnych rozwiązań w transporcie. Tymczasem twórcy z wielu krajów rozwijają interesujące rozwiązania wykorzystujące wodór jako źródło energii. Badania ilościowe wskazują, że jest to jedna z bardziej „wznoszących się” dziedzin innowacyjności. W wielu wynalazkach stosuje się wodór jako źródło napędu pojazdów. Dwie główne dziedziny rozwoju tego sposobu pozyskiwania energii to ogniwa paliwowe zasilane wodorem i silniki spalinowe. Przykładem silnika spalinowego zasilanego wodorem może być rozwiązanie chronione patentem US6779337B2, zgłoszone przez koncern Forda. Pozwala ono na obniżenie emisji gazów cieplarnianych i szkodliwych tlenków azotu do poziomów uznawanych za śladowe. Emisje dwutlenku węgla wynikają wówczas wyłącznie ze śladowego spalania środków smarnych.

E-fuels

Pomimo, że wykorzystanie napędu elektrycznego zasilanego  akumulatorowo pozwala na najefektywniejsze wykorzystanie energii elektrycznej, to nie w każdym przypadku da się go wykorzystać. Niektóre środki transportu nie poddają się prostej elektryfikacji. W związku z tym, rośnie zainteresowanie paliwami alternatywnymi, między innymi e-fuels. Tą nazwą określa się paliwa wyprodukowane poprzez syntezę łańcuchów węglowodorów z dwutlenku węgla znajdującego się w atmosferze lub produkowanego przez elektrownie wykorzystujące paliwa kopalne i wodór, pochodzące z bezemisyjnych procesów. Najbardziej palącym zastosowaniem dla e-paliw jest lotnictwo. W obecnym stanie techniki nie ma realistycznej możliwości elektryfikacji flot linii lotniczych. Prace badawcze w tym kierunku są prowadzone między innymi przez firmę Airbus. Zaprezentowany przez nich w 2017 roku E-Fan X jest platformą demonstracyjną, pokazującą przyszłe możliwości technologii elektrycznej w lotnictwie. Proces projektowania i certyfikacji nowego typu samolotu może zająć jeszcze dziesięciolecia. Dlatego wydaje się, że na obecnym etapie rozwoju samolotów elektrycznych, wszelkie redukcje emisji będzie trzeba osiągnąć na istniejących już modelach . Oznacza to najprawdopodobniej pracę nad rozwojem i stosowaniem paliw ze źródeł odnawialnych.

Paliwo z powietrza, biopaliwa czy metanol?

Amerykańska firma Twelve Inc. zgłosiła szereg wynalazków opisujących sposoby syntezy paliw z gazowego dwutlenku węgla, między innymi patent numer US20200216968A1. Cytowany patent opisuje sposób otrzymywania metanu z wykorzystaniem atmosferycznego dwutlenku węgla. Proces ten można także dostosować do produkcji dłuższych łańcuchów węglowodorów lub alkoholi. Do tych paliw o zerowym bilansie węglowym odnosi się zgłoszony przez Twelve Inc. znak towarowy E-jet (nr rejestracji 5928340). Spółka, przy wsparciu amerykańskich sił powietrznych, dąży do wdrożenia na masową skalę procesu umożliwiającego uzyskanie odnawialnego paliwa lotniczego bez udziału złóż kopalnych. Cel ten według założycieli jest szczególnie ważny ze względu na brak perspektyw na elektryfikację samolotów długodystansowych, wykonujących loty dłuższe niż trzy i pół godziny.

Synteza paliw odnawialnych jest przedmiotem szeregu wynalazków. Poszukiwania paliw nienaruszających ekologicznej równowagi przebiegają w dwóch podstawowych kierunkach. Z jednej strony jest to udoskonalanie znanych rozwiązań produkcji biopaliw, z drugiej zaś – synteza z wykorzystaniem substratów będących produktem ubocznym innych procesów. Produkcja biopaliw wiąże się z wykorzystaniem roślin i powierzchni rolnych, które można wykorzystać do żywienia ludności lub zwierząt hodowlanych. Z punktu widzenia zrównoważonego rozwoju jest to rozwiązanie budzące pewne kontrowersje. Synteza węglowodorów będących komponentami benzyny, oleju napędowego lub paliwa lotniczego z produktów ubocznych spalania paliw kopalnych w elektrowniach lub z odzysku z atmosfery jest na wczesnym etapie rozwoju. Zainteresowanie tym kierunkiem badań rośnie, ponieważ proces ten posiada neutralny bilans emisji gazów cieplarnianych. Wiąże się jednak z wysokim zużyciem energii elektrycznej, którą trzeba pozyskać w inny sposób. Warunkiem koniecznym zrównoważenia tych metod jest dostęp do opłacalnego źródła energii ze źródeł odnawialnych. Patent EP2782892A1 opisuje syntezę metanolu z dwutlenku węgla. Proces ten opiera się na przekształceniu dwutlenku węgla w tlenek węgla i w dalszej kolei jego uwodornienie do metanolu. Alkohol ten jest paliwem wykorzystywanym obecnie w motorsporcie, oferującym wysoką liczbę oktanową i spalanie podobne do benzyny. Metody konwersji układów paliwowych na zasilanie metanolem są znane. Metanol z drugiej strony powoduje szybsze zużycie metalowych komponentów silnika przez wydzielany w procesie spalania kwas.

A może amoniak?

Praktycznie nieobecnym w szerszej publicznej świadomości jest kierunek badań nad silnikami zasilanymi amoniakiem. Amoniak, pozyskiwany w bezemisyjnych procesach ma zerowy ślad węglowy. Według niektórych wynalazków może skutecznie napędzać silniki okrętowe lub ciężkich pojazdów. Tego rodzaju badania prowadzi firma Man. Toyota Motor Company pracowała nawet nad spalinowym silnikiem zasilanym amoniakiem, przeznaczonym do montażu w samochodach osobowych. Patent na to rozwiązanie utrzymywany jest w mocy w Japonii i Stanach Zjednoczonych, nosi odpowiednio numery JP6221760B2 i US9249720B2. Przeszkodą we wprowadzeniu silników zasilanych amoniakiem jest zanieczyszczenie spalin tlenkami azotu, które są gazami niebezpiecznymi dla człowieka i stanowią składnik smogu. Cytowany patent oferuje jednak rozwiązanie pozwalające oczyścić spaliny, oparte na katalizatorze. Zaletą amoniaku jest znacznie większa gęstość energetyczna w porównaniu do wodoru, który również Toyota Motor Company próbuje stosować w silnikach spalinowych. Przykładowo, w tegorocznej edycji cyklu wyścigowego Super Taikyu Toyota wystawia samochód zasilany wodorem, co zdaje się wskazywać na zainteresowanie koncernu tą technologią. Podejrzewa się, że w przyszłości może pojawić się próba implementacji tego rodzaju napędu w drogowych autach tej firmy.

W najbliższych latach i dekadach oblicze transportu nieuchronnie odmieni się. Wybory europejskich i światowych decydentów pokażą, jaką drogę obierze przyszły rozwój tej dziedziny. Być może nadchodzące lata będą interesującym okresem różnorodności środków transportu. Przyszłość komunikacji i logistyki zależy również od tego, które z przytoczonych technologii okażą się opłacalne w masowej produkcji i osiągalne dla nabywców.