W obliczu globalnych zmian w napędzaniu łańcuchów logistycznych, sektor intralogistyki poszukuje zrównoważonych i wydajnych alternatyw dla tradycyjnych źródeł zasilania. Jedną z najbardziej obiecujących technologii są wózki widłowe z napędem wodorowym, które oferują znaczące korzyści środowiskowe i operacyjne.
Ewolucja napędów w intralogistyce
Wózki widłowe poruszające się po halach magazynowych są niezbędnym elementem do przemieszczania kartonów i palet z ciężarówek na regały. Jako że pracują one w pomieszczeniach zamkniętych, długo były traktowane jako mające stosunkowo niewielki wpływ na zanieczyszczenie. Większość wózków widłowych jest obecnie zasilana z akumulatorów elektrycznych lub posiada silniki termiczne wykorzystujące gaz ziemny. Jednakże, pojawia się nowa, ekologiczna alternatywa w postaci wodorowych ogniw paliwowych.
Wyzwania współczesnych rozwiązań energetycznych
Dzisiejsze wózki widłowe, nawet te zasilane energią elektryczną, mają swoje wady. Jak w przypadku wielu akumulatorów, czas ładowania jest długi, zwłaszcza w przypadku bardzo aktywnego środowiska działającego przez długie okresy dnia i nocy, takiego jak magazyn logistyczny. Baterie, które się wyczerpały, muszą być regularnie wymieniane. Autonomia współczesnych baterii jest ograniczona, a ich wydajność spada wraz ze zmniejszającym się stopniem naładowania. Oznacza to, że potrzebny jest duży zapas w pełni naładowanych akumulatorów. Nawet wtedy przełączanie trwa do 20 minut. Baterie litowe (stanowiące zaledwie 5% obecnych baterii w wózkach widłowych) można naładować w ciągu dziesięciu minut, ale potem zapewniają one średnio tylko godzinę pracy do następnego ładowania. Ponadto, rosnące ceny energii elektrycznej, zagadnienia związane z pozyskiwaniem surowców do produkcji akumulatorów oraz ich utylizacją, a także ograniczenia związane z niestabilnością dostaw prądu z odnawialnych źródeł energii (OZE), stawiają nowe wyzwania.
Wodór jako paliwo przyszłości w intralogistyce
Przejście z akumulatorów na wodorowe ogniwa paliwowe daje ogromne możliwości. Wodór jest bez wątpienia istotnym elementem mieszanki energetycznej przyszłości, nawet jeśli jego zastosowanie ogranicza się do wąskiego obszaru. Dzięki swojej wysokiej, w odniesieniu do masy, gęstości energetycznej, wodór dostarcza około trzy razy tyle energii co benzyna. Inaczej niż w przypadku paliw kopalnych, jego spalanie nie powoduje emisji szkodliwych substancji.
Zasada działania wodorowego ogniwa paliwowego
Kluczowa różnica polega na tym, że ogniwa paliwowe H2 są zintegrowane z pojazdem i wytwarzają energię elektryczną na pokładzie. Pojazdy z systemem hybrydowym składającym się z ogniwa paliwowego i akumulatora to w istocie pojazdy elektryczne, które wykorzystują wodór jako źródło energii. Prąd jest przy tym generowany bezpośrednio w wózku jezdniowym. Wszystkie potrzebne komponenty są zawarte w tak zwanym module Battery Replacement Modul (BRM), którego wymiary odpowiadają standardowemu schowkowi na akumulator.
W stosach ogniwa paliwowego wodór wchodzi w reakcję z tlenem z otaczającego powietrza, wytwarzając przy tym prąd, wodę i ciepło (spalanie zimne). Powstająca energia zasila wbudowany akumulator litowo-jonowy. Pełni on funkcję bufora i zasila pojazd w trybie normalnym w moc elektryczną oraz gromadzi prąd odzyskiwany podczas hamowania w ramach tak zwanej rekuperacji. W przeciwieństwie do zastosowania paliw kopalnych, podczas wykorzystywania wodoru w technologii Fuel Cell powstają tylko trzy produkty: energia, ciepło i woda lub para wodna. Może być ona swobodnie uwalniana do środowiska bez negatywnych konsekwencji, inaczej niż w przypadku szkodliwych emisji CO2.
Korzyści operacyjne i środowiskowe
Zamiast ładować lub wymieniać akumulatory, ogniwo energetyczne pojazdu jest po prostu tankowane wodorem w mniej niż trzy minuty i może pracować przez osiem godzin. Prowadzi to do znacznego wzrostu wydajności. Szybkie tankowanie zamiast czasochłonnego ładowania i wymiany akumulatora zwiększa produktywność. Ogniwa paliwowe w cięższych wózkach o udźwigu między 1 a 3 tony pozwolą na wyeliminowanie emisji dwutlenku węgla. Wodorowe ogniwa energetyczne emitują jedynie niewielką ilość wody, dzięki czemu nie ma żadnych zanieczyszczeń. Rozwiązanie H2 może wyeliminować problemy związane z wydajnością baterii elektrycznych.
Tankowanie wózka widłowego z ogniwami paliwowymi
Inne kluczowe zalety obejmują:
- Stała moc i wysoka wydajność szczytowa: Dzięki systemom ogniw paliwowych pojazdy mają stałą moc i osiągają wysoką wydajność szczytową, co jest kluczowe w pracy wielozmianowej.
- Dłuższa żywotność: Czas eksploatacji ogniwa paliwowego sięga 10 lat, czyli dwukrotnie więcej niż tradycyjnych akumulatorów, co drastycznie obniża koszty przez cały cykl życia i chroni zasoby naturalne.
- Redukcja ryzyka i oszczędność miejsca: Brak konieczności wymiany baterii i związanej z tym infrastruktury pozwala zachować cenną przestrzeń magazynową oraz redukuje ryzyko związane z wymianą baterii kwasowo-ołowiowych.
- Poprawa warunków pracy operatorów: Poza korzyściami dla środowiska, celem wprowadzenia wózków widłowych z napędem wodorowym jest również poczynienie dalszego postępu w podstawowej kwestii w logistyce magazynowej - dobrego samopoczucia i zdrowia operatorów. Podczas eksploatacji ogniw paliwowych nie dochodzi do zanieczyszczenia kwasami lub innymi chemikaliami, co jest istotne w branżach o surowych wymogach higienicznych, np. w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym.
- Możliwość pełnienia roli zapasowego źródła energii: Dzięki temu, że zainstalowane w nich ogniwa paliwowe wytwarzają prąd, wózki widłowe mogą pełnić rolę zapasowego źródła energii.
- Praca w trudnych warunkach: Wodorowe ogniwa paliwowe umożliwiają wydłużoną pracę urządzeń w temperaturach od -18°C do +4°C.
Wdrożenia i rozwój technologii wodorowej w branży
Branża urządzeń do transportu poziomego już od dawna jest pionierem w zakresie elektromobilności, a teraz intensywnie inwestuje w rozwój i adaptację technologii wodorowej.
Hyundai Construction Equipment
Wodór napędzi wózki widłowe marki Hyundai Construction Equipment. Producent podpisał z firmą S Fuel Cell porozumienie o rozwoju wózków widłowych klasy 1 - 3 tony z ogniwem wodorowym. Obecnie budowane są pierwsze prototypy. Produkcja wózków widłowych na wodór ma ruszyć w 2023 roku. W ciągu dwóch lat Hyundai Construction Equipment wspólnie z firmą S Fuel Cell wdroży niezawodny i dostępny napęd wodorowy w wózkach klasy 1-3 tony. Hyundai Construction Equipment pierwszy wózek na wodór w klasie 5 ton zbudował już w 2020 roku wspólnie z firmą Hyundai Mobis. Teraz firma podjęła decyzję o poszerzeniu oferty produktów zasilanych ogniwami paliwowymi.
FM Logistic i projekt „Hawl”
Aby zbadać zastosowanie wodoru, firma FM Logistic rozpoczęła projekt „Hawl” pod koniec 2014 roku i zdecydowała się wyposażyć swój magazyn we Francji, w pobliżu Orleanu, w 54 wózki widłowe zasilane ogniwami wodorowymi. Projekt został utworzony przez konsorcjum firm, w skład którego weszły Air Liquide (specjalista od wodoru), Plugpower (producent ogniw paliwowych), Toyota i Crown (obaj producenci wózków widłowych). Celem było przede wszystkim zademonstrowanie skuteczności wodorowych wózków widłowych oraz pełne zrozumienie wymagań technicznych związanych z ich wykorzystaniem w środowisku logistycznym. FM Logistic chciało znaleźć zrównoważoną alternatywę i wykazać ekonomiczne profity rozwiązania. FM Logistic chce to połączyć z produkcją zielonego wodoru, co w efekcie da zeroemisyjne rozwiązanie. Zastosowanie wózków H2 jest tym bardziej spójne, że operator może produkować go lokalnie ze źródeł odnawialnych na terenie swoich platform. Tak jest już w Ilescas, w pobliżu Madrytu, gdzie w I kwartale 2022 r. została oficjalnie uruchomiona stacja produkcji zielonego wodoru.
Toyota i jej wodorowe zaangażowanie
Dwa lata po rynkowej premierze wodorowego sedana Mirai, Toyota wprowadza kolejne pojazdy wykorzystujące technologię ogniw paliwowych. W fabryce Motomachi w Toyota City w Japonii rozpoczęły pracę dwa wózki widłowe z napędem na wodorowe ogniwa paliwowe. Wózki widłowe o ładowności 2,5 tony są wyposażone w silnik elektryczny, zasilany energią produkowaną w ogniwach paliwowych w reakcji wodoru i tlenu. Ich zatankowanie trwa tylko 3 minuty, co powoduje, że są tak samo praktyczne w użyciu jak pojazdy spalinowe, jednak nie emitują żadnych spalin ani dwutlenku węgla. Toyota zamierza wymienić wszystkie wózki widłowe używane w jej fabrykach na pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi. W ten sposób firma zredukuje wpływ swoich zakładów na środowisko.
STILL: pionierstwo i własne kompetencje
W STILL dostrzeżono potencjał wodoru w intralogistyce na wczesnym etapie i od 2003 roku pracuje się nad studiami wykonalności w różnych projektach. Firma STILL przygotowała się na przyszłość, uruchamiając produkcję własnych ogniw paliwowych i nawiązując strategiczne partnerstwa z kompleksowymi dostawcami infrastruktury wodorowej. Zdecydowano się wzbogacić portfolio produktów STILL o własne, produkowane w Hamburgu 24-woltowe systemy ogniw paliwowych. Przedsiębiorstwo nawiązało także współpracę ze specjalizującą się w doradztwie w zakresie infrastruktury wodorowej firmą Hydrogentle GmbH.
Linde Material Handling: kompleksowe podejście i własna produkcja
Linde MH jest uważany za jednego z pionierów wykorzystania wodoru w intralogistyce, który już w 2000 roku opracował pierwszy w pełni sprawny prototypowy wózek widłowy z napędem na ogniwa paliwowe. Niemal dziesięć lat później Linde była pierwszym producentem w Europie produkującym seryjnie pojazdy wodorowe. Dzisiaj 80% serii pojazdów można na życzenie wyposażyć w ogniwa paliwowe, w tym wózki widłowe z przeciwwagą, ciągniki holownicze i wózki paletowe. Linde oferuje kompleksowe rozwiązania również w przypadku technologii wodorowej. Klienci otrzymują pojazdy, systemy ogniw paliwowych oraz powiązane usługi serwisowe z jednego źródła. Nowy system Linde HyPower 24V Fuel Cell jest dostępny dla wielu wózków niskiego i wysokiego podnoszenia, wózków podwójnego składowania, wózków do kompletacji zamówień i ciągników.
W planowanie i budowę infrastruktury wodorowej zainwestowano około 2,8 miliona euro. Fabryka wodoru powstała w ciągu jedenastu miesięcy na 280-metrowym terenie zlokalizowanym w obrębie zakładu produkcyjno-montażowego. Korzystając z własnej infrastruktury, firma Linde Material Handling produkuje obecnie zielony wodór do zasilania 21 wózków widłowych z ogniwami paliwowymi w swojej flocie. W maju tego roku w zakładzie w Aschaffenburgu oficjalnie uruchomiono nową instalację do produkcji wodoru wraz z pojazdami. Celem jest zdobywanie doświadczenia i budowanie wiedzy eksperckiej w zakresie wykorzystania wodoru w procesach przepływu materiałów. Inwestycja jest finansowana przez niemieckie Federalne Ministerstwo Cyfryzacji i Transportu (BMDV), koordynowana przez NOW GmbH i realizowana przez Project Management Jülich (PtJ).
W ramach projektu, dotychczas używane wózki IC (spalinowe) zostały zastąpione przez 21 elektrycznych wózków widłowych z przeciwwagą z systemami hybrydowymi z ogniwami paliwowymi, w tym dwanaście wózków Linde E50 o udźwigu 5 ton i dziewięć wózków Linde E35 o udźwigu 3,5 tony. Jako część floty zakładu służą do załadunku i rozładunku ciężarówek oraz zaopatrywania linii montażowych w duże i ciężkie komponenty.
Już w 2013 r. we współpracy z BMW Group i katedrą technologii transportowych, przepływów materiałowych i logistyki Uniwersytetu Technicznego w Monachium przebadano potencjał ekonomiczny i techniczny technologii ogniw paliwowych. W tym celu wózki jezdniowe z napędem wodorowym przepracowały ponad 20 000 godzin w montowni karoserii BMW w Lipsku. Rezultat: Zasilanie wodorowe przekonało wysoką dostępnością i niską szkodliwością dla środowiska.
STEF Group: wodor w logistyce żywności
STEF Group, europejski lider w transporcie i logistyce produktów spożywczych w kontrolowanej temperaturze, rozpoczął realizację dwóch projektów wodorowych we współpracy z Toyota Material Handling Europe oraz Plug Power. Zastosowanie wodorowych ogniw paliwowych pozwala na szybsze tankowanie (poniżej 3 minut), wydłużoną pracę urządzeń w temperaturach od -18°C do +4°C oraz redukcję ryzyka związanego z wymianą baterii kwasowo-ołowiowych.
Mercedes-Benz: „Daimler Goes Green”
Mercedes-Benz testuje wózki z ogniwami paliwowymi pod hasłem „Daimler Goes Green”. Miejscem akcji jest największa na świecie fabryka Sprinterów w Düsseldorfie. Te popularne samochody dostawcze są tutaj wytwarzane w systemie pracy zmianowej. Zastosowanie technologii wodorowej umożliwia oszczędność czasu i kosztów osobowych związanych z wymianą baterii.
Ekonomia i infrastruktura wodorowa
Wdrożenie wózków widłowych w technologii Fuel Cell jest opłacalne już dziś w określonych sytuacjach, zwłaszcza przy dużych, intensywnie pracujących flotach intralogistycznych, a szczególnie w zakładach, w których pozyskuje się wodór do innych celów.
Kryteria opłacalności
Z ekonomicznego punktu widzenia badanie FM Logistic potwierdziło, że możliwe jest uzyskanie oszczędności w porównaniu z obecnymi systemami, o ile flota liczy ponad 50 pojazdów. Wodór staje się bardziej wydajny w środowisku intensywnego użytkowania, ze względu na szybkie tankowanie i wysoką autonomię. Zastosowanie pojazdów napędzanych wodorem opłaca się z reguły dla flot liczących ponad 20 pojazdów przy intensywnej eksploatacji. Im większa flota oraz im większa roczna wydajność pracy na pojazd, tym bardziej opłaca się zastosowanie technologii wodorowej. Napędzane wodorem wózki jezdniowe są szczególnie wydajne i trwałe w ciągłej eksploatacji, ponieważ częste włączanie i wyłączanie przyspiesza degradację ogniw paliwowych. W optymalnym przypadku użytkownicy korzystają z tej technologii w trybie dwu- lub wielozmianowym.
Nieopłacalne jest ponoszenie kosztów infrastruktury wodorowej w przypadku dużego udziału wózków prowadzonych ręcznie oraz niewielkich flot większych pojazdów. W przypadku zastosowań trwających krócej niż 1200 godzin pracy w roku korzystanie z systemów ogniw paliwowych jest mniej rozsądne pod względem technicznym i ekonomicznym. W mniejszych, obsługiwanych ręcznie urządzeniach rozsądne wykorzystanie systemów opartych na wodorze nie jest możliwe; w ich przypadku polega się na akumulatorach litowo-jonowych.
Wyzwania związane z infrastrukturą
Pojazdy wodorowe mają wiele zalet, jednak stawiają wysokie wymagania pod względem infrastruktury. Koszty potrzebnej infrastruktury są wciąż dość wysokie. Potrzebny wodór jest dostarczany przez cysterny lub rurociągiem, bądź jest wytwarzany przez firmę bezpośrednio na jej terenie. Sam transport i składowanie wymagają dostępności określonych komponentów. Zapewnienie infrastruktury doprowadzającej wodór do magazynu jest nadal bardzo kosztowne. Mieszana flota 80 wózków widłowych tankuje dziennie mniej więcej tyle samo wodoru, co jeden napędzany nim samochód ciężarowy. Z tego względu logistyka magazynowa nie jest z perspektywy producentów wodoru priorytetowym sektorem.
Lokalna dostępność wodoru ma decydujące znaczenie dla efektywnego zastosowania technologii. Zasadniczo wózki jezdniowe z ogniwami paliwowymi najbardziej opłacają się wtedy, gdy zapewniony jest już dostęp do wodoru (a tym samym potrzebna infrastruktura). Np. wtedy, gdy wodór powstaje jako produkt uboczny, jest potrzebny do procesu produkcyjnego lub gdy elektrociepłownia blokowa i flota ciężarówek są napędzane wodorowo. Wodór jest łatwy w transporcie i można go stosować w miejscach, gdzie zasilanie energią elektryczną jest niemożliwe lub wymaga wysokich nakładów. Na przykład infrastruktura energetyczna przedsiębiorstwa może nie być wystarczająca, aby przestawić całą flotę pojazdów na zasilanie litowo-jonowe (ryzyko szczytowych obciążeń podczas ładowania).
Finansowanie i perspektywy rynkowe
Z uwagi na wysokie inwestycje w infrastrukturę zastosowanie pojazdów z ogniwami paliwowymi opłaca się jak dotąd przeważnie tylko w połączeniu z odpowiednim dofinansowaniem. Na poziomie unijnym, krajowym i regionalnym dostępnych jest wiele programów wsparcia. Zależnie od programu, do finansowania kwalifikują się pojazdy lub infrastruktura wodorowa, a nacisk kładziony jest przy tym na stopień ograniczenia emisji CO2.
Przewiduje się, że koszty sprzętu i paliwa wodorowego spadną w najbliższej przyszłości. Eksperci szacują, że warunkiem upowszechnienia technologii Fuel Cell jako sposobu zasilania pojazdów jest spadek ceny zielonego wodoru z około 15 do uzasadniającego jego stosowanie na szeroką skalę poziomu poniżej 2-3 euro za kilogram. Czynnikami sprzyjającymi osiągnięciu tego stanu będą: rozwój technologii wykorzystania wodoru jako paliwa, rozbudowa służącej do jego transportu infrastruktury, uzyskanie w związku z powyższymi czynnikami efektu skali oraz rosnące ceny zakupu energii elektrycznej. W efekcie tych przemian ogniwa paliwowe będą stawać się coraz bardziej opłacalnym sposobem zasilania wózków widłowych w coraz szerszej gamie zastosowań.