Er brintbrændselsceller fremtiden for elbiler?

Adoptionen af batterielektriske køretøjer (BEV’er) i Nordamerika ser ud til at have stødt på et problem.  Med dårlige gensalgspriser, dyre reparationsomkostninger og bagudgående infrastruktur, har salget sænket – markant.  Der har endda været beslutningsombytninger fra store udlejningsfirmaer som Hertz, der har besluttet at afhændige en stor del af deres elbiler i flåden, og vende tilbage til deres benzin-/dieselmotor (ICE) modparter.

Selvom dette kan være tilfældet, ville det være vanvittigt at tro, at overgangen væk fra noget så udbredt som ICE kunne ske problemfrit.  Der ville altid være tilbageslag, og der ville altid blive stillet gyldige spørgsmål undervejs om fordelene ved elbiler.

Bundlinjen er, at overgangen til elbiler ikke kun er et ønske fra få; det er et behov for mange i kampen mod klimaforandringer.  Men hvis den nuværende generation af elbiler ikke er op til opgaven, hvilke andre muligheder har vi?  For mange er svaret en, der har været overvejet i mange år og for nylig har set kritiske fremskridt – hydrogenelektriske køretøjer (HEV’er).

Forbedring af holdbarheden af brintbrændselsceller

I en nylig undersøgelse¹ beskrev et fælles forskerteam bestående af videnskabsfolk fra Harvard og Incheon National University en ny tilgang til at bygge brintbrændselsceller, som ville resultere i både forbedret holdbarhed og længere levetid.

Mere specifikt observerede undersøgelsen udviklingen af en “kategori af træthedsresistente elektrolymemembraner, bestående af et interpenetrerende netværk af Nafion og perfluoropolyeter (PFPE).” Når den blev brugt, blev det bemærket, at typisk træthed, som viser sig som spændingsbrud, der opstår under almindelig brug af brændselsceller, kunne reduceres betydeligt.

Ved at indarbejde materialet i elektrolymemembraner inden i en brændselscelle viste undersøgelsen, at det hævede “…træthedstærsklen med 175 % og forlængede brændselscellens levetid med 1,7 gange. Derudover udviser den uændrede Nafion-membran en levetid på 242 timer, mens den sammensatte membran blev observeret at have en levetid på 410 timer.”

Selvom teamet bemærkede, at indførelsen af dette materiale let forringede brændselscellernes ydeevne, er den enorme forbedring i holdbarhed/levetid tydeligt en værdifuld afvejning.  Fremadrettet, hvis brintbrændselsceller forventes at erstatte deres batteripakke-modparter i elbilsektoren, er dette de typer af fremskridt, der skal gøres.  Det er dog vigtigt at huske, at den bedste teknologi ikke altid vinder.  Førstegangsfordelen er reel, og batteridrevne elbiler er tydeligt i førersædet, på trods af et nyligt markedssænkning.

Hvad er hydrogenelektriske køretøjer (HEV’er)?

Et elektrisk køretøj er et, der er afhængigt af motorer drevet af elektricitet i stedet for en motor, der drives af forbrændt brændstof.  Som det ser ud nu, bruger den overvældende majoritet af elektriske køretøjer tunge batteripakker til at lagre og levere elektriciteten til at drive disse motorer.  Som nævnt er der en anden tilgang til elbiler, der ser ud til at vinde frem – brintbrændselsceller.

I hydrogenelektriske køretøjer (HEV’er), nogle gange kaldet brændselscelle‑elektriske køretøjer (FCEV’er), leveres den elektricitet, der kræves for at drive motoren(erne), gennem en elektrokemisk reaktion, hvor brint, lagret som enten en væske eller komprimeret gas, spaltes i protoner og elektroner.  Hele processen fungerer som følger:

1. Brint lagret i en højtryksbeholder frigives efter behov til en brændselscelle.
2. Brint, der introduceres til brændselscellen, spaltes i protoner og elektroner.
3. Elektroner bruges til at drive motorerne, som derefter driver hjulene.
4. Protoner kombineres med ilt i luften og producerer to biprodukter: varme og vanddamp.

Interessant nok bruger et udvalgt fåtal hybrid‑HEV’er en mindre batteripakke til at indfange tabt energi gennem regenerativ bremsning, hvilket kombinerer det bedste fra begge verdener.

Hvad er appellen ved brint?

Generering og lagring: Batteripakker består typisk af materialer indsamlet gennem store, invasive minedriftoperationer, der forårsager ødelæggelse af Jorden, hvilket underminerer antagelsen om, at deres brug er god for miljøet.  Brint kan derimod indfanges gennem metoder som bæredygtig elektrolyse og potentielt naturligt forekommende reserver.

Desuden kan brint let komprimeres til en væske og transporteres uden problemer i store mængder.  Det kræver ikke transmissionslinjer fra produktionsstedet, hvilket gør processen mere fleksibel.

Ydelse: Set fra en ydelsesvinkel er der ikke en stor forskel mellem HEV’er og BEV’er.  Begge køretøjstyper bruger motorer til at drive deres drivhjul, hvilket betyder, at begge vil drage fordel af det øjeblikkelige drejningsmoment og den effekt, der er forbundet med teknologien.

Emissioner: På emissionsområdet er brint sandsynligvis bedre.  Selvom det teknisk set er en sekundær udleder, involverer det kun vanddamp, der kommer ud af udstødningen.  Imens har BEV’er ingen emissioner overhovedet.  Hvor brint skiller sig ud er i fremstillingsprocessen, da de batteripakker, den undgår, kræver omfattende minedrift for at blive lavet, hvilket beskadiger Jorden i processen.

Påfyldning: Påfyldning er en af de største fordele ved brint, da det er en faktor, som slutbrugere vil håndtere direkte på en regelmæssig basis.  Mens BEV’er typisk kræver lange ladetider og specialiseret infrastruktur, kan HEV’er påfyldes så hurtigt som et almindeligt benzin-/dieselkøretøj.

Rækkevidde: Selvom batteriteknologien forbedres, kræver en BEV, der skal have samme rækkevidde som mere traditionelle ICE, en enorm batteripakke.  Dette resulterer i længere ladetider, et større miljøaftryk og tab i effektivitet på grund af vægt.  Brint derimod har typisk rækkevidde tal, der er på niveau med ICE, hvilket fjerner rækkeviddeangst helt fra ligningen.

Kolde klimaer: En del af rækkeviddeangsten, der plager BEV-ejere, skyldes regionen.  Meget få steder har ideelle klimaforhold for en BEV, hvilket resulterer i en drastisk reduceret rækkevidde for mange kunder.  Selvom brint mister noget rækkevidde i koldt vejr, er det ikke så dramatisk, hvilket gør det til en mere attraktiv mulighed for mange.

Som du kan se, er der flere kritiske områder, hvor HEV’er kan overgå deres batteripakkevarianter.  Hvor de begynder at hæmme, er i kompleksitet, behovet for at ombygge eksisterende påfyldningsinfrastruktur og den potentielle indtræden af solid‑state batterier.

Industrispillere, der udvikler brintløsninger

Elbilindustrien kan opleve nogle bump på vejen lige nu, men det er klart, at de er fremtiden for transport.  Det, der ikke er så klart, er, hvilken form elbiler vil tage.  Vil de være batteridrevne? Eller vil de stole på brintbrændselsceller?  Det følgende par af virksomheder satser på sidstnævnte og har allerede begyndt at planlægge en sådan fremtid.

*Tal leveret nedenfor var korrekte på tidspunktet for skrivning og kan ændre sig.  Eventuelle potentielle investorer bør verificere målene*

1. Toyota

Som verdens største bilproducent burde det ikke overraske, at Toyota har bevæget sig ind i HEV‑området.  Interessant nok, mens virksomheden aktivt udvikler solid‑state batteriløsninger, har Toyota skubbet tilbage mod nutidens batteri‑EV’er.  I stedet har Toyota gjort det klart, at de tror på en lysere fremtid med HEV’er og endda brintforbrændingsmotorer.

Bemærkelsesværdigt begyndte Toyota at udvikle HEV‑teknologi i 1992, hvilket førte til udgivelsen af ‘Mirai’ – en sedan med 5‑minutters påfyldning, 650 km rækkevidde og nul skadelige emissioner.

2. Plug Power

PLUG Prisdiagram

Plug Power Inc. (PLUG ), grundlagt i 1997 og med hovedkontor i Latham, New York, forbliver en nøglespiller i fremme af brintbrændselscelleteknologi.  Bemærkelsesværdigt fokuserer Plug Power ikke kun på biler og lastbiler; virksomheden designer og fremstiller sådanne systemer til mindre installationer, der bruger elektriske motorer.

I de senere år har Plug Power udvidet sit fokus ud over brændselsceller til materialehåndtering og er begyndt at sigte mod bredere markeder.  Dette inkluderer stationære kraftsystemer, leveringskøretøjsflåder og endda potentielle anvendelser inden for luftfart.  Virksomhedens strategiske opkøb, såsom United Hydrogen og Giner ELX, har yderligere styrket dens position i brintøkonomien ved at forbedre dens evner inden for brintproduktion, -flydning og -distribution.

Afsluttende ord

Med batteri‑EV’er, der vakler, får potentielle alternativer mere fokus.  Som det ser ud nu, er brintløsninger i front, og selvom det kan være let at afvise teknologien ved første øjekast, så husk, at det ikke kun er Toyota, der presser på for brint.  Partnerskaber og udvikling af brintløsninger, der involverer virksomheder som Honda, GM, Hyundai og flere, eksisterer allerede.

Med den stigende adgang til bæredygtigt produceret brint, der vokser hver dag, kan fremtiden for elbiler se lidt anderledes ud, end mange tror.

Studier refereret:

^{1. Kim, Y., Zhang, J., Lim, H., Jang, W., Kim, D. Y., Lee, W. Y., Choi, W., Kim, D. J., Lee, S. H., Jeong, S. K., Park, J. H., Park, S., & Kim, J. Y. (2024). Træthedsresistente elektrolymemembraner til holdbare polymer elektrolymemembranbrændselsceller. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}