Vetypolttomoottorit vaikuttavat yhä elinkelpoisemmiltä kuljetussektorin murroksessa

Kun maailmanlaajuiset säädökset rajoittavat CO2-päästöjä, kestävästä liikenteestä on tullut etsintä, joka on johdattanut meidät vetyyn vaihtoehtoisena polttoaineena. 

Vety (H) on noussut lupaavaksi vaihtoehdoksi sen kyvyn vuoksi polttaa ilman kasvihuonekaasupäästöjä. Tämä palava alkuaine on väritön, mauton, hajuton ja sillä on suhteellisen korkea energiapitoisuus, mikä tarkoittaa, että vedyssä on paljon energiaa tilavuusyksikköä kohti, tehden siitä erinomaisen polttoaineen ajoneuvoille. 

Tämä kevyin alkuaine on saanut merkittävää kiinnostusta kuljetussektorilta, kun sitä käytetään sähköajoneuvojen voimanlähteenä polttokennojen avulla. Kuitenkin vetyä käyttäviä sisäpolttomoottoreita (HICE) tutkitaan nyt nollapäästöjen saavuttamiseksi. Mutta mistä on kyse?

Mitä on vetypolttaminen?

Vety on kemiallinen alkuaine, ja polttaminen on kemiallinen prosessi, joka vapauttaa energiaa polttoaine- ja ilmaseoksesta. Vedyn polttaminen, olipa se nestemäisessä tai kaasumaisessa muodossa, tuottaa voimaa. 

Laajan syttyvyysalueensa vuoksi vety soveltuu erinomaisesti polttamiseen. Se tarjoaa erinomaisen polttoainetaloudellisuuden ja omaa korkean itsesytymislämpötilan, mikä mahdollistaa suuremmat puristussuhteet ja vähentää energiahäviöitä polttamisen aikana. Lisäksi alhaisempi lopullinen polttolämpötila minimoi pakokaasujen päästöjen määrän.

Miten tämä puhtaasti polttava moottori toimii käytännössä ajoneuvossa? 

Vety, toisin kuin nestemäinen bensiini, on kaasu, joka vaatii erityisen polttoaineen jakelujärjestelmän. Tähän tarkoitukseen korkean paineen säiliöt pitävät vetykaasua, varmistaen riittävän polttoainemäärän matkan tarpeisiin. 

Säätöventtiili puolestaan säätelee kaasun virtausta moottorin imusarjaan, varmistaen optimaalisen ilma-polttoaineseoksen tehokasta polttamista varten. Imu‑prosessin aikana polttoaine sekoittuu ilmaan ja johdetaan sylinteriin.

Puhdas ja tehokas polttaminen edellyttää oikeaa ilma-polttoaineseosta. Vetypolttomoottorit käyttävät kehittyneitä polttoaineen ruiskutussysteemejä haitallisten päästöjen minimointiin ja tehon maksimoimiseen.

Männänpuristin puristaa sopivan seoksen polttoainetta ja ilmaa, ja korkeaenergiset sytytystulpat sytyttävät sen, mikä johtaa polttamiseen. Kun vety palaa nopeasti ja vapauttaa merkittävää lämpöä, palokaasut laajenevat nopeasti.

Nämä laajenevat kaasut työntävät männän, jonka liike muutetaan pyörimisvoimaksi kampiakselin kautta. Tämä voima siirtää pyörät ja liikuttaa ajoneuvon eteenpäin. 

Tämä prosessi havainnollistaa puhtaamman ja voimakkaamman ajokokemuksen, jonka vetypolttomoottorit voivat tarjota, lupauksena kestävämmästä liikenneturvallisuudesta. Kuitenkin vetyä käyttävien sisäpolttomoottoreiden (HICE) nopea nopeus ja korkeat lämpötilat saavutetaan vetyystävällisten materiaalien, kehittyneen moottorisuunnittelun ja innovatiivisen polttoaineen ruiskutusteknologian avulla.

Miten se eroaa vetypolttokennoista? 

Vetyä käytetään kuljetussektorilla kahdella eri tavalla: polttokennojen ja polttomoottoreiden avulla. Vaikka molemmat prosessit hyödyntävät hiilineutonta vetyä, ne käyttävät sitä eri tavoin ajoneuvojen voimanlähteenä.

Kuten edellä mainittiin, vetypolttomoottorit tuottavat voimaa polttamalla vetyä, aivan kuten perinteiset moottorit. Tässä vety sekoitetaan ilmaan kontrolloidun räjähdyksen aikaansaamiseksi, tuottaen mekaanista energiaa ajoneuvon liikuttamiseksi. 

Polttokennoissa ja vetyajoneuvoissa vety muunnetaan sähköksi kemiallisen prosessin kautta. Tässä prosessissa elektrokemiallinen laite muuntaa vedyn ja hapen sähköksi, lämmöksi ja vesihöyryksi. Tarkemmin sanottuna se tuottaa sähköä jakamalla vedyn protoniksi ja elektroniksi. Tämä sähkö sitten ohjaa sähkömoottoria, joka liikuttaa ajoneuvoa.  

Polttokennoajoneuvot (FCEV) ovat tehokkaampia kevyemmillä kuormilla, kun taas vetypolttomoottorit toimivat paremmin raskaammilla kuormilla. Tämä tekee HICE:stä paremman valinnan raskaille kuorma-autoille, jotka kuljettavat suuria kuormia suurimman osan ajasta. Vastaavasti autot, bussit ja hinausautot voivat hyötyä enemmän polttokennoista, koska ne yleensä toimivat paljon kevyemmillä kuormilla. 

Kuitenkin, koska molemmat käyttävät vetyä, ne tuottavat samankaltaisia päästöjä. Polttokennoajoneuvot eivät tuota lainkaan päästöjä, kun taas vetypolttomoottorit päästävät lähes nollaa hiilidioksidia, vaikka ne voivat tuottaa typpioksideja (NOx). Lisäksi vety‑moottorit voivat toimia alempilaatuisella vedyllä, mikä mahdollistaa tietyt käyttötapaukset.

Vety sisäpolttomoottoreita on käytetty vuosikymmeniä, eikä niiden käyttö vaadi infrastruktuurin muutosta. Siksi ajoneuvovalmistajille siirtyminen vety‑moottoriin on vähemmän haastavaa, koska hyödynnetään olemassa olevaa teknologiaa. Polttokennojen puolestaan on kevyempiä, hiljaisempia ja ne tunnetaan korkeasta hyötysuhteestaan. Ne muuntavat jopa 60 % vedessä varastoidusta energiasta sähköenergiaksi.

Koska ne toimivat alhaisemmissa lämpötiloissa kuin polttomoottorit, polttokennoilla on myös pienempi tulipalo- tai räjähdysriski. Kuitenkin, koska ne ovat suhteellisen uusi teknologia, polttokennot ovat kalliimpi vaihtoehto kuin vetypolttomoottorit.

Tämä ei tarkoita, että ne kilpailisivat keskenään, vaan että HICE:t ja FCEV:t täydentävät toisiaan. Loppujen lopuksi molemmat käyttävät samaa vedyn tuotanto-, varastointi-, kuljetus- ja jakeluinfrastruktuuria, ja ne ovat osa liikenteen päästöjen vähentämistä kohti nollaa.

Vetypolttamisen hyödyt ja haitat

Joten vedyn käyttö selvästi tarjoaa merkittäviä etuja, mutta entä vetypolttaminen erityisesti? Kuten yllä totesimme, tärkein hyöty on HICE:iden ympäristövaikutus.

Nämä moottorit tunnetaan puhtaasta sivutuotteestaan, pääasiassa vesihöyrystä, mikä tarjoaa merkittävän edun perinteisiin bensiinimoottoreihin verrattuna. Veden lisäksi ne edistävät pienempiä kasvihuonekaasupäästöjä, ja vetypolttomoottoreilla on paljon korkeampi terminen hyötysuhde, noin 45 %, kun dieselmoottorit ovat alle 40 % ja bensiinimoottorit alle 30 %.

Toinen suuri HICE:iden etu on, että ne voidaan rakentaa olemassa olevan sisäpolttomoottoriteknologian avulla, joten lisäinfrastruktuuria tai työntekijöiden uudelleenkoulutusta ei tarvita. Lisäksi itse alkuaine voidaan tuottaa eri lähteistä, kuten biomassasta, veden elektrolyysistä ja maakaasusta, mikä tekee siitä kykenevän vastaamaan kasvaviin puhtaan energian tarpeisiin.

Vetyä polttoaineena koskeva argumentti on varmasti vahva, mutta se ei tarkoita, ettei siihen liittyisi ongelmia. Itse asiassa vetypolttomoottorit kohtaavat useita haasteita, jotka on ratkaistava.

Aluksi tarvitsemme suuria säilytystiloja vetyältä, mikä lisää merkittävää painoa ajoneuvoon. Tämä tietysti lisää kulumisen riskiä, jolloin ajoneuvon käyttöikä lyhenee. Polttoaine palaa myös melko helposti, mikä aiheuttaa vaaroja moottorin osille. Vedyn hyödyntäminen ei ole myöskään helppoa. Se on aikaa vievä ja energiaintensiivinen prosessi.

Samaan aikaan sen energiapitoisuus on alhaisempi, mikä tarkoittaa, että tuotettu teho on suhteessa pienempi kuin perinteisissä polttomoottoreissa. Verrattuna muihin polttoaineisiin, kuten bensiiniin, joka vaatii puristussuhteen 8:1, vetypolttomoottorit tarvitsevat 40:1, mikä on toinen haaste. Lisäksi näiden moottoreiden massatuotanto on kallista.

Vaikka vety valitaan sen alhaisten päästöjen vuoksi, polttomoottori tuottaa silti hiilijalanjäljen, koska siihen liittyy joitakin NOx-päästöjä, mikä kumoaa näiden moottoreiden tarkoituksen. Siksi lämmön ja mahdollisten jäljelle jäävien päästöjen hallinta jälkikäsittelyjärjestelmien avulla on tärkeää.

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoa vetyajoneuvojen turvallisuusongelmista. 

Ovatko vetypolttomoottorit tulevaisuus?

Vetypolttomoottorit (HICE) ovat olleet olemassa vuosikymmeniä. Maailman ensimmäinen kokeellinen kaupallinen lentokone, joka käytti nestemäistä vetyä, Tupolev Tu-155, lensi taivaalle vuonna 1988. Tämä osoittaa, että HICE:t eivät ole niin uusia kuin monet saattavat ajatella.

Vaikka HICE:t eivät ole saavuttaneet laajaa käyttöönottoa vuosien varrella, ne ovat äskettäin saaneet uutta kiinnostusta suurilta autonvalmistajilta, kuten Toyota, Bosch, Honda, Cummins, Daimler, Suzuki ja Volvo. Myös ilmailusektori on tutkinut vetypolttamista. Airbus on esimerkiksi tehnyt yhteistyötä eri alojen kumppaneiden kanssa ZEROe-konseptilentokoneensa osalta, joka on suunniteltu toimimaan vetypolttamisen avulla.

Vetypolttomoottoreiden käyttöön kohdistuu kasvavaa kiinnostusta kuljetussektorilla, mutta toistaiseksi ne kohtaavat kovaa kilpailua sähköajoneuvoilta (EV). 

Vaikka HICE:t tuottavat lähes nollapäästöjä, EV:t riippuvat sähköstä energianlähteenä ja siten tarjoavat nollapäästöt pakoputkessa. EV:illä on myös korkeampi energiatehokkuus verrattuna HICE:iin, jotka menettävät osan energiasta polttoprosessin aikana. 

Vaikka EV:t vaativat uuden infrastruktuurin, latausasemien määrä kasvaa nopeasti. Vetyä tankkaavat asemat sen sijaan ovat melko harvassa, vaikka vetyauton tankkaus on nopeampaa kuin sähköauton lataus. 

Yritykset kuten BYD, Tesla (TSLA ), Rivian, General Motors (GM ), Volvo ja monet muut ovat tehneet merkittäviä edistysaskeleita sähköajoneuvojen alalla. Sähköajoneuvojen (EV) markkinan arvo oli arvostettu noin 384 miljardiin dollaria vuonna 2022, kun taas globaalin vety sisäpolttomoottorien (HICE) markkinan ennustettu saavuttavan 35 miljardia dollaria vuoteen 2030 mennessä.

Autonvalmistajat kokeilevat nyt vetypolttamisteknologiaa, mutta edistyminen on suhteellisen hidasta verrattuna EV-teknologian kehitykseen. Alan on voitettava monia tuotannon haasteita, kuten kustannuksia, mikä tarkoittaa, että EV:t hallitsevat kuljetussektoria toistaiseksi. Kuitenkin HICE:t voivat lähitulevaisuudessa muodostua tärkeäksi osaksi kuljetuspolttoaineiden seosta.

Vetyä ei voi yksinkertaisesti sivuuttaa polttoaineena, ja HICE:illä on keskeinen rooli kestävän liikenteen tulevaisuudessa. Kuitenkin tämän mahdollistamiseksi tarvitaan hallituksen tuki ja teknologista kehitystä.

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, miksi vety saattaa edelleen olla tulevaisuuden polttoaine.

Viimeaikaiset kehitykset HICE-alueella

Viimeisen vuosikymmenen aikana hiilineutraalius on tullut äärimmäisen tärkeäksi maissa ja yrityksissä maailmanlaajuisesti. Kuljetussektori on erityisen kriittinen, koska se tuottaa 10 % maailman kasvihuonekaasupäästöistä. 

Pariisin (COP21) ja Glasgow’n (COP26) sopimusten mukaan kuljetusvoimanlähteiden teknologia tarvitsee nopeaa CO2-päästöjen vähentämistä. Tähän tarvitsemme tehokkaan ratkaisun, mutta sellaista, joka tarjoaisi kaikki vastaukset, ei ole. Erilaisten ratkaisujen yhdistelmä voi itse asiassa auttaa lieventämään ongelmia tehokkaammin. Tämä sisältää vetypolttomoottorit, jotka vaativat vain minimaalisia muutoksia nykyiseen ajoneuvorakenteeseen.

Loogisena ja erittäin tehokkaana vaihtoehtona HICE:t saavat paljon huomiota ja kehittyvät nopeasti. Äskettäin Albertan yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden pinnoitemateriaalin, joka näyttää lupaavalta vetypolttomoottoreille. Uusi monimutkainen konsentroitu seos, AlCrTiVNi5, omaa erinomaiset termomekaaniset ominaisuudet, kuten alhainen laajeneminen, korkea vakaus, murtumiskestävyys sekä kyvyn kestää korkeita lämpötiloja ja korkeapaineisia ympäristöjä.

Vertailtaessa uutta pinnoitetta olemassa oleviin kaupallisesti saatavilla oleviin seoksiin, tutkijat havaitsivat AlCrTiVNi5:n kestävän korroosiota “jopa 100 tuntia 900 °C lämpötilassa” ja “ylittävän kaikki markkinoilla olevat vaihtoehdot”, avaten näin ovet vetytalouden edistämiselle.

Tämän kuukauden alussa Toyota myös ilmoitti, että pyrkiessään tekemään vetypolttamisen käyttökelpoiseksi, se on luonut sisäpolttomoottorin, joka voi toimia synteettisellä polttoaineella, biodieselillä, bensiinillä ja vedyllä. Tämän toteuttamiseksi insinöörit käyttivät 1,6‑litraista moottoria GR Corolla -kilpa‑autosta, mikä auttoi yritystä ratkaisemaan lämmöntehokkuuden tasapainottamisen haasteen. Uudet moottorit ovat 10 %–20 % pienempiä, mutta tehokkaampia.

“Kehittämässä tätä moottoria osana pyrkimyksiään saavuttaa hiilineutraalius ja edistää vedyn käyttöä puhtaana ja uusiutuvana energialähteenä.”

Tämä vedyn ympärillä tapahtuva kehitys tapahtuu ympäri maailmaa. Viime vuoden lopulla Intian suurin autoyhtiö, Tata Motors (TMCV.BO ) (TMCV ), esitteli T&K‑laitoksia, jotka sisältävät moottoritestisellin HICE‑kehitystä sekä infrastruktuurin vedyn varastointiin ja jakeluun.

Tänä vuonna Tata teki yhteistyötä Yhdysvaltain jättiläisen Cumminsin kanssa Intiassa HICE‑valmistuslaitoksen perustamiseksi sekä keskikokoisille että raskaalle kaupalliselle ajoneuvokannalle. Tämä tapahtui sen jälkeen, kun viime vuonna ilmoitettu yhteisyritys aikoi investoida 424 miljoonaa dollaria tehtaaseen, jonka tavoitteena on tuottaa 4 000 H2‑moottoria vuodessa ja 10 000 akkua.

Vetypolttomoottoreita kehittävät yritykset

Katsotaanpa nyt muutamaa suurta nimeä alalla: 

#1. Honda

Tämä autonvalmistaja on ollut aktiivisesti mukana vetypolttamoottoreissa yhteistyöprojektin HySE (Hydrogen Small Mobility & Engine Technology) kautta yhdessä Toyotan, Yamahan, Kawasakin ja Suzukin kanssa tutkiakseen HICE:iden potentiaalia. Alun perin teknologian toteutettavuudesta skeptinen, Honda kehitti ‘HySE‑X1’ -mallin, jossa on 1,6‑litrainen nelisylinterinen vetykäyttöinen moottori. 

Honda on 56,188 miljardia dollaria markkina-arvoltaan oleva yhtiö, jonka osakkeet kaupankäynnissä ovat tällä hetkellä 31,93 dollaria, +3,25 % vuoden alusta. Yhtiön liikevaihto (TTM) on ollut 130 miljardia dollaria, EPS (TTM) 7,37, P/E (TTM) 4,33 ja osinkotuotto 4,19 %.

#2. Toyota

Tämä Japanissa toimiva autovalmistaja on käyttänyt vetyä polttoaineena jo vuosikymmeniä. Sen vetypolttomoottoriajoneuvot sisältävät GR Corolla H2:n ja GR Yaris H2:n. Toyota on myös osallistunut Super Taikyu -kestokilpailuihin nopeuttaakseen ajoneuvokehitystään. Juuri tällä viikolla Toyota esitteli uudet moottorinsa, jotka voivat toimia eri polttoaineilla, mukaan lukien vety.

Toyota on 314 miljardia dollaria markkina-arvoltaan oleva yhtiö, jonka osakkeet kaupankäynnissä ovat tällä hetkellä 198,86 dollaria, +8,53 % vuoden alusta. Yhtiön liikevaihto (TTM) on ollut 287 miljardia dollaria, EPS (TTM) 24,18, P/E (TTM) 8,22 ja osinkotuotto 2,45 %.

Yhteenveto

On selvää, että vetypolttomoottorit tarjoavat suuria etuja ympäristövaikutusten vähentämisessä, olemassa olevaan infrastruktuuriin perustamisessa ja korkeassa termisessä hyötysuhteessa. Mutta tietenkin HICE:t yksin eivät pysty tarjoamaan kestävää liikennettä. Sen sijaan, yhdistämällä erilaisia ratkaisuja, voimme saavuttaa turvallisemman ympäristön. Tässä sekoituksessa HICE:t voivat kuitenkin näytellä keskeistä roolia ja auttaa siirtymään pois fossiilisista polttoaineista.

Nyt, vuosikymmenten toteutumattoman potentiaalin jälkeen, vetykäyttöiset ajoneuvot saattavat vihdoin olla huomion keskipisteessä kiitos uudistuneen kiinnostuksen, yksityiset investoinnit, hallituksen tuen ja teknologisen kehityksen. 

Klikkaa tästä saadaksesi tietää, mikä teki vedystä äskettäin houkuttelevamman energialähteen.