Vetyajoneuvot tulevaisuuden liikenteessä: mitä turvallisuusriskejä niihin liittyy?

Vetyä käyttävät polttokennosähköajoneuvot ovat herättäneet kiinnostusta erityisesti 2010-luvulta lähtien. Niiden tulevaisuuteen liittyy kuitenkin epävarmuutta, ja kysyntä on vaihdellut.

Vuosien 2022 ja 2023 välillä polttokennosähköajoneuvojen maailmanlaajuinen vuosimyynti laski 20 704 ajoneuvosta 14 451 ajoneuvoon. Luvut kuvaavat myyntiä, eivät koko käytössä olevaa ajoneuvokantaa. Yhden vuoden muutos ei yksin ratkaise teknologian pitkän aikavälin kehitystä. Seuraavaksi tarkastelemme sen etuja ja turvallisuuskysymyksiä.

Vetyajoneuvojen ainutlaatuisuus

Polttokennosähköajoneuvo tuottaa sähkömoottorille sähköä yhdistämällä vetyä ja happea. Siinä on yleensä myös pieni akku, joka varastoi energiaa ja auttaa esimerkiksi kiihdytyksissä. Polttokennon paikallinen päästö on pääasiassa vettä; koko elinkaaren päästöt riippuvat muun muassa vedyn tuotannosta.

Yksi etu voi olla nopea tankkaus sopivalla asemalla. Tankkausaika ja käytännön toimintasäde riippuvat kuitenkin ajoneuvosta, asemasta, käyttöolosuhteista ja lämpötilasta. Polttokennoajoneuvo ei ole täysin immuuni kylmän sään vaikutuksille.

Vetyä voidaan käyttää uusiutuvan energian varastointiin ja kuljettamiseen. Sen valmistus, puristaminen, kuljetus ja muuttaminen takaisin sähköksi aiheuttavat kuitenkin energiahäviöitä ja kustannuksia. Pitkän aikavälin hyöty riippuu käyttökohteesta.

Mahdollisten hyötyjen lisäksi tutkimuksessa arvioidaan vetyajoneuvojen riskejä. Esimerkiksi TU Grazin tiimi on analysoinut vetyajoneuvojen riskin ja vahinkopotentiaalin tunneleissa. Tutkimus on myös esittänyt suosituksia. 

Vetyajoneuvojen riskit ja vahinkopotentiaali: Kuinka minimoida riskit

Grazin teknillinen yliopisto eli TU Graz tarkasteli HyTRA-hankkeessa vetyajoneuvojen mahdollisia tunnelionnettomuuksia, niiden vaikutuksia ihmisiin ja rakenteisiin sekä keinoja pienentää riskejä.

Tutkijat arvioivat vakavien vaaratilanteiden todennäköisyyden pieneksi, mutta korostivat todellisten tunnelionnettomuuksien havaintoaineiston vähäisyyttä. Vedyn energiasisältö ja korkea varastointipaine voivat silti aiheuttaa huomattavan vahinkopotentiaalin vakavassa onnettomuudessa.

Henkilöautoissa vetyä voidaan säilyttää 700 baarin paineessa. Säiliön vaurioituessa energiaa voi vapautua nopeasti, ja syttynyt vety voi palaa yli 2 000 °C:n lämpötilassa. Säiliöt ovat vahvoja ja suojattuja, mutta erittäin vakava törmäys, esimerkiksi raskaan ajoneuvon peräänajo, voi ylittää suojauksen kestokyvyn.

Vakavassa onnettomuudessa voidaan tarkastella kolmea vaaraskenaariota. Tavallisin lopputulos ei kuitenkaan ole vedyn aiheuttama merkittävä lisävahinko.

Ensimmäisessä skenaariossa kuumuudesta aktivoituva paineenpurkulaite eli TPRD päästää vetyä hallitusti ulos esimerkiksi ajoneuvopalon aikana. Tavoitteena on estää säiliön repeäminen. Purkautuva vety voi silti syttyä, vaikka suihkun aiheuttama vaara-alue jää suhteellisen rajalliseksi.

Jos TPRD ei toimi vakavassa tilanteessa, säiliö voi revetä ja paineaalto levitä tunneliin. Tutkimuksen tarkastellussa skenaariossa kuoleman riskiä arvioitiin noin 30 metrin ja vakavien sisäisten vammojen riskiä noin 300 metrin etäisyydelle. Kauempanakin voi syntyä kuulovaurioita. Nämä ovat skenaariokohtaisia arvioita, eivät yleispäteviä turvaetäisyyksiä.

Kolmannessa ja vähiten todennäköisessä skenaariossa vety vapautuu ensin syttymättä. Kevyt kaasu nousee ja voi kerääntyä tunnelin katon alle. Sytytyslähde, kuten kuuma laite tai sähkökipinä, voi tällöin sytyttää kaasupilven ja synnyttää paineaallon.

Riskien pienentämiseksi tutkijat ehdottivat alempia nopeusrajoituksia, keskinopeusvalvontaa sekä ajoneuvojen etäisyyksien seurantaa ja varoituksia liian lyhyistä väleistä. Tavoitteena on vähentää törmäysten vakavuutta erityisesti ruuhkien loppupäässä.

TU Graz korosti, että vahinkopotentiaali ja tapahtuman todennäköisyys ovat eri asioita. Modernit vetysäiliöt ovat turvallisia, ja vakava vuoto edellyttää useiden suojausten pettämistä.

”Nykyaikaiset vetysäiliöt on rakennettu niin turvallisiksi, että monen asian täytyy mennä pieleen ennen kuin vetyä pääsee vuotamaan.”

– Daniel Fruhwirt, Termodynamiikan ja kestävien propulsiojärjestelmien instituutti, TU Graz

Vetyajoneuvojen edistäminen

Juniper Research ennusti vuonna 2022, että käytössä olevien vetyajoneuvojen määrä ylittäisi maailmanlaajuisesti miljoonan vuonna 2027, kun vuoden 2022 lähtötaso oli hieman yli 60 000. Tämä merkitsisi yli 1 500 %:n kasvua. Kuluttajamarkkinoiden osuuden ennustettiin olevan yli 60 % vuonna 2027. Kyse on ennusteesta, ei toteutuneista tai varmoista tulevista luvuista.

Myös julkiset ohjelmat ovat edistäneet polttokennoajoneuvoja. Yhdysvaltain energiaministeriö käynnisti H2USA-yhteistyön vuonna 2013. Ministeriö kuvasi H2USA:n tehtävää seuraavasti:

”H2USA:n tehtävänä on edistää polttokennosähköajoneuvojen käyttöönottoa ja yleistymistä Yhdysvalloissa. Mukana on liittovaltion virastoja, polttokennoalan toimialajärjestö, autonvalmistajia, vedyn toimittajia, polttokennojen kehittäjiä, kansallisia laboratorioita ja muita sidosryhmiä. Yhteistyö tarjoaa Yhdysvalloille alustan, joka vastaa muiden maiden, erityisesti Saksan, Japanin ja Yhdistyneen kuningaskunnan, vetyyn keskittyvää julkisen ja yksityisen sektorin yhteistyötä.”

Artikkelissa mainittujen tietojen mukaan H2USA:ssa oli mukana yli 30 osallistujaorganisaatiota.

Julkisten aloitteiden lisäksi tutkimuksessa kehitetään polttokennojen suorituskykyä ja kestävyyttä. Onnistuneet parannukset voivat lisätä teknologian käyttökelpoisuutta.

Esimerkiksi Harvardin ja Incheonin kansallisen yliopiston tutkijat kehittivät väsymistä kestäviä elektrolyyttikalvoja, joissa Nafion ja perfluoropolyeetteri (PFPE) muodostavat toisiinsa lomittuvan verkoston. Tutkimuksessa raportoitiin pieni suorituskyvyn heikkeneminen vastineeksi huomattavasti paremmasta kestävyydestä. Tämä ei vielä tarkoita kaikkien ajoneuvokäytön vaatimusten täyttymistä.

Toinen tutkittu mahdollisuus on biologisten prosessien hyödyntäminen vanhoissa öljylähteissä. Mikro-organismit ja niiden entsyymit voivat muuntaa jäljellä olevia hiilivetyjä. Fossiilisista lähtöaineista tuotettu vety ei kuitenkaan ole automaattisesti uusiutuvaa tai päästötöntä, vaan koko tuotantoketju on arvioitava.

Polttokennosähköajoneuvot voivat olla osa vähäpäästöisempää liikennettä. Kuten akkusähköajoneuvoissa, niiden ympäristövaikutuksiin vaikuttavat energian alkuperä, valmistus ja infrastruktuuri. Pelkkä paikallisten pakokaasupäästöjen vähäisyys ei osoita ratkaisua kaikissa tilanteissa kestävämmäksi.

Monet yritykset kehittävät vetyteknologiaa liikenteen eri käyttötarpeisiin. Ei ole varmaa, missä käyttökohteissa se osoittautuu akkuja edullisemmaksi tai käytännöllisemmäksi. Seuraavassa esitellään joitakin artikkelin aikakaudella ilmoitettuja hankkeita.

#1. General Motorsin Ultium-akut ja HYDROTEC-polttokennot

GM kehittää HYDROTEC-polttokennoteknologiaa maa-, ilma- ja meriliikenteen sovelluksiin. Vuonna 2021 Wabtec Corporation (NYSE: WAB) ja General Motors (GM ) (NYSE: GM) ilmoittivat yhteistyöstä Ultium-akkuteknologian ja HYDROTEC-vetypolttokennojärjestelmien kehittämiseksi ja kaupallistamiseksi Wabtecin vetureissa.

Wabtecin toimitusjohtaja Rafael Santana kuvasi GM:n teknologian mahdollista merkitystä seuraavasti:

”FLXdrive-veturimme, maailman ensimmäinen täysin akkukäyttöinen veturi, on osoittanut mahdollisuuden vähentää hiilidioksidipäästöjä jopa 30 prosenttia 6 MWh:n kapasiteetilla. Emme kuitenkaan pysähdy tähän. Yhteistyö GM:n Ultium-akku- ja HYDROTEC-vetypolttokennoteknologioissa voi nopeuttaa raideliikenteen hiilidioksidipäästöjen vähentämistä ja etenemistä kohti käytön aikana päästöttömiä vetureita.”

GM:n HYDROTEC-järjestelmä perustuu kompakteihin polttokennomoduuleihin, joita voidaan sovittaa erilaisiin käyttökohteisiin, myös vetureihin. Ultium on erillinen akkuteknologia, joka voi täydentää raideliikenteen sähköisiä voimansiirtoratkaisuja.

Vuonna 2021 GM ilmoitti myös yhteistyöstä Liebherr-Aerospacen kanssa lentokoneisiin tarkoitetun vetypolttokennoihin perustuvan sähköntuotannon demonstraation kehittämiseksi. Vuonna 2022 yhtiö esitteli HYDROTEC-suunnitelmia myös ajoneuvojen ulkopuoliseen sähköntuotantoon.

Yhtiö ilmoitti suunnittelevansa useita toisen sukupolven HYDROTEC-polttokennomoduuleihin perustuvia generaattoreita. Suunnitelmiin kuuluivat:

• Siirrettävä generaattori eli MPG, joka voisi tarjota sähköautojen pikalatausta ilman kiinteän latauspisteen rakentamista.
• EMPOWER-pikalatausratkaisu, jonka tavoitteena oli mahdollistaa tasavirtapikalataus huoltoasemilla ilman sähköliittymän laajentamista.
• Kuormalavalle sijoitettava MPG-generaattori sotilasleirien ja muiden kohteiden sähköntuotantoon.

Koko vuodelta 2023 GM raportoi 171,8 miljardin dollarin liikevaihdon, 10,1 miljardin dollarin osakkeenomistajille kuuluvan nettotuloksen ja 12,4 miljardin dollarin oikaistun EBIT-tuloksen.

#2. Cellcentric: Daimler Truckin ja Volvo Groupin yhteisyritys

Cellcentric on Volvo Groupin ja Daimler Truck (DTG.DE ) AG:n puoliksi omistama yhteisyritys. Se kehittää polttokennojärjestelmiä vähähiilisempään liikenteeseen ja pyrkii tukemaan vuoteen 2050 ulottuvia ilmastotavoitteita.

Toukokuussa 2024 Cellcentric esitteli Euroopan ja Pohjois-Amerikan pitkän matkan kuorma-autoihin suunnitellun NextGen-polttokennojärjestelmän. Yhtiön mukaan kompakti, integroitu järjestelmä on suunniteltu tuottamaan yli 350 kW:n nettotehon.

Cellcentricin mukaan järjestelmän odotettiin vähentävän vedyn kulutusta 20 % BZA150-sukupolveen verrattuna. Yhtiö ilmoitti lisäksi 30 % suuremman tehotiheyden ja 40 % pienemmän hukkalämmön huippukuormalla. Nämä ovat valmistajan esittämiä ominaisuuksia ja tavoitteita, jotka voivat pienentää jäähdytystarvetta.

Koko vuonna 2023 Volvon liikevaihto kasvoi lähes 80 miljardilla Ruotsin kruunulla 553 miljardiin kruunuun. Oikaistu liiketulos oli 77,6 miljardia kruunua (edellisvuonna 50,5 miljardia) ja oikaistu liikevoittomarginaali 14,0 % (10,7 %). Daimler Truck Groupin liikevaihto kasvoi 10 % ja oli ennätykselliset 55,9 miljardia euroa vuonna 2023.

Vety‑polttokennoajoneuvojen tulevaisuus

Vetyajoneuvojen kehitys riippuu kustannuksista, tankkausverkostosta, vedyn tuotannosta, turvallisuudesta ja suorituskyvystä. Kehityskohteita ovat muun muassa polttokennopino, tankkausjärjestelmä, säiliöt, ohjaus ja lämmönhallinta.

Polttokennosähköajoneuvo voi tarjota sähkömoottorin nopean vääntövasteen ja nopean tankkauksen sopivalla asemalla. Polttokennon pääasiallinen käytönaikainen päästö on vettä, mutta koko elinkaarella syntyy muitakin päästöjä. Myös hinta ja huoltotarpeet ovat tärkeitä arviointikohteita.

Polttokennoauton hankintahinta voi olla vastaavaa perinteistä autoa korkeampi. Kalifornian Clean Vehicle Rebate Project tarjosi aiemmin 4 500 dollarin, tai tulorajojen perusteella oikeutetuille 7 500 dollarin, hankintatukea. Ohjelma sulkeutui uusilta hakemuksilta 8. marraskuuta 2023, joten kyse on historiallisesta tuesta. Muiden tukien ehdot vaihtelevat, ja teknologian menestys riippuu turvallisuuden ja suorituskyvyn lisäksi kustannuksista ja infrastruktuurista.

Lue, miten vedyn varastoinnin kehitys voisi parantaa sen käyttömahdollisuuksia energialähteenä.