Ovatko vetypolttokennot tulevaisuus sähköautoissa?

Akku‑sähköautojen (BEV) omaksuminen Pohjois-Amerikassa näyttää törmänneen esteeseen. Huonot jälleenmyyntiarvot, kalliit korjauskustannukset, ja jäljessä oleva infrastruktuuri, myynti on hidastunut – merkittävästi. On jopa tapahtunut päätöskäänteitä suurten vuokrausyritysten, kuten Hertzin, puolelta, jotka ovat päättäneet poistaa suuren osan sähköautoistaan laivastostaan, palaten sisäpolttomoottorivaihtoehtoihinsa.

Vaikka näin saattaa olla, olisi hullua ajatella, että siirtyminen pois niin yleisestä kuin sisäpolttomoottori (ICE) tapahtuisi mutkattomasti. Takaiskuja oli aina odotettavissa, ja matkan varrella oli aina esitetty päteviä kysymyksiä sähköautojen etujen ympäriltä.

Lopullinen johtopäätös on, että siirtyminen sähköautoihin ei ole vain harvojen toive, vaan se on monien tarve ilmastonmuutosta vastaan taistellessa. Jos nykyinen sähköautojen sukupolvi ei kuitenkaan pysty siihen, mitä muita vaihtoehtoja meillä on? Monille vastaus on vuosien ajan pohdittu ja äskettäin kriittisiä edistysaskeleita nähnyt – vety‑sähköajoneuvot (HEV:t).

Vetypolttokennojen kestävyyden parantaminen

Äskettäisessä tutkimuksessa¹ yhteinen tutkimusryhmä, johon kuului Harvardin ja Incheon National Universityn tutkijoita, esitteli uuden lähestymistavan vety‑polttokennojen rakentamiseen, mikä johtaisi sekä parantuneeseen kestävyyteen että pidempiin käyttöikään.

Tarkemmin sanottuna tutkimus havaitsi “väsymiskestävien elektrolyttikalvojen luokan, joka koostuu Nafionin ja perfluoropolyetherin (PFPE) läpäisevästä verkostosta.” Käytettäessä huomattiin, että tyypillinen väsymys, joka ilmenee stressimurtumina polttokennojen säännöllisessä käytössä, voidaan merkittävästi vähentää.

Kun materiaalia sisällytetään polttokennon elektrolyttikalvoihin, tutkimus osoitti, että se nosti “…väsymiskynnyksen 175 % ja pidentää polttokennon käyttöikää 1,7‑kertaisesti. Lisäksi muokkaamaton Nafion‑kalvo kestää 242 tuntia, kun taas komposiittikalvo kestää 410 tuntia.”

Vaikka tiimi totesi, että tämän materiaalin käyttö heikensi hieman polttokennojen suorituskykyä, hämmästyttävä parannus kestävyydessä/ikässä on selvästi kannattava kompromissi. Jos vety‑polttokennojen odotetaan korvaavan akkupakettivastineensa EV‑sektorilla, nämä ovat ne edistysaskeleet, jotka on tehtävä. On kuitenkin tärkeää muistaa, että paras teknologia ei aina voita. Ensimmäisenä toimimisen etu on todellinen, ja akku‑pohjaiset sähköautot ovat selvästi johdossa, huolimatta äskettäisestä markkinalaskusta.

Mitä vety‑sähköajoneuvot (HEV:t) ovat?

Sähköajoneuvo on ajoneuvo, joka käyttää sähköä moottoreihin sen sijaan, että sen moottori toimisi polttoaineen palamisella. Tällä hetkellä suurin osa sähköajoneuvoista käyttää raskaita akkupaketteja sähkön varastoimiseen ja toimittamiseen näille moottoreille. Kuten mainittiin, on olemassa toinen lähestymistapa sähköautoihin, joka näyttää saavan jalansijaa – vety‑polttokennot.

Vety‑sähköajoneuvoissa (HEV), joita joskus kutsutaan polttokenno‑sähköajoneuvoiksi (FCEV), moottorin (tai moottorien) tarvitsema sähkö saadaan elektrokemiallisesta reaktiosta, jossa vety, varastoitu nestemäisenä tai pakatuna kaasuna, hajotetaan protoneiksi ja elektroneiksi. Koko prosessi toimii seuraavasti:

1. Vety, joka on varastoitu korkeapaineiseen säiliöön, vapautetaan tarpeen mukaan polttokennoon.
2. Polttokennoon johdetun vedyn hajotetaan protoneiksi ja elektroneiksi.
3. Elektroneja käytetään moottoreiden voimanlähteenä, jotka sitten pyörittävät pyöriä.
4. Protonit yhdistyvät ilman hapen kanssa, tuottaen kaksi sivutuotetta: lämpöä ja vesihöyryä.

On mielenkiintoista, että muutama valikoitu hybrid-HEV käyttää pienempää akkupakettia menneen energian talteenottoon regeneratiivisen jarrutuksen avulla, yhdistäen molempien maailmojen parhaat puolet.

Mikä tekee vedystä houkuttelevan?

Tuotanto ja varastointi: Akku‑paketit koostuvat tyypillisesti materiaaleista, jotka kerätään suurten, invasiivisten kaivosoperaatioiden avulla, aiheuttaen tuhoa maapallolle ja heikentäen väitettä, että niiden käyttö olisi ympäristön hyväksi. Vety sen sijaan voidaan kerätä kestävän elektrolyysin kaltaisilla menetelmillä ja mahdollisesti luonnollisesti esiintyvistä varannoista.

Lisäksi vety voidaan helposti pakata nestemäiseksi ja kuljettaa ongelmitta suurina määrinä. Se ei vaadi siirtojohtoja tuotantopisteestä, mikä tekee prosessista joustavamman.

Suorituskyky: Suorituskyvyn näkökulmasta HEV- ja BEV-ajoneuvojen välillä ei ole suurta eroa. Molemmat ajoneuvotyypit käyttävät moottoreita pyörien voimanlähteenä, mikä tarkoittaa, että molemmat hyötyvät välittömästä vääntömomentista ja tehon tuotannosta, joka on ominainen tälle teknologialle.

Päästöt: Päästöjen osalta vety on väitteellisesti parempi. Vaikka se on teknisesti toissijainen päästö, siihen liittyy vain vesihöyryä pakoputkesta. Samaan aikaan BEV-ajoneuvoilla ei ole lainkaan päästöjä. Vedyn erottuva piirre on valmistusprosessi, sillä sen ohittamat akkupaketit vaativat laajaa kaivamista, mikä vahingoittaa maapalloa.

Tankkaus: Tankkaus on yksi vedyn suurimmista houkuttelevista ominaisuuksista, sillä se on tekijä, jonka loppukäyttäjät kohtaavat säännöllisesti. Vaikka BEV-ajoneuvot yleensä vaativat pitkän latausajan ja erikoistuneen infrastruktuurin, HEV:t voivat tankata yhtä nopeasti kuin tavallinen bensiini‑/diesel‑ajoneuvo.

Toimintasäde: Vaikka akkuteknologia kehittyy, BEV:n on saavutettava sama toimintasäde kuin perinteisillä sisäpolttomoottorilla, mikä vaatii massiivisen akkupaketin. Tämä johtaa pidempiin latausaikoihin, suurempaan ympäristöjalanjälkeen ja tehon menetyksiin painon vuoksi. Vety sen sijaan tarjoaa toimintasädearvot, jotka ovat tyypillisesti samansuuruisia kuin sisäpolttomoottorin, poistaen toimintasäde‑ahdistuksen kokonaan.

Kylmät ilmastot: Osa BEV‑omistajien toimintasäde‑ahdistuksesta johtuu alueesta. Hyvin harvoilla paikoilla on ihanteelliset ilmasto-olosuhteet BEV:lle, mikä johtaa monien asiakkaiden toimintasäteen merkittävään heikkenemiseen. Vaikka vety menettääkin hieman toimintasädeä kylmässä säässä, se ei ole lainkaan niin dramaattista, mikä tekee siitä monille houkuttelevamman vaihtoehdon.

Kuten näette, on useita kriittisiä alueita, joissa HEV:t voivat ylittää akkupakettivariaationsa. Ne alkavat kuitenkin jäädä jälkeen monimutkaisuuden, olemassa olevan tankkausinfrastruktuurin jälkiasennustarpeen ja mahdollisen kiinteän tilan akkujen tulon osalta.

Vetyratkaisuja kehittävät alan toimijat

EV‑ala saattaa tällä hetkellä kohdata muutamia mutkia, mutta on selvää, että ne ovat tulevaisuuden liikenne. Mikä ei ole yhtä selkeää, on se, millä muodolla EV:t tulevat. Ovatko ne akku‑pohjaisia? Vai turvaavatko ne vety‑polttokennoihin? Seuraavat kaksi yritystä panostavat jälkimmäiseen ja ovat jo aloittaneet suunnittelun tällaista tulevaisuutta varten.

*Alla annetut luvut olivat kirjoitushetkellä tarkkoja ja voivat muuttua. Mahdollisten sijoittajien tulisi tarkistaa mittarit*

1. Toyota

Maailman suurimpana autonvalmistajana ei ole yllättävää, että Toyota on astunut HEV‑alueelle. Mielenkiintoista on, että vaikka yritys kehittää aktiivisesti kiinteän tilan akkuja, Toyota on vastustanut nykyisiä akku‑sähköautoja. Sen sijaan Toyota on ilmoittanut uskovansa, että kirkkaampi tulevaisuus on HEV:issä ja jopa vety‑polttomoottoreissa.

Huomionarvoista on, että Toyota aloitti HEV‑teknologian kehittämisen vuonna 1992, mikä johti ‘Mirai’‑mallin julkaisuun – sedan, joka tarjoaa 5‑minuutin tankkauksen, 650 km toimintasäteen ja nollapäästöt.

2. Plug Power

PLUG Hintakaavio

Plug Power Inc. (PLUG ), joka perustettiin vuonna 1997 ja jonka pääkonttori sijaitsee Lathamissa, New Yorkissa, on edelleen keskeinen toimija vety‑polttokennojen teknologian edistämisessä. Huomionarvoista on, että Plug Power ei keskity pelkästään autoihin ja kuorma-autoihin; yritys suunnittelee ja valmistaa tällaisia järjestelmiä pienempiin asennuksiin, jotka hyödyntävät sähkömoottoreita.

Viime vuosina Plug Power on laajentanut fokusansa polttokennojen ulkopuolelle materiaalinkäsittelyssä ja on alkanut kohdistaa toimintaansa laajempaan markkinaan. Tämä sisältää paikalliset energiajärjestelmät, jakeluajoneuvokilot ja jopa mahdolliset sovellukset ilmailussa. Yrityksen strategiset yritysostot, kuten United Hydrogenin ja Giner ELX:n hankinnat, ovat vahvistaneet sen asemaa vety‑taloudessa parantamalla kykyjä vedyn tuotannossa, nesteytyksessä ja jakelussa.

Loppusanat

Kun akku‑sähköautot kamppailevat, yhä enemmän huomiota kiinnitetään mahdollisiin vaihtoehtoihin. Tällä hetkellä vety‑ratkaisut ovat eturintamassa, ja vaikka teknologia olisi helppo hylätä ensisilmäyksellä, on muistettava, että kyseessä ei ole vain Toyotan vety‑pyrkimys. Kumppanuuksia ja vety‑ratkaisujen kehitystä koskevia hankkeita, joissa mukana ovat esimerkiksi Honda, GM, Hyundai ja muut, on jo olemassa.

Kun kestävästi tuotetun vedyn saatavuus kasvaa päivä päivältä, sähköautojen tulevaisuus saattaa näyttää hieman erilaiselta kuin moni uskoo.

Viitteet:

^{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). Fatigue‐Resistant Electrolyte Membranes for Durable Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}