Er hydrogenbrenselceller fremtiden for elbiler?

Adopsjonen av batterielektriske kjøretøy (BEV) i Nord-Amerika ser ut til å ha støtt på en hindring.  Med dårlige bruktbilpriser, dyre reparasjonskostnader, og etterslepende infrastruktur, har salget bremset – merkbart.  Det har til og med vært beslutningsendringer fra store leiebilselskaper som Hertz, som har besluttet å selge en stor del av sine elbiler i flåten, og gå tilbake til sine forbrenningsmotor‑ (ICE) motparter.

Selv om dette kan være tilfelle, ville det være gal å tro at overgangen fra noe så allestedsnærværende som forbrenningsmotoren (ICE) kunne skje sømløst.  Det vil alltid være tilbakeslag, og det vil alltid bli stilte gyldige spørsmål underveis om fordelene med elbiler.

Det er klart at overgangen til elbiler ikke bare er et ønske fra noen få; det er et behov for mange i kampen mot klimaendringer.  Men hvis dagens generasjon av elbiler ikke er opp til oppgaven, hvilke andre alternativer har vi?  For mange er svaret en teknologi som har blitt vurdert i mange år og nylig har sett kritiske fremskritt – hydrogen‑elektriske kjøretøy (HEV).

Forbedring av holdbarheten til hydrogenbrenselceller

I en nylig studie¹ beskrev et felles forskerteam bestående av forskere fra Harvard og Incheon National University en ny tilnærming til bygging av hydrogenbrenselceller som vil gi både forbedret holdbarhet og levetid.

Mer spesifikt observerte studien utviklingen av en “kategori av tretthetsresistente elektrolyttmembraner, bestående av et interpenetrerende nettverk av Nafion og perfluoropolyeter (PFPE).” Når den brukes, ble det bemerket at vanlig tretthet, som viser seg som sprekker som oppstår ved regelmessig bruk av brenselceller, kunne reduseres betydelig.

Ved å innlemme materialet i elektrolyttmembraner i en brenselcelle, viste studien at det økte “…tretthetsgrensen med 175 % og forlenger levetiden til brenselcellen med 1,7 ganger. I tillegg viser den uendrede Nafion‑membranen en levetid på 242 timer, mens den sammensatte membranen ble observert å ha en levetid på 410 timer.”

Selv om teamet bemerket at innføringen av dette materialet litt reduserte ytelsen til brenselcellene, er den enorme forbedringen i holdbarhet/levetid tydeligvis et verdifullt kompromiss.  Fremover, hvis hydrogenbrenselceller forventes å erstatte sine batteripakke‑motparter i elbilsektoren, er dette den typen fremskritt som må gjøres.  Det er imidlertid viktig å huske at den beste teknologien ikke alltid vinner.  Først‑til‑marked‑fordelen er reell, og batteridrevne elbiler er tydelig i ledelsen, til tross for et nylig markedskollaps.

Hva er hydrogen‑elektriske kjøretøy (HEV)?

Et elektrisk kjøretøy er ett som er avhengig av motorer drevet av elektrisitet i stedet for en motor som drives av forbrenningsdrivstoff.  Per i dag bruker den overveldende majoriteten av elektriske kjøretøy tunge batteripakker for å lagre og levere elektrisiteten som driver motorene.  Som nevnt finnes det en annen tilnærming til elbiler som ser ut til å få fotfeste – hydrogenbrenselceller.

I hydrogen‑elektriske kjøretøy (HEV), noen ganger kalt brenselcelle‑elektriske kjøretøy (FCEV), leveres elektrisiteten som trengs for å drive motoren(e) gjennom en elektro‑kjemisk reaksjon der hydrogen, lagret som enten væske eller komprimert gass, spaltes i protoner og elektroner.  Hele prosessen fungerer som følger:

1. Hydrogen lagret i en høytrykktank slippes ut etter behov til en brenselcelle.
2. Hydrogen introdusert til brenselcellen spaltes i protoner og elektroner.
3. Elektroner brukes til å drive motorene, som deretter driver hjulene.
4. Protoner kombineres med oksygen i luften, og produserer to biprodukter: varme og vanndamp.

Interessant nok bruker noen få hybride HEV en mindre batteripakke for å fange opp tapt energi gjennom regenerativ bremsing, og kombinerer det beste fra begge verdener.

Hva er appellen til hydrogen?

Generering og lagring: Batteripakker består vanligvis av materialer hentet gjennom store, invasive gruvedriftoperasjoner som ødelegger jorden, og undergraver premisset om at deres bruk er bra for miljøet.  Hydrogen, derimot, kan fanges gjennom metoder som bærekraftig elektrolyse og potensielt naturlig forekommende reserver.

Videre kan hydrogen lett komprimeres til væske og transporteres i store mengder uten problemer.  Det krever ingen overføringslinjer fra produksjonspunktet, noe som gjør prosessen mer fleksibel.

Ytelse: Fra et ytelsesperspektiv er det ikke stor forskjell mellom HEV og BEV.  Begge kjøretøytyper bruker motorer for å drive hjulene, noe som betyr at begge vil dra nytte av det umiddelbare dreiemomentet og ytelsen som er synonymt med teknologien.

Utslipp: Når det gjelder utslipp, er hydrogen sannsynligvis bedre.  Selv om det teknisk sett er en sekundær utslipper, innebærer dette kun vanndamp som kommer ut av eksosen.  Samtidig har BEV ingen utslipp i det hele tatt.  Det som gjør hydrogen unikt er produksjonsprosessen, da batteripakkene den erstatter krever omfattende gruvedrift, som skader jorden.

Påfylling: Påfylling er en av de største appellerende aspektene ved hydrogen, da det er en faktor brukerne må håndtere direkte på en jevnlig basis.  Mens BEV vanligvis krever lange ladetider og spesialisert infrastruktur, kan HEV fylles opp like raskt som et vanlig bensin‑/dieselkjøretøy.

Rekkevidde: Selv om batteriteknologien forbedres, krever en BEV som skal ha samme rekkevidde som tradisjonelle forbrenningsmotorer (ICE) en massiv batteripakke.  Dette fører til lengre ladetider, større miljøavtrykk og tap i effektivitet på grunn av vekt.  Hydrogen, derimot, har typisk rekkevidde som er på nivå med ICE, og fjerner dermed rekkeviddeangst helt.

Kalde klimaer: En del av rekkeviddeangsten som plager BEV‑eiere skyldes regionen.  Svært få steder har ideelle klimaforhold for en BEV, noe som fører til drastisk redusert rekkevidde for mange kunder.  Mens hydrogen mister noe rekkevidde i kaldt vær, er det ikke så dramatisk, noe som gjør det til et mer attraktivt alternativ for mange.

Som du kan se, finnes det flere kritiske områder hvor HEV kan overgå sine batteripakke‑varianter.  Der de begynner å falle bakpå er i kompleksitet, behovet for ettermontering av eksisterende påfyllingsinfrastruktur, og den potensielle fremveksten av solid‑state‑batterier.

Industrispillere som utvikler hydrogenløsninger

Elbilindustrien kan oppleve noen hindringer akkurat nå, men det er tydelig at de er fremtiden for transport.  Det som ikke er like klart er hvilken form elbilene vil ta.  Vil de være batteridrevne? Eller vil de stole på hydrogenbrenselceller?  Det følgende paret av selskaper satser på sistnevnte og har allerede begynt å planlegge en slik fremtid.

*Tallene nedenfor var korrekte på tidspunktet for skrivingen og kan endres.  Eventuelle potensielle investorer bør verifisere tallene*

1. Toyota

Som verdens største bilprodusent er det ikke overraskende at Toyota har gått inn i HEV‑området.  Interessant nok, mens selskapet aktivt utvikler solid‑state‑batteriløsninger, har Toyota motsatt seg dagens batteri‑EV.  I stedet har Toyota gjort det klart at de tror en lysere fremtid ligger med HEV og til og med hydrogen‑forbrenningsmotorer.

Det er verdt å merke seg at Toyota begynte å utvikle HEV‑teknologi i 1992, og førte til lanseringen av ‘Mirai’ – en sedan med 5‑minutters påfylling, 650 km rekkevidde og null skadelige utslipp.

2. Plug Power

PLUG Prisdiagram

Plug Power Inc. (PLUG ), etablert i 1997 med hovedkontor i Latham, New York, er fortsatt en sentral aktør i utviklingen av hydrogenbrenselcelleteknologi.  Merkverdig er at Plug Power ikke kun fokuserer på biler og lastebiler; selskapet designer og produserer slike systemer for mindre installasjoner som bruker elektriske motorer.

I de senere årene har Plug Power utvidet sitt fokus utover brenselceller for materialhåndtering og har begynt å rette seg mot bredere markeder.  Dette inkluderer stasjonære kraftsystemer, leveringskjøretøyflåter, og til og med potensielle anvendelser innen luftfart.  Selskapets strategiske oppkjøp, som United Hydrogen og Giner ELX, har ytterligere styrket deres posisjon i hydrogenøkonomien ved å forbedre deres evner innen hydrogenproduksjon, -flytning og -distribusjon.

Avsluttende ord

Med batteri‑EV som sliter, får potensielle alternativer mer oppmerksomhet.  Per i dag er hydrogenløsninger i front, og selv om det kan være lett å avvise teknologien ved første øyekast, husk at det ikke bare er Toyota som presser på for hydrogen.  Partnerskap og utvikling av hydrogenløsninger med selskaper som Honda, GM, Hyundai og flere eksisterer allerede.

Ettersom tilgangen til bærekraftig produsert hydrogen øker dag for dag, kan fremtiden for elbiler se litt annerledes ut enn mange tror.

Studier referert til:

^{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). Tretthetsresistente elektrolyttmembraner for holdbare polymer‑elektrolytmembran‑brenselceller. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}