Vätgasfordon kan representera framtiden för transporter – Finns det säkerhetsrisker?

Vätgasfordon eller vätgasdrivna bränslecellsfordon har framträtt som ett fenomen sedan 2015. Även om det är för tidigt att förutsäga framtiden för vätgasfordon, går det inte att förneka att intresset för dem har varit påtagligt men svängande. 

Mellan 2022 och 2023 såg antalet vätgasdrivna bränslecells‑elektriska fordon en nedgång, från 20 704 till 14 451. En årlig nedgång är inte tillräcklig för att fastställa en trend i konsumentintresset för vätgasfordon. Men det finns diskussioner på båda sidor. Även om ett vätgasfordon har många fördelar, finns det också många samtal om hur säkert ett vätgasfordon är. I följande avsnitt kommer vi att titta på båda dessa aspekter av vätgasfordon. 

Vätgasfordonens unika egenskaper

Trots att de är elfordon behöver vätgasfordon inte inbyggda batterier. De har sin egen kraftkälla ombord som kan omvandla vätgasen i bränsletanken till elektricitet. Vätgasbilar kör utan lokala utsläpp. 

Den största fördelen den erbjuder – hittills – är den korta påfyllningstiden. Till skillnad från andra elfordon är laddningen av vätgasfordon inte beroende av fordonets modell och infrastruktur. Den har ett stort batterilagringsutrymme, och dess räckvidd är inte beroende av utomhustemperaturen, vilket eliminerar risken för försämring i kallt väder.

Vätgas är också ett mycket effektivt sätt att lagra och transportera förnybar energi, och dess införande bidrar till att minska kostnaderna på lång sikt.

Medan fördelarna är tydliga för alla, pekar vissa studier också på dess risk‑ och skadespotential. Vi kommer idag att specifikt titta på ett fall där ett team från TU Graz har analyserat risk‑ och skadespotentialen för vätgasfordon i tunnlar. Studien har också gett några rekommendationer. 

Risk‑ och skadespotential för vätgasfordon: Hur man minimerar riskerna

Under sitt HyTRA‑projekt har Tekniska universitetet i Graz undersökt flera aspekter som kan vara riskfyllda. Studien bedömde möjliga incidenttyper, faror för människor och tunnelstrukturen samt föreslog åtgärder som kan vidtas för att minimera dessa risker.

Forskare har fastställt att sannolikheten för olyckor med vätgasdrivna fordon i en tunnel är låg, men den höga energitätheten hos vätgas och dess betydande lagringstryck gör dessa FCEV‑fordon till en betydande risk för omfattande skador.

Lagring av vätgas i biltankar vid ett tryck på 700 bar kan leda till en snabb frisättning av en stor mängd energi. Om den antänds kan vätgasen brinna vid temperaturer över 2000 grader Celsius. Tillverkare konstruerar bränsletankarna för att vara robusta och väl skyddade mot mekanisk påverkan; de är dock otillräckliga i situationer som bakomkörningskollisioner med stora lastbilar.

Det finns i stort sett tre farliga scenarier som kan uppstå som resultat av en sådan kollision.

I det första fallet kan den termiska tryckavlastningsenheten (TPRD) aktiveras när trycket ökar på grund av en termisk påverkan, vilket släpper ut vätgas från tanken i en kontrollerad stråle. Denna mekanism hjälper till att hålla trycket på en säker nivå och förhindrar att tanken brister. Detta kan dock fortfarande utgöra en fara om den utsläppta vätgasen blandas med luft och antänds. Ändå skulle farozonen förbli begränsad.

Detta scenario förvärras om den termiska tryckavlastningsenheten misslyckas, vilket potentiellt kan leda till att tanken exploderar. Den resulterande tryckvågen kan spridas genom hela kanalen. Risken för dödsfall kan sträcka sig upp till cirka 30 meter, medan sannolikheten för allvarliga interna skador kan nå upp till 300 meter. På längre avstånd finns fortfarande risken för brustna trumhinnor.

I det tredje scenariot, det minst sannolika, släpps vätgas först ut utan att antändas. Som det lättaste grundämnet i periodiska systemet stiger gasen och samlas som ett moln under tunnelns tak. Om en antändningskälla, såsom heta lampor eller en elektrisk impuls, finns närvarande, kan den utlösa en vätgasmolnsexplosion som genererar en betydande tryckvåg.

Riskforskarnas utredning föreslog en rad mitigationsstrategier. Teamet föreslog att införa striktare hastighetsgränser, övervakade genom sektionskontroll. De rekommenderade också precisa avståndskontrollstrategier, stödda av en robust signaleringsmekanism för att varna förare när de följde för nära.

När riskerna och skadespotentialen för vätgasfordon diskuterades glömde inte TU Graz‑teamet att nämna den kontext de verkar i och hur deras risk‑ och skadespotential mäts.

“Moderna vätgastankar är byggda så säkert att mycket måste gå fel för att vätgasen ska läcka.”

– Daniel Fruhwirt, Institutet för termodynamik och hållbara framdrivningssystem vid TU Graz

Drivkraften bakom vätgasfordon

Forskare förutspår en betydande ökning i antagandet av vätgasfordon under de kommande åren. Branschforskare och analytiker uppskattar att antalet vätgasfordon i tjänst globalt kommer att överstiga en miljon år 2027, upp från drygt 60 000 år 2022, vilket motsvarar en ökning på mer än 1 500 %. Konsumentmarknaden förväntas bli den ledande segmentet inom vätgasfordonsområdet och stå för mer än 60 % år 2027.

Det finns statliga initiativ som främjar bränslecellsfordon. Till exempel lanserade Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, en enhet under Department of Energy, H2USA år 2013. I deras officiella uttalande hade myndigheterna följande att säga om H2USA:s uppdrag:

“H2USA:s uppdrag är att främja införandet och den breda antagandet av bränslecells‑elektriska fordon över hela Amerika. Medlemmarna inkluderar federala myndigheter, bränslecellsbranschföreningen, biltillverkare, vätgasanläggare, bränslecellsutvecklare, nationella laboratorier och ytterligare intressenter. Samarbetet erbjuder en plattform för USA som liknar de offentligt‑privata samarbeten i andra länder som fokuserar på vätgas, särskilt Tyskland, Japan och Storbritannien.”

Enligt uppgift har H2USA nu mer än 30 deltagare. 

Förutom statliga initiativ pågår mycket forskning för att förbättra prestanda, vilket hjälper till att bygga intresse och förtroende bland potentiella konsumenter för vätgasscellerfordon.

Till exempel har en nyligen genomförd studie av ett forskarteam från Harvard och Incheon National University utvecklat ett tillvägagångssätt för att bygga bränsleceller som presterar högt både när det gäller hållbarhet och livslängd. Studien kretsade kring utvecklingen av en kategori av trötthetsresistenta elektrolytmembraner bestående av ett interpenetrerande nätverk av Nafion och perfluoropolyeter (PFPE). Teamet noterade en liten nedgång i bränslecellsens prestanda i utbyte mot ett ‘enastående förbättring i hållbarhet/lång livslängd.’

En annan spännande utveckling som har varit särskilt uppmuntrande för tillverkarna är införandet av specialiserade enzymer i uttjänta oljekällor. Dessa enzymer bryter ner kvarvarande kolväten till olika komponenter, inklusive vätgas. Denna framsteg kan leda till att otaliga uttjänta och övergivna oljeborrningar världen över omvandlas till källor för ett mer hållbart bränsle från deras djup – vätgas.

Drivkraften för vätgasfordon ligger i linje med visionen att skapa mer hållbara transportalternativ för framtiden, potentiellt ännu mer hållbara än elfordon (EV). Detta beror på att elfordon inte fullt ut uppnår hållbarhet; deras utsläpps­potential beror på hur elektriciteten genereras.

Många företag utvecklar lösningar för vätgasfordon och förutspår att regeringar och transportmyndigheter i framtiden i allt högre grad kommer att föredra vätgasfordon framför elfordon. I följande avsnitt diskuterar vi ett par sådana företag.

#1. Ultium‑plattformen och HYDROTEC‑bränslecells‑kraftkubor av General Motors

GM:s Hydrotec‑bränslecells‑teknik påstår sig vara en prisvärd bränslecells‑kraftlösning för land-, luft- och marinapplikationer. År 2021 meddelade Wabtec Corporation (NYSE: WAB) och General Motors (GM ) (NYSE: GM) ett samarbete för att utveckla och kommersialisera GMs Ultium‑batteriteknik och HYDROTEC‑vätgassystem för Wabtec‑lokomotiv.

När de talade om det mervärde som GMs lösningar skulle ge Wabtec, hade VD och president för Wabtec, Rafael Santana, följande att säga:

“Vår FLXdrive‑lokomotiv, världens första 100 % batteridrivna lokomotiv, har visat sin potential att minska koldioxidutsläppen med upp till 30 % vid drift på 6 MWh. Men vi kan inte stanna där. Genom att samarbeta med GM kring Ultium‑batteri och HYDROTEC‑vätgassystem kan vi påskynda järnvägsindustrins väg mot avkarbonisering och en bana mot nollutsläpps‑lokomotiv genom att utnyttja dessa två viktiga framdrivningsteknologier.”

GMs Hydrotec‑lösning erbjuder kompakta och lättpaketerade bränslecells‑kraftkubor för ett brett spektrum av applikationer, inklusive lokomotiv. Ultium är batteritekniken som bidrar till den flexibilitet, effektivitet, kraft och pålitlighet som järnvägarna behöver.

År 2021 inledde General Motors också ett samarbete med Liebherr‑Aerospace för att utveckla ett demonstratorsystem för vätgasscells‑kraftgenerering för flygplan. Året därpå beslutade GM att gå bortom fordon och biltransport med sin Hydrotec‑lösning.

Företaget deklarerade sina planer på att utveckla flera HYDROTEC‑baserade kraftgeneratorer som drivs av GMs Generation 2 HYDROTEC‑bränslecells‑kraftkubor. Dessa inkluderar:

• En mobil kraftgenerator (MPG) som erbjuder snabbladdningsmöjligheter för elfordon utan att installera permanenta laddningspunkter.
• EMPOWER‑snabbladdaren som gör det möjligt för detaljhandelsbränslestationer att lägga till prisvärd DC‑snabbladdning utan att utöka nätet.
• En palliserad MPG för att tyst och effektivt förse militära läger och anläggningar med kraft.

För räkenskapsåret 2023 rapporterade GM en omsättning på 171,8 miljarder dollar, med ett nettoresultat som kan hänföras till aktieägarna på över 10 miljarder dollar och ett justerat EBIT på 12 miljarder dollar.

#2. Cellcentric: Ett 50/50‑samarbete mellan Daimler och Volvo

Cellcentric, ett 50:50‑joint venture mellan Volvo Group och Daimler Truck (DTG.DE ) AG, syftar till att bli en ledande global tillverkare av bränsleceller för att hjälpa världen att nå sitt mål att införa neutral och hållbar transport senast år 2050.

I maj 2024 meddelade Cellcentric sitt NextGen‑bränslecellsystem, en lösning skräddarsydd för långdistanslastbilar i Europa och Nordamerika. Systemet är en högintegrerad, kompakt och lättviktig enhetspaketlösning som kan leverera kraft på över 350 kW vid sin maximala prestanda.

Enligt Cellcentrics uppskattningar förväntas lösningen erbjuda en bränsleförbrukningsbesparing på 20 % jämfört med BZA150‑generationen. NextGen‑systemet har också en ökning av effektdensiteten med 30 % jämfört med den nuvarande generationen och en minskning av spillvärme med 40 % vid maximal belastning, tack vare sin sofistikerade systemdesign och optimala prestanda. Lösningen minskar även kylbehovet, vilket förbättrar produktens prestandanivåer.

För hela år 2023 ökade Volvo sin nettoomsättning med nästan 80 miljarder SEK till 553 miljarder SEK och det justerade rörelseresultatet till 77,6 miljarder SEK (50,5), med en justerad rörelsemarginal på 14,0 % (10,7). Daimler‑koncernens intäkter ökade med 10 % till en rekordnivå på 55,9 miljarder € år 2023.

Framtiden för vätgasscellerfordon

Sammanfattningsvis ser framtiden för vätgasfordon lovande ut eftersom det finns ett ökande globalt behov av hållbara transportlösningar. För att bli mer effektiva och säkra måste dock tillverkare och teknologiforskare arbeta med alla aspekter av en vätgasscells‑elektrisk bil, inklusive cellstacken, bränslefyllning, bränsletank, styrsystem och värmesystem.

Dessa fordon erbjuder flera fördelar, inklusive omedelbart vridmoment och jämna, konsekventa kraftfunktioner, låga underhållskrav, snabba påfyllningsfördelar, nollutsläpp och mer. Tillverkarna måste dock arbeta mer med kostnaderna.

Ett inköp av en bränslecellsbil kan kosta mer än jämförbara konventionella bilar. Det finns dock flera incitament i utvecklade ekonomier, såsom ett återbäringsbidrag på 4 500 $ (7 500 $ för inkomstkvalificerade köpare) från Kaliforniens Clean Vehicle Rebate Project och andra. Även om dessa incitament skulle öka antagandet och synligheten på kort sikt, skulle den långsiktiga framgången endast drivas av de säkerhets‑ och prestandastandarder som erbjuds.

Klicka här för att lära dig vad som gjorde vätgas till en attraktiv energikälla igen.