Är vätgasbränsleceller framtiden för elbilar?

Antagandet av batterielektriska fordon (BEV) i Nordamerika verkar ha stött på ett hinder.  Med dåliga andrahandsvärden, dyra reparationskostnader och eftersatt infrastruktur, har försäljningen avtagit – märkbart.  Det har till och med skett beslutsvändningar av stora biluthyrningsföretag som Hertz, som har beslutat att avyttra en stor del av sina elbilar i flottan, och återgå till sina förbränningsmotorer (ICE).

Även om detta kan vara fallet skulle det vara galet att tro att övergången från något så allestädes närvarande som förbränningsmotorer skulle ske utan problem.  Det kommer alltid att finnas bakslag, och det kommer alltid att ställas giltiga frågor på vägen om fördelarna med elbilar.

Slutsatsen är att övergången till elbilar inte bara är en önskan från några få; det är ett behov för många i kampen mot klimatförändringarna.  Men om den nuvarande generationen av elbilar inte räcker till, vilka andra alternativ har vi?  För många är svaret en som har övervägts i många år och nyligen har gjort kritiska framsteg – vätgaselektriska fordon (HEV).

Förbättra hållbarheten hos vätgasbränsleceller

I en nyligen studie¹ beskrev ett gemensamt forskarteam bestående av forskare från Harvard och Incheon National University ett nytt tillvägagångssätt för att bygga vätgasbränsleceller som skulle resultera i både förbättrad hållbarhet och längre livslängd.

Mer specifikt såg studien utvecklingen av en “kategori av trötthetsresistenta elektrolytmembraner, bestående av ett inträngande nätverk av Nafion och perfluoropolyeter (PFPE).” När den används noterades att typisk trötthet, som yttrar sig som sprickor som uppstår vid regelbunden användning av bränsleceller, kunde minskas avsevärt.

Genom att införliva materialet i elektrolytmembraner inom en bränslecell visade studien att det höjde “…trötthetströskeln med 175 % och förlänger bränslecellens livslängd med 1,7 gånger. Dessutom uppvisar den omodifierade Nafion-membranen en livslängd på 242 timmar, medan den sammansatta membranen observerades ha en livslängd på 410 timmar.”

Även om teamet noterade att införandet av detta material något försämrade bränslecellernas prestanda, är den enorma förbättringen i hållbarhet/långlivadhet tydligt ett värt avvägning.  Framöver, om vätgasbränsleceller förväntas ersätta sina batteripaketmotsvarigheter i elbilssektorn, är detta den typ av framsteg som måste göras.  Det är dock viktigt att komma ihåg att den bästa teknologin inte alltid vinner.  Först-flygarsfördelen är verklig, och batteridrivna elbilar är tydligt i ledet, trots en nylig marknadssänkning.

Vad är vätgaselektriska fordon (HEV)?

Ett elektriskt fordon är ett som förlitar sig på motorer som drivs av elektricitet snarare än en motor som drivs av förbränt bränsle.  I dagsläget använder den överväldigande majoriteten av elektriska fordon tunga batteripaket för att lagra och leverera elektriciteten som driver dessa motorer.  Som nämnts finns det ett annat tillvägagångssätt för elbilar som verkar vinna mark – vätgasbränsleceller.

I vätgaselektriska fordon (HEV), ibland kallade bränslecellselektriska fordon (FCEV), tillhandahålls den elektricitet som krävs för att driva motorerna genom en elektrokemisk reaktion där vätgas, lagrad som antingen vätska eller komprimerad gas, delas upp i protoner och elektroner.  Hela processen fungerar enligt följande:

1. Vätgas lagrad i en högtrycktank släpps på begäran till en bränslecell.
2. Vätgas som introduceras i bränslecellen delas upp i protoner och elektroner.
3. Elektroner används för att driva motorerna, som sedan driver hjulen.
4. Protoner kombineras med syre i luften och producerar två biprodukter: värme & vattenånga.

Intressant nog använder ett fåtal hybrid‑HEV ett mindre batteripaket för att återvinna förlorad energi genom regenerativ bromsning, vilket kombinerar det bästa av två världar.

Vad är fördelarna med vätgas?

Fördelarna med HEV är varierande men betydande, likaså är de för batteridrivna elbilar.  Så, även om batteridrivna varianter för närvarande dominerar marknaden, har de på inget sätt förklarats som den vinnande metoden.  Faktum är att var och en av följande faktorer pekar på att HEV är överlägsna på något sätt.

Generering och lagring: Batteripaket består vanligtvis av material som hämtas genom stora, invasiva gruvdrift som orsakar förödelse för jorden, vilket undergräver premissen att deras användning är bra för miljön.  Vätgas, å andra sidan, kan fångas genom metoder som hållbar elektrolys och potentiellt naturligt förekommande reserver.

Dessutom kan vätgas enkelt komprimeras till en vätska och transporteras utan problem i stora mängder.  Det kräver inga transmissionsledningar från skapelsepunkten, vilket gör processen mer flexibel.

Prestanda: Ur ett prestandaperspektiv finns det ingen stor skillnad mellan HEV och BEV.  Båda typerna av fordon använder motorer för att driva sina hjul, vilket betyder att båda drar nytta av det omedelbara vridmomentet och den effekt som är synonym med tekniken.

Utsläpp: När det gäller utsläpp är vätgas sannolikt bättre.  Även om den tekniskt sett är en sekundär utsläppskälla, innebär detta bara vattenånga som kommer ut ur avgasröret.  Samtidigt har BEV inga utsläpp alls.  Vad som skiljer vätgas åt är tillverkningsprocessen, eftersom de batteripaket den undviker kräver omfattande gruvdrift för att tillverkas, vilket skadar jorden i processen.

Tankning: Tankning är en av de största fördelarna med vätgas, eftersom det är en faktor som slutanvändare kommer att hantera direkt på regelbunden basis.  Medan BEV vanligtvis kräver långa laddningstider och specialiserad infrastruktur, kan HEV tankas lika snabbt som ett vanligt bensin‑/dieselfordon.

Räckvidd: Även om batteritekniken förbättras, krävs ett massivt batteripaket för att en BEV ska ha samma räckvidd som mer traditionella förbränningsmotorer.  Detta leder till längre laddningstider, ett större miljöavtryck och förluster i effektivitet på grund av vikten.  Vätgas, å andra sidan, har räckviddstal som vanligtvis är i nivå med förbränningsmotorer, vilket helt eliminerar räckviddsångest.

Kalla klimat: En del av räckviddsångesten som plågar BEV‑ägare beror på regionen.  Mycket få platser har idealiska klimatförhållanden för en BEV, vilket resulterar i en drastiskt reducerad räckvidd för många kunder.  Även om vätgas förlorar viss räckvidd i kallt väder, är det inte lika dramatiskt, vilket gör det till ett mer attraktivt alternativ för många.

Som du kan se finns det flera kritiska områden där HEV kan överträffa sina batteripaketvarianter.  Där de börjar halka efter är i komplexitet, behovet av att anpassa befintlig tankningsinfrastruktur och den potentiella framkomsten av solid‑state‑batterier.

Branschaktörer som utvecklar vätgasslösningar

Elbilsindustrin kan uppleva några hinder just nu, men det är tydligt att de är framtiden för transport.  Vad som inte är lika klart är i vilken form elbilarna kommer att ta.  Kommer de att vara batteridrivna? Eller kommer de att förlita sig på vätgasbränsleceller?  Följande två företag satsar på det senare och har redan börjat planera för en sådan framtid.

*Siffrorna nedan var korrekta vid skrivandet och kan komma att ändras.  Eventuella investerare bör verifiera siffrorna*

1. Toyota

Som världens största biltillverkare är det inte förvånande att Toyota har gått in i HEV‑området.  Intressant nog, medan företaget aktivt utvecklar solid‑state‑batterilösningar, har Toyota motsatt sig dagens batteri‑EV.  Istället har Toyota gjort det känt att de tror att en ljusare framtid ligger med HEV och till och med vätgasförbränningsmotorer.

Noterbart är att Toyota började utveckla HEV‑teknik 1992, vilket ledde till lanseringen av ‘Mirai’ – en sedan med 5‑minuters tankning, 650 km räckvidd och noll skadliga utsläpp.

2. Plug Power

PLUG Prisdiagram

Plug Power Inc. (PLUG ), grundat 1997 och med huvudkontor i Latham, New York, är fortfarande en nyckelspelare i utvecklingen av vätgasbränslecellsteknik.  Noterbart är att Plug Power inte enbart fokuserar på bilar och lastbilar; företaget designar och tillverkar sådana system för mindre installationer som använder elektriska motorer.

Under de senaste åren har Plug Power utökat sitt fokus bortom bränsleceller för materialhantering och har börjat rikta sig mot bredare marknader.  Detta inkluderar stationära kraftsystem, leveransfordonsflottor och till och med potentiella tillämpningar inom flygindustrin.  Företagets strategiska förvärv, såsom United Hydrogen och Giner ELX, har ytterligare stärkt dess position i vätgassekonomin genom att förbättra dess kapacitet för vätgengenerering, förflytning och distribution.

Slutord

Med batteri‑EV som snubblar får alternativa lösningar mer uppmärksamhet.  I dagsläget är vätgasslösningar i framkant, och även om det kan vara lätt att avfärda tekniken vid första anblicken, kom ihåg att det inte bara är Toyota som driver på för vätgas.  Partnerskap och utveckling av vätgasslösningar med företag som Honda, GM, Hyundai och fler finns redan.

Med den ökande tillgången till hållbart framställd vätgas som växer varje dag, kan framtiden för elbilar se något annorlunda ut än vad många tror.

Studier refererade:

^{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). Trötthetsresistenta elektrolytmembraner för hållbara polymerelektrolytmembranbränsleceller. Advanced Materials, 36(24), 2308288. https://doi.org/10.1002/adma.202308288}