Kan hydrogen brenselceller overgå elbilbatterier som fremtidens strømkilde?

Det er en økende konsensus i bilindustrien om at fremtiden for landtransport er elektrisk fremdrift. Men ettersom e-mobilitet dukket opp igjen som et konsept (ikke glem at i begynnelsen av biltiden ICE og elbiler eksisterte sammen), er det en debatt om hvordan man kan forsyne den elektriske motoren med elektrisitet? Det første alternativet er å bruke batteripakker om bord i bilen – helt klart det mer populære alternativet i disse dager. Det er imidlertid en annen måte i hydrogenbrenselcellene.

Hva er en brenselcelle?

Noen la merke til det lave energiinnholdet som gjeldende batteriteknologi, og noen foreslo en annen tilnærming. Produserer strømmen om bord i bilen uten å trenge tunge og klumpete batterier. Teknologien er egentlig ikke ny, siden den først ble brukt på 60-tallet av NASA for å generere elektrisitet på Gemini- og Apollo-oppdragene til månen. Det finnes noen forskjellige typer brenselceller, men i bilindustrien brukes proton exchange membrane brenselceller (PEMFC) nesten utelukkende.

Så hvordan produserer vi strøm i en brenselcelle? Det er en relativt grei prosess. Brenselcellen har tre hoveddeler. Anoden, katoden og separatoren. I anoden mates H2 fra en tank. H2 er sammensatt av to elektroner og to protoner. Positivt ladede protoner passerer gjennom separatoren mens negativt ladede elektroner beveger seg gjennom en ekstern krets og skaper dermed elektrisk strøm.

Ved katoden møter atmosfærisk luft oksygen protonene til hydrogenet - som tidligere har gått gjennom separatoren - og elektronene i den eksterne kretsen. Denne kombinasjonen skaper vann som deretter støtes ut av enderøret til bilen. En endepipe du kan drikke av!

Hydrogenproduksjon

Hydrogen er det mest tallrike grunnstoffet i universet, men det er ikke tilgjengelig i fri form på jorden. Dette betyr at vi må finne en måte å skaffe det på. For tiden er det 3+1 måter å produsere hydrogen på.

Grått hydrogen som det kalles, produseres gjennom dampreformering av naturgass. Naturgass bombarderes med veldig varmt vanndamp under høyt trykk. Denne reaksjonen skaper H2 og CO2. Denne måten å produsere hydrogen på er den minst miljøvennlige.

Blått hydrogen ligner mye på grått hydrogen, bortsett fra at karbonfangst- og lagringssystemer (CCS) er integrert i produksjonsprosessen, og hindrer den frigjorte CO₂ i å nå atmosfæren.

Den tredje produksjonsveien er elektrolyse, som genererer grønt hydrogen. Denne metoden fungerer motsatt av en brenselcelle: en elektrisk strøm deler vannmolekyler inn i gassene deres - hydrogen og oksygen.

"+1"-tilnærmingen er kjent som turkis hydrogen. I denne teknikken ledes naturgass gjennom et bad av smeltet metall, og gir hydrogen og fast karbon. Selv om konseptet viser lovende, har det ennå ikke nådd kommersiell skala distribusjon.

Av de eksisterende alternativene har grønt hydrogen det største løftet for bærekraftig produksjon med lav effekt – forutsatt at elektrisiteten som driver prosessen kommer fra fornybare kilder som vind- eller solenergi.

Hydrogen stater

Det er to mulige tilstander av hydrogen som skal brukes. Gass og væskeform, som begge har sine fordeler og ulemper.

Fordi hydrogen er det minste tette grunnstoffet i universet, må det komprimeres seriøst for å bruke det i en bil. I dagens applikasjoner komprimeres hydrogen til 700 bar. Det er mye press og spesielle og dyre tanker er nødvendig for dette.

Det andre alternativet er flytende form. Men for å gjøre hydrogen flytende må det avkjøles til 20°C over det absolutte nullpunktet - det er minus 253°C. Det er åpenbart at for å oppnå begge former for hydrogen må vi bruke energi – enten til superhøy kompresjon eller til kjøling.

Fordelen med å bruke hydrogen er imidlertid enorm - 1 kg hydrogen bærer 33,3 kWh energi. Dette betyr at den bærer 167 ganger mer energi per kg enn den mest avanserte nåværende batteripakken!

Batterier vs hydrogen

Så, hva er den mest foretrukne måten? Ta med strømmen eller produsere den om bord i bilen? Bilindustrien ser ut til å favorisere batteripakkene for øyeblikket av flere grunner.

For det første er effektiviteten til PEMFC rundt 60%. Dampreforming av naturgass er 70 % effektiv mens elektrolyse er 75 % effektiv. Kompresjon av hydrogen er rundt 89 % effektiv, mens flytendegjøring er rundt 66 % effektiv. I tabellen nedenfor er alle tapene oppsummert og sammenlignet mellom batteripakkene og hydrogen. For hydrogen er de mest effektive scenariene brukt.

Data hentet fra den foregående tabellen indikerer at brenselcelleteknologi gir en effektivitetsprofil som er nesten identisk med den for bensinbiler med forbrenningsmotor (ICE). Gitt den nåværende situasjonen, gir utplassering av brenselceller i personbiler liten praktisk fordel. Følgelig foretrekker flertallet av bilprodusenter batteripakketilnærmingen, til tross for dens iboende begrensninger.

Det er også verdt å fremheve at å tilbakelegge en tilsvarende distanse medfører kostnader for hydrogenpåfylling som er syv til åtte ganger høyere enn å lade et elektrisk kjøretøy hjemme. Mens hydrogen kan finne en nisje i tunge lastebiltransporter på grunn av sin eksepsjonelle energitetthet, er dette potensialet betinget av utvikling av bærekraftige metoder for produksjonen.