Kan vätebränsleceller överträffa elbilsbatterier som framtida kraftkälla?

Det finns en växande konsensus inom bilindustrin om att framtiden för landtransporter är elektrisk framdrivning. Men när e-mobilitet återuppstod som ett begrepp (glöm inte att ICE och elbilar samexisterade vid biltidens gryning), pågår det en debatt om hur man förser elmotorn med el? Det första alternativet är att använda batteripaket ombord på bilen – helt klart det populäraste alternativet nuförtiden. Det finns dock ett annat sätt i vätebränslecellerna.

Vad är en bränslecell?

Vissa har lagt märke till det låga energiinnehållet som nuvarande batteriteknik, och föreslog ett annat tillvägagångssätt. Att producera elen ombord på bilen utan att behöva tunga och skrymmande batterier. Tekniken är inte riktigt ny, eftersom den först användes på 60-talet av NASA för att generera elektricitet på Gemini- och Apollo-uppdragen till månen. Det finns några olika typer av bränsleceller, men inom bilindustrin används protonbytesmembranbränsleceller (PEMFC) nästan uteslutande.

Så, hur producerar vi el i en bränslecell? Det är en relativt okomplicerad process. Bränslecellen har tre huvuddelar. Anoden, katoden och separatorn. I anoden matas H2 från en tank. H2 består av två elektroner och två protoner. Positivt laddade protoner passerar genom separatorn medan negativt laddade elektroner färdas genom en extern krets vilket skapar elektrisk ström.

Vid katoden möter atmosfärisk luft syre vätets protoner - som tidigare har passerat genom separatorn - och elektronerna i den externa kretsen. Denna kombination skapar vatten som sedan drivs ut från avgasröret på bilen. Ett avgasrör du kan dricka ur!

Vätgasproduktion

Väte är det vanligaste grundämnet i universum men det finns inte tillgängligt i fri form på jorden. Det betyder att vi måste hitta ett sätt att skaffa det. För närvarande finns det 3+1 sätt att producera väte.

Grått väte som det kallas, produceras genom ångreformering av naturgas. Naturgas bombarderas med mycket het och högt trycksatt vattenånga. Denna reaktion skapar H2 och CO2. Detta sätt att producera väte är det minst miljövänliga.

Blått väte påminner mycket om grått väte, förutom att system för avskiljning och lagring av koldioxid (CCS) är integrerade i produktionsprocessen, vilket hindrar den frigjorda CO₂ från att nå atmosfären.

Den tredje produktionsvägen är elektrolys, som genererar grönt väte. Denna metod fungerar motsatsen till en bränslecell: en elektrisk ström delar upp vattenmolekyler i deras beståndsdelar - väte och syre.

"+1"-metoden är känd som turkos väte. I denna teknik leds naturgas genom ett bad av smält metall, vilket ger väte och fast kol. Även om konceptet är lovande, har det ännu inte nått kommersiell skala.

Av de befintliga alternativen har grönt väte det största löftet för hållbar produktion med låg effekt – förutsatt att elen som driver processen kommer från förnybara källor som vind- eller solenergi.

Vätetillstånd

Det finns två möjliga tillstånd av väte som kan användas. Gas och flytande form, som båda har sina fördelar och nackdelar.

Eftersom väte är det minst täta grundämnet i universum måste det komprimeras ordentligt för att kunna använda det i en bil. I nuvarande tillämpningar komprimeras väte till 700 bar. Det är mycket tryck och speciella och dyra tankar behövs för detta.

Det andra alternativet är flytande form. Men för att göra väte flytande måste det kylas till 20°C över den absoluta nollpunkten - det är minus 253°C. Det är uppenbart att för att uppnå båda formerna av väte behöver vi använda energi – antingen för superhög kompression eller för kylning.

Fördelen med att använda väte är dock enorm - 1 kg väte bär 33,3 kWh energi. Det betyder att den bär 167 gånger mer energi per kg än det mest avancerade nuvarande batteripaketet!

Batterier vs väte

Så, vilket är det mest föredragna sättet? Ta med din el eller producera den ombord på bilen? Bilindustrin verkar gynna batteripaketen för tillfället av några anledningar.

För det första är effektiviteten för PEMFC cirka 60 %. Ångreformering av naturgas är 70 % effektiv medan elektrolys är 75 % effektiv. Komprimering av väte är cirka 89 % effektivt medan flytande av det är cirka 66 % effektivt. I följande tabell är alla förluster sammanfattade och jämförda mellan batteripaketen och vätgas. För väte har de mest effektiva scenarierna använts.

Data härledda från föregående tabell indikerar att bränslecellsteknik ger en effektivitetsprofil som är nästan identisk med den för bensinfordon med förbränningsmotorer (ICE). Med tanke på det rådande läget ger utbyggnaden av bränsleceller i personbilar små praktiska fördelar. Följaktligen föredrar majoriteten av biltillverkare batteripaketet, trots dess inneboende begränsningar.

Det är också värt att framhålla att att köra en motsvarande sträcka medför kostnader för vätgastankning sju till åtta gånger högre än att ladda ett elfordon hemma. Även om väte kan hitta en nisch inom tunga lastbilstransporter på grund av dess exceptionella energitäthet, är denna potential beroende av att man utvecklar hållbara metoder för sin produktion.