Vetni

Vetnisknúnar bifreiðar – hver er framtíð þeirra?

Jón Heiðar Ríkharðsson Vélaverkfræðingur EFLA C.Sc. / MBA Stefán Þór Kristinsson Efnaverkfræðingur EFLA M.Sc.

Rafmögnuð framtíð

Í umræðu um framtíðareldsneyti er oft talað um annað hvort rafmagn eða vetni sem valkosti eða jafnvel sem andstæða póla sem lausnir í orkuskiptum fyrir bíla og önnur farartæki. Í raun eru þetta samverkandi þættir að hröðum orkuskiptum þar sem sameiginlegur lykill er rafmagnsmótorinn með mikilli orkunýtni og lítilli viðhaldsþörf. Auk þess eru bílar knúnir rafmagnsmótor skemmtilegir í akstri, hafa gott viðbragð og eru liprir. Vetni og rafhlöður eru mismunandi geymsluaðferðir rafmagns sem hvert um sig hefur sína kosti sem geta vegið takmarkanir hinnar upp. Sú orkulausn sem valin er snýst um hagstæðustu aðferð og tækni til að knýja rafmótora farartækja miðað við aðstæður.

Rafhlöðubíllinn – kostir og takmarkanir

Rafhlöðubíllinn, eða BEV eins og slíkir bílar eru oft skammstafaðir á ensku, hafa marga kosti sem farartæki bæði umfram venjulega brennsluvélarbíla CEV eða vetnisrafalsbíla FCEV. Fyrsti kosturinn er að sjálfsögðu hve umhverfisvænir bílarnir eru í rekstri. Annar meginkostur er góð orkunýtni eða 85–90% frá rafhlöðu miðað við 45–50% í vetnisbíl og ekki nema 25% í núverandi bensín- eða dísilbílum. Lægri viðhaldskostnaður er þriðji kosturinn sem rafhlöðu- og vetnisbílar eiga sameiginlegt umfram hefðbundnu brennsluvélarbílana. Þar er t.d. hægt að nefna: • Einfaldari mótor og drif. • Enginn kostnaður vegna smurningar á vél. • Mun minna viðhald á hemlum vegna hemlunareigin leika rafmótorsins. Rafhlöðubíllin hefur hins vegar ákveðnar takmarkanir sem tengjast fyrst og fremst rafhlöðunni.

Í fyrsta lagi eru rafhlöður enn dýrar í framleiðslu, þrátt fyrir gríðarlegar verðlækkanir á undanförnum árum. Það gerir stofnverð rafbíla hærra en sambærilegra brennsluvélarbíla. Hins vegar hefur niðurfelling virðisaukaskatts og lægri opinber gjöld leiðrétt þá stöðu að einhverju leyti. Að auki er verð háð stærð eða orkurýmd rafhlaða og hækkar því línulega með aukinni drægni og/eða afli. Í öðru lagi eru rafhlöður þungar miðað við orkurýmd og þyngd þeirra eykst einnig línulega með stærð þeirra. Rafhlaðan verður mjög þung sé um að ræða mjög aflmikið farartæki með mikla drægni. Þessi kostur er því mjög takmarkandi til dæmis fyrir þungaflutninga þar sem þyngd rafhlaðna hefur áhrif á heildarþyngd farms. Það sama á einnig við um skip og flugvélar þar sem þyngd skiptir höfuðmáli. Í þriðja lagi hamlar langur hleðslutími rafmagns þegar um farartæki er að ræða sem eru stöðugt í notkun eða á langferðum og tímaramminn leyfir ekki mikið stopp til að hlaða. Þetta á t.d. við um fyrir vissa leigubíla, langferðabíla í fólksflutningum eða þungaflutninga á löngum leiðum. Hér þyrfti að koma til framkvæmda uppbygging kostnaðarsama innviða til að leysa slíka annmarka. Auk þessa eru margvísleg sjónarmið á lofti varðandi hversu umhverfisvæn framleiðsla á rafhlöðunum sjálfum sé, sérstaklega varðandi námuvinnslu litíum og kóbalts.

Vetnisbíllinn (FCEV) - tæknileg lýsing Þrátt fyrir að vera algengasta frumefnið í alheiminum finnst vetnisgas í afar litlu magni innan andrúmslofts jarðar. Þar eru nokkrar af helstu birtingarmyndum þess í vatni, H2O, og einnig í jarðgasi á formi metans, CH4. Vetni hefur einnig stórt hlutverk í efnasamböndum með kolefni sem eru uppistaðan í því eldsneyti sem notað er í dag.

Regnbogi vetnisframleiðslu Í dag er vetni framleitt í miklu magni í heiminum og er það aðallega notað við iðnaðarframleiðslu svo sem áburðarframleiðslu, olíuhreinsun og í stáliðnaði. Enn er um 95% af því framleitt úr jarðefnaeldsneyti, þar af um 70% með jarðgasi og 30% með kolum. Við þessa framleiðslu myndast mikið af koltvísýringi og er slíkt vetni því kallað annars vegar grátt vetni og hins vegar brúnt vetni. Aukin tækni í kolefnisföngun og geymslu (CCS) hefur einnig aukið hlutverk við framleiðslu vetnis, sérstaklega við

Mynd 1. Efnaskiptaferli vetnisrafals

Tæknileg útfærsla vetnisbíls Vetnisbíll, FCEV, hefur vetnistanka þaðan sem vetnið fer í efnarafal til framleiðslu á rafmagni í rafmótor sem knýr bifreiðina og er vatn eina losun bílsins. Kerfið samanstendur af vetnistönkum, rafhlöðu, efnarafal og rafmótor, en hægt er að breyta stærðum innan kerfisins eftir því fyrir hvaða notagildi það hentar best. Til dæmis er hægt að auka rúmmál vetnistanka ef áhersla fer frá kröfum um pláss í það að sækjast eftir meiri drægni. strendur Noregs. Blátt vetni nefnist það sem framleitt er úr jarðgasi með þessari aðferð til lágmörkunar útblásturs. Blátt vetni getur verið milliskref þar til markaðsaðstæður verða tilbúnar fyrir að grænt vetni verði framleitt á stórum skala og því ódýrara. Græna vetnið yrði nánast alltaf það vetni sem framleitt yrði á Íslandi með rafgreiningu vatns, þar sem rafmagn, framleitt með endurnýjanlegum orkugjöfum, er notað til að kljúfa það í vetni og súrefni.

Efnarafall Efnarafall, sem við getum kallað vetnisrafal, virkar öfugt við rafgreini, það er að segja, hann tekur inn vetni ásamt súrefni úr andrúmsloftinu til að framleiða vatn. Við þennan samruna losnar orka, aðallega í formi rafmagns, en hluti tapast sem hiti. Efnarafalar voru upphaflega þróaðir til að knýja geimför en hafa fjölbreytta notkunarmöguleika í dag þar sem efnaorku er umbreytt í rafmagn. Á mynd 1 er efnaskiptaferlinu lýst auk myndar af því hvernig slíkur

Mynd 2. Vetnishringrás Mynd 3. Efnarafall

Orkunýtingin í vetnisrafalanum er 55–60% sem gerir heildarnýtingu vetnisbílsins 45–50% þar sem töpin í rafmótornum bætast við, en þar er nýtingin 85–90%. Sé horft á orkunýtinguna eina og sér myndi vetnisbíllinn aldrei koma til greina í samanburði við rafhlöðubílinn en þar kemur fleira til sem fjallað er um nánar hér á eftir.

rafall lítur út í fólksbíl.

Mynd 4. Mirai vetnisbíll frá Toyota

Hvenær er vetnisbíllinn hagkvæmari en rafhlöðubíll? Hér er vert að hafa í huga að valið milli rafhlöðu eða vetnisrafals farartækja snýst ekki um það hvor útfærsla á orkubera muni verða ráðandi þegar fram líða stundir eins og rökstutt var hér að framan. Valið verður fyrst og fremst aðstæðubundið þar sem kostir annars vega ókosti hins upp og er því ætíð uppi bestunarferli miðað við aðstæður og forsendur sem ræður því hvor lausnin er hagstæðari eða sambland af hvoru tveggja þar sem farartækið er alltaf knúið rafmótor. Má því að sumu leyti líkja þessu við val á milli bensíns og dísils fyrir brennsluvélarnar í hefðbundnum bíl nema að munurinn er sá að lausnir fyrir rafbíla geta auðveldlega verið báðar í sama bílnum. Helsti kostur vetnisbíla með efnarafal er að farartækið þyngist ekki sjálft með aukinni drægni. Þetta gerir það að verkum að farartæki sem aka miklar vegalengdir með miklum þunga verða léttari og ódýrari í innkaupum ef þau eru búin efnarafal í stað stærri rafhlöðu. Þyngdin í rafhlöðunni í bílum fyrir þungaflutninga myndi þá auk þess koma niður á heildarorkunýtingu frá rafhlöðunni þar sem hluti orkunnar fer þá í að flytja rafhlöðuna sjálfa. Þetta á sérstaklega við um flugvélar á lengri flugleiðum þó að rafhlöður gætu vel nýst flugvélum á styttri flugleiðum eins og í innanlandsflugi hérlendis. Stuttur áfyllingartími vetnisfarartækja, sem er sambærilegur og jafnvel styttri en fyrir dísilbíla, er líka kostur. Það getur skipt verulegu máli fyrir viss notagildi, sérstaklega þegar um stöðuga notkun er að ræða svo sem í vöruflutningum, almenningsamgöngum, leigubifreiðum og akstri á löngum vegalengdum. Þetta á einnig við um lyftara í vöruhúsum sem eru í stöðugri notkun og skiptir einnig máli þegar um stóra bílaflota er að ræða þar sem hleðslutíminn kallar þá á stærri flota og/eða aukinn vinnutíma bílstjóra. Varðandi orkuinnviði eykst afl og þar með kostnaður raforkutenginga eftir því sem farartækin stækka og krafa um öflugar hraðtengingar eykst. Kostnaður við vetnishleðslustöðvar eykst hins vegar ekki samsvarandi með kröfum um aukinn hraða hleðslunnar þar sem hleðsluafköst slíkra stöðva eru ekki takmörkuð. Þegar þessir tveir kostir orkubera eru bornir saman fyrir einstök faratæki er samanburðurinn yfirleitt gerður á grundvelli kostnaðar á líftíma eða TCO (e. Total cost of operation) miðað við aðstæður og kröfur sem farartækið þarf að uppfylla miðað við drægni, burðargetu, togkraft o.fl. Þá er einnig oft tekið tillit til kostnaðar vegna hleðslutíma og uppbyggingar orkuinnviða þar sem það á við.

Færanleg rafstöð Einn kostur er enn ótalinn við bíla með mikla drægni eða orkurýmd í raforku miðað við stærð en hann er að geta notað bílinn sem færanlega rafstöð. Þetta á sérstaklega við um vetnisknúna jeppa og stærri fólksbíla sem eru ætlaðir til langferða, fjallaferða og í útilegur þar sem hægt er að tengja helstu tæki sem tilheyra viðlegubúnaði í samband við bílinn. Einnig er auðvelt að tengja helstu rafmagnshandverkfæri við slíka bíla og auðveldar það ýmiss konar vinnu þar sem rafmagn er ekki til staðar. Þetta á einnig við um stærri rafhlöðubíla með mikla drægni. Einnig má gera ráð fyrir að vetnisknúnir sendibílar, stærri jeppar og pallbílar verði sérhannaðir sem færanlegar rafstöðvar til að þjóna iðnaðarmönnum og verktökum á verkstað. Þá er auðvelt að vinna án tengingar við dreifikerfi raforku á staðnum eða án færanlegrar dísilrafstöðvar. Badger pallbíllinn frá Nikola er dæmi um þróun á slíkum bíl svo að ekki sé minnst á Rivian R1T frá Rivian og Cybertruck frá TESLA sem eru enn aðeins hreinir rafhlöðubílar á teikniborðinu, hvað svo sem síðar verður.

Þróun framleiðslukostnaðar – bílar og eldsneyti Nú beinast allra augu að þróun í rafhlöðubílum, bæði hvað varðar lækkun kostnaðar við framleiðslu miðað við orkurýmd og meiri drægni. Tesla leiðir þessa þróun og hefur gefið út að fyrir 2030 verði verð á rafhlöðum 50% lægra en í dag með a.m.k 50% meiri drægni og mun það bæta samkeppnisstöðu rafhlöðubílanna enn frekar. Við það aukast vinsældir rafmagnsbíla almennt og mun þrýsta enn frekar á vetnislausnir fyrir þá bíla sem eiga erfitt með að vera eingöngu á rafhlöðum Rafgreinar eru einnig í örri þróun bæði hvað varðar lægri framleiðslukostnað, sérstaklega með aukinni stærðarhagkvæmni og meiri fjöldaframleiðslu, auk bættrar orkunýtni. Í útlöndums eru áform uppi um að gangsetja rafgreina sem eru nokkur hundruð MW að stærð. Talið er að stofnkostnaður rafgreina muni lækka um 30–50% fyrir 2030. Mun það leiða til verðlækkunar á rafgreindu vetni sem verður þá samkeppnisfært við gráa vetnið og dísilolíu. Á meginlandi Evrópu er talið að verð á vetni þurfi að vera 5–6 evrur á kg við dælu til að verða samkeppnisfært við dísilolíu á stærri bíla. Þessi þróun í efnarafölum, ásamt auknu mikilvægi endurnýjanlegra en sveiflukenndra orkugjafa um allan heim, svo sem vind- og sólarorku, fjölgar þeim toppum í framleiðslu þar sem framleiðsla er umfram notkun. Þá skapast m.a. tækifæri til að nýta það í framleiðslu vetnis til geymslu á því rafmagni. Vetni fengi þá nýtt lykilhlutverk á orkumörkuðum sem mun einnig stuðla að verðlækkun á því. Þegar eftirspurn eftir vetni eykst og smásölumarkaðir þróast kemur líka til fjöldaframleiðsla á hleðslustöðvum fyrir vetni sem mun einnig lækka dreifingarkostnað og verð. Hraðasta þróunin er hins vegar í þróun efnarafala og hefur Toyota m.a. gefið út að bílar með efnarafal verði orðnir ódýrari en bæði rafhlöðu- og brennsluvélarbílar árið 2025, þrátt fyrir framfarir í þróun rafhlaðna. Þar sem tæknin er nú þegar orðin þróaðri hvað rafhlöðubílana varðar eru kostnaðarlækkanir í meira mæli komnar fram nú þegar en í vetnisbílunum. Því er líklegt að kostnaðarlækkanir í tækni tengdum vetnisbílum verði hraðari á næstu árum en í rafhlöðubílum. Því er mögulegt að vetnisbílar fari talsvert undir rafhlöðubíla í innkaupsverði og jafnvægispunktur í rekstri miðað við drægni og stærð (burðargetu) færist neðar og samkeppnishæfni þeirra batni gagnvart rafhlöðubílunum. Að lokum er spurningin um hvernig bílinn er notaður sem ræður vali á eldsneytinu eða hvort bíllinn hefur bæði þokkalega stóra rafhlöðu og efnarafal með vetnistanki. Þetta myndi einkum eiga við um stærri einkabíla og jeppa í framtíðinni.

Brennsluvélin lætur undan síga Miðað við það sem komið hefur fram hér að framan má færa rök fyrir því að rafmótorinn verði ríkjandi aflvél í farartækjum framtíðarinnar og brennsluvélin láti undan síga. Þessi þróun er þegar hafin af fullu afli fyrir minni einkabíla sem eru aðallega í borgarakstri og í styttri vegalengdum. Með aukinni framþróun í efnarafölum og vetnisinnviðum mun þessi þróun einnig eiga sér stað í stærri farartækjum á landi og í minni skipum. Stærri skip munu einnig byggja á eldsneyti framleiddu úr vetni, hvort sem það verður metan, alkóhól eða ammóníak, en þróun brennsluvéla sem nýta sér þessa kosti er nú þegar langt á veg komin og þróun efnarafala sem nýta þessa eldsneytisgjafa beint er einnig hafin.

Startaðu betur í vetur Ekki láta kaldar frostnætur koma þér á óvart Treystu á rafgeyma í vetur

Félagar FÍB fá 12% afslátt af öllum rafgeymum hjá Skorra ehf.