Hver er framtíð vetnisknúinna bifreiða?Hver er framtíð vetnisknúinna bifreiða?

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 hins vegar góð orkunýtni eða 85-90% frá rafhlöðu miðað við 45-50% í vetnisbíl og ekki nema 25% í núverandi bensín- eða díselbílum. Þriðji kosturinn sem rafhlöðu- og vetnisbílar eiga sameiginlegt umfram hefðbundnu brennsluvélarbílana er lægri viðhaldskostnaður. Þar er t.d. hægt að nefna:

• Einfaldari mótor og drif
• Enginn kostnaður vegna smurningar á vél
• Mun minna viðhald á hemlum vegna hemlunareiginleika rafmótorsins.

• Í fyrsta lagi eru rafhlöður ennþá dýrar í framleiðslu, þrátt fyrir gríðarlegar verðlækkanir á undanförnum árum, sem gerir stofnverð rafbíla hærra en sambærilegra brennsluvélarbíla. Hins vegar hafa niðurfelling virðisaukaskatts og lægri opinber gjöld leiðrétt þá stöðu að einhverju leiti. Að auki er verðið háð stærð eða orkurýmd rafhlaðanna og hækkar því línulega með aukinni drægni og/eða afli.

• Í öðru lagi eru rafhlöður þungar miðað við orkurýmd og þungi þeirra eykst einnig línulega með stærð þeirra. Ef um mjög aflmikið farartæki er að ræða með mikla drægni verður rafhlaðan mjög þung. Þessi annmarki er því mjög takmarkandi til dæmis fyrir þungaflutninga þar sem þyngd rafhlaðna hefur áhrif á heildarþyngd farmsins. Það sama á einnig við um skip og flugvélar þar sem þyngd skiptir höfuðmáli.

• Í þriðja lagi er langur hleðslutími rafmagns hamlandi 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 vissa leigubíla, langferðabíla í fólksflutningum eða þungaflutninga á löngum leiðum. Hér þyrfti að koma til framkvæmda uppbygging kostnaðarsamra innviða til að leysa slíka annmarka.

Auk þessa eru margvísleg sjónarmið á lofti varðandi hversu umhverfisvæn framleiðslan á rafhlöðunum sjálfum sé, sérstaklega varðandi námuvinnslu litíum og kóbalts.

Þrátt fyrir að vera algengasta frumefnið í alheiminum, fyrirfinnst 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 eldneyti sem notað er í dag.

Í dag er vetni framleitt í miklu magni í heiminum og er 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 strendur Noregs. Vetni sem framleitt er úr jarðgasi með þessari aðferð til lágmörkunar útblásturs kallast blátt vetni.

Blátt vetni getur verið milliskref þangað til markaðsaðstæður verða tilbúnar fyrir grænt vetni framleitt á stórum skala og því ódýrara. Græna vetnið yrði nánast alltaf það vetni sem framleitt yrði áÍslandi með rafgreiningu vatns. Þá er rafmagn framleitt með endurnýjanlegum orkugjöfum notað til að kljúfa það í vetni og súrefni.

Efnarafall sem við getum kallað vetnisrafal virkar öfugt við rafgreini. Það er að segja, 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 rafall lítur út í fólksbíl.

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%. Ef horft er 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.

Vetnisbíll, FCEV, hefur vetnistanka þaðan sem vetnið fer í efnarafal til framleiðslu á rafmagni í rafmótor sem knýr bifreiðina og eina losun bílsins er vatn. 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.

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 hvorutveggja þar sem farartækið er alltaf knúið rafmótor.

Má því að sumu leiti líkja þessu við val á milli bensín og dísel fyrir brennsluvélarnar í hefðbundnum bíl nema munurinn er sá að lausnirnar fyrir rafbílana geta auðveldlega verið báðar í sama bílnum.

Þetta gerir það að verkum að faratæki 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 svo 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 díselbíla 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 keyrslu á löngum vegalengdum. Þetta á einnig við um lyftara í vöruhúsum sem eru í stöðugri notkun. 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 þá eykst afl og þar með kostnaður raforkutenginga eftir því sem farartækin stækka og krafa um öflugir hraðtengingar eykst. Kostnaður við vetnishleðslustöðvar eykst hins vegar ekki samsvarandi með kröfum um aukinn hraða hleðslunnar þar sem hleðsluafköst slíkra stöðva eru ekki takmarkandi.

Þegar þessir tveir kostir orkubera eru bornir saman fyrir einstök faratæki er samanburðurinn yfirleitt gerður á grundvelli kostnaðar á líftíma eða TCO ( Total cost of operation) miðað við aðstæður og kröfur sem farartækið þarf að uppfylla m.v. drægni burðargetu, togkraft o.fl. Þá er einnig oft tekið tillit til kostnaðar vegna hleðslutíma og uppbyggingar orkuinnviða þar sem það á við.

Einn kostur er enn ótalinn við bíla með mikla drægni eða orkurýmd í raforku miðað við stærð en það er sá kostur 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 auðvelt að tengja helstu rafmagnshandverkfæri við slíka bíla sem auðveldar 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 díselrafstöðvar. Rivian og Cybertruck frá TESLA sem eru enn sem komið eru hreinir rafhlöðubílar á teikniborðinu hvað svo sem síðar verður. Fleiri framleiðendur eru að vinna að slíkum bílum sem eru bæði búnir vetnisrafal og rafhlöðum.

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 sem mun bæta samkeppnisstöðu rafhlöðubílanna enn frekar. Við það aukast vinsældir rafmagnsbíla almennt sem 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. Erlendis 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 díselolíu. Á meginlandi Evrópu er talið að verð á vetni þurfi að vera 5-6 EUR á kg við dælu til að verða samkeppnisfært við díselolíu 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 sem 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 það út að bílar með efnarafal verði orðnir ódýrari en bæði rafhlöðu- og brennsluvélarbílar árið 2025 þrátt fyrir framfarir í þróun rafhlaða.

Það er því líklegt að kostnaðarlækkanir í tækni tengdum vetnisbílum verði hraðari á næstu árum heldur en í rafhlöðubílunum.

Þess vegna 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. En að lokum er það síðan spurningin um hvernig bílinn er notaður sem ræður vali á eldsneytinu eða hvort bíllin hefur bæði þokkalega stóra rafhlöðu og efnarafal með vetnistanki. Þetta myndi einkum eiga við um stærri einkabíla og jeppa í framtíðinni.

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.