Hydrogendrevne Toyota Mirai klarer 500 km på en fylling av 4,5 kg hydrogen komprimert til 700 bar. Foto: Toyota

HYDROGEN ELBIL

Trosser virkningsgraden: Derfor produserer japanerne hydrogenbiler

Et flytende alternativ

  • Biodrivstoff kan være et gunstig alternativ til drift av tungtransport og skip. Større forbrenningsmotorer kan komme opp i over 40 prosent virkningsgrad.
  • Dessverre er produksjonsprosessene for biodiesel beheftet med mye tap og utslipp. Håpet ligger på 2.- generasjons biodiesel, som kan utnytte cellulose.
  • Men biodrivstoff er en begrenset ressurs, og vil bare kunne dekke inntil 1/3 av vårt drivstoffbehov.
  • Biomassen har i tillegg et stort overskudd av karbon.
  • Når for eksempel biomasse eller avfall omdannes til biogass, produseres om lag like mengder CO2 og CH4. Metankomponenten er den gassen vi ønsker, men ikke CO2.
  • Ved å tilsette H2 har det tyske selskapet Viessmann vist at det er mulig å konvertere CO2-komponenten til metan (og vann) slik at metanutbyttet økes med 70–100 prosent.

På 1990- og deler av 2000-tallet var hydrogen ansett som løsningen for fremtidens energilagring. Hydrogen skulle også drive personbiler og tyngre kjøretøy og fri oss fra fossile drivstoff. Samtidig utviklet litiumionebatteriet seg raskt. Prisene falt og batteriteknologien fant et nytt marked.

Det kunne se ut som om veien fra selve energikilden, enten den var fossil eller fornybar, hadde færre og mindre tapsledd frem til drivkraft via batterier enn med hydrogen.

Men er det så enkelt? Hvorfor utvikler japanerne da hydrogenbilen for fullt? Har de ikke skjønt det de fleste andre nærmest har vedtatt som en udiskutabel sannhet?

Stor oversikt: Stor oversikt: Her er rekkevidden til alle elbilene du kan kjøpe i Norge

Ikke bare virkningsgrad

På veien mot et samfunn drevet av fornybar energi er virkningsgrad bare en av mange faktorer man må ta hensyn til. Ideelt sett bør virkningsgraden være så høy som mulig, men i en fornybar verden vil ikke virkningsgrad påvirke utslippene slik vi er vant til når kildene er fossile.

Lavere virkningsgrad gir høyere kostnader, og reduserer hvor mye arbeid man får utført med en viss mengde primærenergi for eksempel fra et solenergianlegg.

Flere andre faktorer virker inn når man skal velge fremdriftsteknologi og drivstoff, slik som kjøretøyets kostnad, hvor mye det veier, rekkevidde og ladehastighet.

Les også: Toyotas nye hydrogenbil koster over 700.000 kroner

Annerledeslandet

I Norge er situasjonen forskjellig fra de fleste andre land. Nesten all strøm kommer fra fornybar vannkraft. Da er batteriet, i det minste ved første øyekast, den ideelle måten å lagre strømmen på.

Men selv her til lands kan det tenkes at hydrogen blir en viktig energibærer når all veitrafikk skal elektrifiseres.

Hydrogen kan produseres ved bruk av vindkraft og vann-elektrolyse. Noen av de beste vindressursene i verden finner vi langt nord i landet på steder som har et svakt strømnett, som ikke er dimensjonert til å overføre den nye vindkraften.

Hydrogenproduksjon fra vind kan dermed bidra til at vindressurser i avsidesliggende strøk i langt større grad kan utnyttes.

Hydrogenproduksjon fra vind kan dermed bidra til at vindressurser i avsidesliggende strøk i langt større grad kan utnyttes.El og hydrogen: En Tesla modell S klarer opptil 40 mil på en full lading av batteriet på 85 kWh. Foto: Per-Ivar Nikolaisen

100 liter hydrogen: 100 liter hydrogen gir elsykkelen 125 km rekkevidde

Hydrogen som drivstoff

Når hydrogen er fremstilt, kjemisk eller ved elektrolyse, må gassen komprimeres og distribueres. I personbiler er 700 bar etablert som standard, og det gir en rekkevidde på 50–70 mil. I busser, der det er bedre plass til drivstoffet, er 350 bars trykk tilstrekkelig.

Under OL i Canada i 2010 kjørte brenselcellebusser 50 mil på en hydrogenfylling. De fleste hydrogenbiler er hybrider med et batteri for å kunne ivareta bremseenergi.

Toyotas hydrogendrevne personbil Mirai vil ha en rekkevidde på mellom 50 og 60 mil og et forbruk på rundt 0,8 kilo H2 per 10 mil.

Bergen: Toleddet bussmonster kommer til Norge  

Firedobler produksjonen

Toyotas plan var å produsere 700 Mirai i år. Den første måneden fikk de ordre på 1500 biler, og de har derfor besluttet å firedoble produksjonen. Ennå er dette pilotserier.

En av årsakene til at bilfabrikker i Japan og Korea satser på slike biler er at prisen på brenselceller har falt med over 95 prosent fra 2004 til 2014. Men selv om prisen har falt voldsomt, koster brenselcellesystemet for en personbil fremdeles rundt 8000 dollar.

Med et produksjonsvolum på ½ million biler årlig har US Department of Energy beregnet at den vil falle til rundt 3500 dollar.

Nye fremdriftsteknologier krever også ny infrastruktur for å fylle eller lade. Ifølge en europeisk studie som de store bilprodusentene står bak, er kostnaden per bil lavere for å bygge hydrogenstasjoner enn kostnaden for ladeinfrastruktur for elbiler og ladbare hybrider.

Les også: Denne bilen skal kunne kjøre Oslo - Trondheim på 0,1 liter bensin

Hybrid

Hybridisering er like viktig i et kjøretøy med brenselcelle som i en bil med forbrenningsmotor. Samtidig er hybridiseringen mye enklere fordi drivsystemet allerede er elektrisk. Et typisk hybridbatteri vil være på rundt 1 kilowattime og på størrelse med en stresskoffert.

En brenselcelles virkningsgrad faller jo høyere belastningen er. Ved full belastning er den 50 prosent, eller mindre. Med et batteri kan man jevne ut effekttoppene og øke virkningsgraden til over 60 prosent. Toyota viste allerede i forrige generasjon (2008) en maksimal virkningsgrad på 64 prosent.

Batteriet er også viktig fordi det kan regenerere bremseenergien som ellers ville gått tapt. Kontrollsystemet regulerer forbruk og opplading av batteriet, slik at det alltid har kapasitet til å yte ekstra effekt under akselerasjon, eller ta imot lading under oppbremsing.

Les også: Slik får du batteriet i elbilen til å vare

Avhengig av utgangspunktet

Selv om virkningsgraden fra «tank» til elmotor er vesentlig høyere i en elbil med batterier enn for hydrogen, er virkningsgraden fram til man har «energi på tanken» svært avhengig av hvilken energikilde som benyttes. Hvis hydrogenet kommer fra reformert naturgass, som er den vanligste kilden i dag, er virkningsgraden rundt 75 prosent i overgangen fra CH4 til H2.

Alternativt kunne naturgassen vært brukt til strømproduksjon. Her er virkningsgraden i beste fall 60 prosent i gasskraftverket. Hvis utgangspunktet er kull, er virkningsgraden for strømproduksjon et sted mellom 35 og 49 prosent.

I begge tilfeller kommer et overføringstap på rundt syv prosent i strømnettet.

Er råvaren naturgass, er batteri og hydrogenbiler omtrent like effektive. Er utgangspunktet fornybar kraft, er batteribilen dobbelt så effektiv. I en bil som går på diesel er tapene frem til tanken bare 10 prosent, mens tapet i selve forbrenningsmotoren er på 70–80 prosent for en standard kjøresyklus.

Kilde: Forskningsdirektør i Sintef, Steffen Møller-Holst

Les også: Elbilen er langt mindre effektiv enn mange tror