Nyhetsbrev med senaste nytt. Problem att visa det? Se det i webbläsaren.

Omvärldsanalys av energieffektiva vägfordon


Fuel Cell 2016 - Årets ​bränslecellskonferens

Skrivet av Johan Wedlin, Viktoria Swedish ICT

29 november hölls SHCs årliga bränslecellskonferens i Stockholm, med ett 60-tal deltagare och föredrag från såväl myndighet, industri, akademi som institut och organisationen Vätgas Sverige.

Jag som huvudsakligen arbetat med laddelfordon känner ju till utmaningarna inom batteriområdet. Men som novis inom bränsleceller och efter att ha deltagit på Elbil2020s studieresa till Japan (länk) så ville jag förstå vilka utmaningarna är inom detta område – är de större eller mindre än inom batteriområdet? Så denna artikel är ”novisens syn” på bränslecellskonferensen – vill ni ha experternas så hänvisar jag direkt till dessa.

Inledningsanförandet hölls av Kristina Difs från Energimyndigheten och SHC, som bland annat berättade om Energimyndighetens kommande utlysning inom programmet FFI i vår, riktad just mot bränslecellsforskning.

De båda huvudtyperna av bränsleceller är PEM (Proton Exchange Membrane, som arbetar vid lägre temperaturer men kräver ren vätgas) och SOFC (Solid Oxid Fuel Cell, som arbetar vid högre temperaturer men kan ha andra bränslen). SOFC-celler har hög verkningsgrad men problem med avsvalning. PEM-utvecklingen ligger generellt ca 5-10 år före SOFC.

Det finns flera tillverkare av SOFC-bränsleceller idag, t.ex. Delphi, Elcogen, Protovex m.fl. Ett stort användningsområde är som kraftkälla till hjälpapparater (Auxiliary Power Unit, APU) i t.ex. flygplan.

En kostnadsdrivare i bränsleceller är användningen av platina i katalysator för t ex reduktion av syrgas. Man tittar därför inom forskningen hos bl.a. Chalmers på att minska mängden platina genom att istället använda en legering, t.ex. Pt3Y, där Y är Yttrium. (Yttrium har fått namnet från upptäcktsplatsen Ytterby gruva på Resarö norr om Vaxholm; det är f.ö. den plats i världen som fått flest grundämnen uppkallat efter sig, hela 9 st.: förutom Yttrium även Ytterbium, Terbium, Erbium, Holmium, Skandium, Tulium, Gadolinium och Tantal. Kemister från hela världen söker sig till Ytterby.)

Ett annat sätt är att ändra strukturen i katoder och få ökad porositet. Det ger bättre prestanda men dålig livslängd.

Ytterligare ett sätt är att använda alkaliska bränsleceller, AEM (Anion Exchange Membrane) där man kan använda enklare material. Då blir istället utmaningen att hitta bra polymer, som har lång livslängd.

Vätgas till bränslecellerna kan genereras från många källor, bl.a. från naturgas, förgasning av kol och genom elektrolys av vatten. Om energin till elektrolysen kommer från solen så blir det ingen direkt konkurrens med landanvändning för t.ex. jordbruk. Man kan också använda vätgas från överskott, men den vätgasen skulle också kunna användas för att göra syntetiska bränslen.

Utmaningarna ligger i att få till en storskalig produktion och att distribution och lagring av vätgas i dag är dyrt. Vätgasen kan antingen produceras centralt eller lokalt på tankstationer. Om den produceras centralt så ska den transporteras t.ex. via pipeline, tankbil eller fartyg. Den kan då vara antingen trycksatt eller nedkyld till flytande form. 

Både Sydkorea och Japan satsar på vätgas och bränsleceller med bland andra Hyundai, Honda, Nissan och Toyota, medan Kina är mer skeptiska och fokuserar ladd-elfordon, främst BEV. I USA används bränsleceller t.ex. i Googles och andras datacentraler. I Europa har Tyskland tagit fram en plan för vätgasinfrastruktur och man tittar också på att ta fram ett vätgasdrivet flygplan för ca 50 passagerare.

När är det lämpligt att använda bränsleceller?

Anders Grauers från Chalmers visade resultat från en studie av olika drivlinekonfigurationer för personbilar. Bränslecells- och batterielbilar har olika kostnadsstrukturer vilket gör att de passar för olika tillämpningar.

För batterielbilar ökar inköpskostnaden med ökande batterikapacitet med/lång räckvidd medan driftskostnaderna är låga. Detta innebär att det krävs hög utnyttjandegrad för att betala för elbilar med stor batterikapacitet, vilket gör det svårare för privatanvändare.

Inköpskostnaden för bränslecellsbilar är ganska konstant oberoende av kapacitet medan driftskostnaderna är högre. Därmed verkar det vara intressantare att använda bränsleceller som Range Extender till batterielbilar än att ha dem som enda drivkälla.

Man kommer nu att gå vidare och titta även på tunga fordon. Rent batteridrivna tunga lastbilar är inte realistiskt på grund av den höga vikten. På kort sikt är biobränslen lämpliga men då det är en begränsad resurs så kan bränsleceller eller elvägar vara möjliga långsiktiga lösningar.

Toyota har ju producerat sin bränslecellsbil Mirai i ca ett år och har berättat om sina erfarenheter: komplexiteten har varit större än väntat men bränslecellsbilarna är ändå betydligt bättre än batterielbilar. 2020 är målet att kostnaden ska vara densamma som för en Prius. (Toyota har ju nu också sagt sig börja ta fram rena batterielbilar, sannolikt för att kunna få rätt produktmix i Kalifornien. Men resurserna man avsätter för batterielbilarna är små – den nya avdelningen har bara 4 personer.)

Nissan har visat en bil som reformerar bio-etanol till bränsle för en SOFC-cell, men det sägs vara ett sidospår och huvudspåret är att använda vätgas. Nissan säger också att det är svårt att nå lönsamhet för batterielbilar pga. den höga batterikostnaden.

Ett par andra exempel på tillämpningar av bränsleceller för fordon visades.

TransportForsk, TFK, visade en förstudie av bränsleceller för tunga industritruckar. I många industrier har man överskotts-vätgas som kan användas som egentillverkat bränsle, och bränsleceller och batterier kan användas som motvikt vilket gör att vikten inte är ett problem. Detta gör att driftskostnaderna kan hållas nere, men fortfarande är investeringskostnaden hög, mycket på grund av att det inte finns en uppbyggd industriell tillverkning. Studien går nu vidare med ett demoprojekt.

Mälardalens Högskola visade en studie av bränsleceller i last-elcyklar. Till exempel cykelkaféer har behov av energiförsörjning för att koka kaffe eller hålla kylda drycker vilket skulle kunna genereras av bränsleceller. Lasten kan också vara upp mot 500 kg så det kan behövas stödenergi till framdrivningen. Men tyvärr är kostnadsbilden ännu alltför hög för att passa sådana här småföretag.

Industriperspektiven presenterades av Sandvik, Powercell och österrikiska Plansee. Sandvik och Plansee är konkurrenter som tillverkar olika komponenter, främst plattor med beläggningar till bränslecells-stackarna där Sandvik utgår från plåtband och Plansee från pulvermaterial.

Sandvik tillverkar komponenter till både PEM-och SOFC-bränsleceller för såväl bärbara enheter, fordon som stationära tillämpningar; 99 % går på export.

Plansee fokuserar SOFC och samarbetar med Fraunhofer-institutet. Man har en pilotanläggning i österikiska Reutte och en fabrik i amerikanska Towanda.

Powercell, med ursprung i AB Volvo, har utvecklat kompletta bränslecells-stackar i 3 storlekar där den senaste och största, kallad S3, är en PEM-stack för fordon som ska kunna ge upp mot 100 kW. Även om det ännu så länge bara är prototyptillverkning så har man designat komponenterna för industriell tillverkning och med fokus på såväl låg kostnad och hög energitäthet – över 4 kW/l. Man har demonstrerat en 25kW bränslecell i en Volvo personbil som Range Extender och planerar också att testa en ren bränslecellsbil. Dessutom har man byggt in S3-stacken i en Schweizisk lastbil på 34 ton, där man kunnat minska batterivikten med 1 ton. Det finns också ett flertal marina tillämpningar, från fritidsbåtar till stora fartyg. Där är den salthaltiga miljön en utmaning,

Powercell ingår också i det europeiska konsortiet Autostack som siktar på att starta produktion i Europa 2018/19.

Vi fick också besöka företaget myFC som tillverkar bränsleceller för laddning av mobiler och andra mindre enheter via USB, till exempel när man är på resa.

Sammanfattningsvis så ligger utmaningarna att få ner kostnaderna och förbättra livslängden.

Ofta pratas det om fordonsbranschens omvandling till mjukvaruföretag och alla möjligheter som mjukvaruutvecklare får där. Men både utvecklingen av batterier och bränsleceller visar att det finns behov av kemister också. Även de som tidigare sysslat med reglering av förbränningsmotorer kan få nya uppdrag i reglering av de nya energikällorna för att optimera energiuttaget utan att påverka livslängden.

För er som vill ta del av detaljerna så finns presentationerna från konferensen här (länk).