Tema

Vätgas i tanken kan rädda miljön

Som en elbil, men utan räckviddsångest och med vatten som enda avgas. Bränslecellsbilen kan bli en vinnare när fossilbränslebilarna måste fasas ut. Japan har kommit längst, men även i Sverige rullar bränslecellsbilar på vägarna.

En bil som tankas full på några minuter, går att köra minst 50 mil på en tank och bara ger vattenånga som avgas. Det låter kanske för bra för att vara sant, men bränslecellsbilar finns redan och fler är väg. Exempelvis lanserar Toyota i år en ny generation av sin bränslecellsbil Mirai, som tankas med vätgas.

Bränslecellsbilen är en sorts elbil med elmotor, men i stället för att ha batterier producerar bilen sin egen el i en så kallad bränslecell med hjälp av vätgas. I bränslecellen möter vätgasen syre från luften. Under den kemiska processen frigörs elektroner som börjar röra sig och ger upphov till en ström – alltså el. Samtidigt bildas värme och vattenånga som blir enda avgasen.

Inga tunga batterier

Förespråkarna av bränslecellsbilar anser att de har många fördelar gentemot vanliga elbilar. Bränslecellsbilarna kör inte runt med tunga batterier och behöver ingen laddning som belastar elnätet vid fel tillfällen. De tankas ungefär som vanliga bensin- och dieselbilar, fast på vätgasmackar i stället.

– Men det är inte meningsfullt att ställa teknikerna mot varandra. Vi behöver båda. Elbilar för kortare sträckor och bränslecellsbilar när vi måste köra längre, säger fysikern Björn Wickman som forskar på nya material för bränsleceller vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg.

Olika drivmedel för bilar

Bilmotorer kan drivas av olika typer av bränslen beroende på motorns konstruktion. Förbränningsmotorer använder bensin, diesel, fordonsgas eller etanol. Elmotorer använder el.
I hybridbilar används två eller flera kraftkällor för att driva bilen framåt.

Bensin: Det vanligaste drivmedlet för bilar idag. Bensin är ett fossilt bränsle som bidrar till ökade koldioxidutsläpp. En full tankning räcker för 50-80 mil.

Diesel: Dieselmotorn drar mindre bränsle än bensinmotorn och förväntas klara fler mil. Det är ett fossilt bränsle som släpper ut fler skadliga partiklar än bensin, men mindre koldioxid. Det finns även biodiesel, till exempel rapsolja.

Fordonsgas: Ett samlingsbegrepp för biogas och naturgas och ett av de renaste drivmedlen som finns i dagsläget. Båda består huvudsakligen av metan, men biogas är förnybar medan naturgas har fossilt ursprung. Kostnaden per mil är ungefär 20 procent lägre än bensin och diesel.

Etanol (E85): Ett biobränsle, producerat av biomassa som spannmål, potatis, majs, sockerbetor eller skogsavfall, och bidrar alltså inte till koldioxidutsläppen. E85 innehåller 85 procent etanol och 15 procent bensin. Etanolbilar är de mest populära bilarna drivna med förnyelsebara drivmedel i Sverige.

El: Elbilen drivs av vanlig hushållsel (främst från kärnkraft och vattenkraft, men elnätet fyllts på alltmer med el från sol- och vindenergi). Att ladda en elbil är betydligt billigare än att tanka fossila bränslen, men tar flera timmar. En fulladdning räcker för 30-40 mil.

Vätgas: Bränslecellsbilen har en elmotor som drivs av el, som produceras i en bränslecell tankad med vätgas, som i sin tur framställts med hjälp av sol- eller vindenergi. En tankning räcker för 50-80 mil.

För att bränslecellsbilen ska bli helt klimatneutral krävs dock att vätgasen tillverkas utan utsläpp av koldioxid, helst med sol- eller vindel.

Björn Wickman menar att bränslecellsbilar passar i en större omställning mot ett samhälle med mer förnybar energi – när mer vind- och solel ska föras in på elnätet. Då behövs nya sätt att skapa balans i nätet, och vätgasproduktion har visat sig vara bra. Vätgasen framställs när det finns mycket sol- eller vindel och kan lagras länge, exempelvis från sommar till vinter.

– Då är det bra med bränslecellsbilar som kan tankas med vätgas som tillverkats när elen var billig, säger han.

I Sveriges finns den hittills största satsningen på vätgas och bränslecellsbilar i Mariestad, vid Vänern. I slutet av maj 2019 invigdes där världens första solcellsdrivna vätgastankstation, på ett fält nära väg E20. Här tankas bland annat kommunens sju bränslecellsbilar.

Tankstationen i Mariestad. Bakom den ligger solcellsparken som tillverkar vätgasen. Bild: Mariestads kommun

Så produceras vätgasen

Vätgas produceras genom att spjälka, dela upp, vattenmolekyler i sina två beståndsdelar – väte och syre. Det sker av el inuti en så kallad elektrolysör och är mycket energikrävande.

För att vätgasproduktionen ska bli miljömässigt hållbar bör sol- eller vindel användas till elektrolysören. Storskalig vätgasproduktion med solel sker till exempel i Mariestad. Där finns en solcellspark bredvid tankstationen för vätgas. Syret förs därefter ut i luften medan vätgasen används som bränsle.

Det är viktigt med hög säkerhet vid all gashantering. Därför finns strikta regler för hur och var vätgasen får produceras, lagras och hanteras. Vanligtvis sker lagringen i trycksatta tankar, för att spara utrymme.

Mariestads kommun har en övergripande satsning på elektrifiering, där man förutom bilar även siktar på att hus och tåg så småningom kan komma att drivas av vätgas. Ännu så länge handlar det om stora investeringar, men med tiden räknar kommunen med att det ska bli lönsamt. Inte minst gällande bilarna.

– Vi kommer att spara pengar när vi kommer upp i ett brytläge på 40-50 bilar i bilpoolen, eftersom driftkostnaden är mycket lägre än med det fossila, säger kommunens utvecklingschef Jonas Johansson.

Utöver personbilar drivs numera även lastbilar, transportbilar, truckar, tåg och båtar av bränsleceller och vätgas. Hos forskningsinstitutet Rise pågår projekt för utveckling av arbetsmaskiner och fartyg med bränsleceller.

”Vätgas behövs i transportsystemet”

– Vätgas börjar komma in som en del i förnybara system nu, det vi ser runtom i världen. Även i Sverige finns jättefina planer på fossilfria transporter år 2030. För att lösa det kommer vi att behöva vätgas någonstans i systemet, säger Anna Alexandersson, forskare och verksamhetsledare för området vätgasteknologi på Rise.

Ett land som länge varit drivande i utvecklingen av bränslecellsbilar är Japan. Staden Tokyo har som mål att visa upp ett fungerande vätgassamhälle under OS 2020 (som nu är uppskjutet till sommaren 2021 på grund av corona-pandemin). Där ska rulla 6 000 bränslecellsbilar, 100 bränslecellsbussar och finnas 35 tankstationer för vätgas. En budget på cirka 3,1 miljarder kronor hjälper till.

Japan har också som mål att det ska rulla cirka 200 000 bränslecellsfordon på vägarna år 2025. (I maj 2016 fanns ungefär 500 bränslecellsfordon i landet.)

Stora biltillverkare satsar på bränslecellsbilar

Flera av de stora biltillverkarna tror på den här typen av fordon och satsar på utvecklingen. Utöver Toyota tillverkar Hyundai, Honda, Renault och Daimler (Mercedes-Benz) bränslecellsbilar i mindre serier. Under 2022 planerar BMW lansering av en vätgasdriven stadsjeep.

Det finns framförallt två bromsklossar för en snabb omställning till bränslecellsbilar. Dels det höga priset – en ny bil kostar i dag minst 700 000 kronor. Dels bristen på tankstationer – i Sverige finns för närvarande fem stycken (i Umeå, Sandviken, Arlanda, Mariestad och Göteborg).

Politiska krav på kraftiga utsläppsminskningar i biltrafiken till år 2030 och bidrag kan hjälpa till att ändra på det.

Dyr platina behöver ersättas

Det behövs också fortsatt utveckling av bränslecellerna, som liksom batterier innehåller sällsynta metaller. En svår nöt att knäcka har varit att ersätta den dyra ädelmetallen platina i bränslecellens katod (motsvarande batteriets minuspol). Platinan behövs för att bränslecellen ska alstra el tillräckligt effektivt.

Så fungerar bränslecellen

Bränslecellen kan beskrivas som ett kemiskt batteri, som ger el och värme. När vätgas och syre från luften möts i bränslecellen börjar elektroner röra sig och ger ström. Enda avgasen blir vattenånga.

Bild: Vätgas.se

En bränslecell har en anodsida (pluspol) och en katodsida (minuspol) som separeras med ett membran. Membranet tillåter bara protoner (positivt laddade partiklar) att passera.
På anodsidan delar en katalysator upp väteatomerna i protoner och elektroner. Elektronerna (negativt laddade partiklar) kan inte passera membranet utan leds till en extern krets där de genererar elektricitet. Protonerna passerar genom membranet. På katodsidan förenas elektronerna och protonerna samt ansluter till syrgas (O2) från luften. Den kemiska reaktionen ger vatten (H2O) och värme.

Framsteg rapporterades av Chalmersforskarna, i samarbete med Danmarks tekniska universitet, för ett par år sedan. Forskarna visade då att en ny tillverkningsmetod kunde bidra till att minska mängden platina i bränsleceller avsevärt – totalt sett med cirka 70 procent.

I stora drag går metoden ut på att komplettera platina med andra metaller, exempelvis yttrium, terbium eller gadolinium (som finns på fler platser i världen). Det görs i en vakuumkammare med hjälp av en teknik kallad sputtring. Resultatet blir en ny sorts nanometertunn film på bränslecellens katod.

Sputtring används redan i industrin och ger goda förutsättningar för masstillverkning. Dessvärre används inte metoden just vid tillverkning av bränsleceller. Där produceras katodmaterialet i stället på kemisk väg.

Effektivare elektroder

– Det är inte så enkelt som att bara byta material. Bränslecellen kan också behöva ändras något. Därför pågår mycket forskning på nya sätt att bygga elektroder, säger Björn Wickman.

Vilken metod att förbättra elektroderna som ”vinner” avgörs av kemisk stabilitet och ekonomi. Tekniken måste vara säker, ge tillräckligt hög utdelning av energi (verkningsgrad) och bli överkomlig i pris.

Massproduktion är viktig för att sänka priset, varför Toyota inriktar sig på det nu. Inom ett decennium räknar bilföretaget med att deras bränslecellsbilar ska kosta ungefär som dagens elhybridbilar.

Text: Marie Granmar på uppdrag av forskning.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Vätgas i tanken kan rädda miljön

 lästid ~ 7 min