Hydrogenbil

16. august, 2016
Hydrogenbil
©iStock.com/Beboy_ltd

En hydrogenbil er en bil som bruker energi hentet fra hydrogengass som drivstoff. Selv om hydrogenbiler i dag er lite utbredt, mener mange forskere og alle de store bilprodusentene at hydrogen vil bli et viktig drivstoff i fremtiden.

Hydrogens egenskaper, og hvordan det brukes som drivstoff

Hydrogengass er en svært energirik gass. Faktisk over tre og en halv ganger så energirik som bensin pr. vektenhet. Men hydrogen er vårt letteste grunnstoff, og har den laveste tettheten av alle gasser ved vanlig atmosfærisk trykk. En kubikkmeter hydrogen veier bare 89 gram, så for at hydrogenet skal ta mindre plass, presser man gassen sammen og øker trykket til 700 atmosfærer før man fyller det på tanken i hydrogenbilene.

 

Det fins to ulike måter å utnytte energien lagret i hydrogen på. De fleste har prøvd å lage “knallgass”- en blanding av hydrogen og oksygen (fra luften), når denne antennes får man en kraftig eksplosjon. Slik forbrenning utnytter blant annet NASA utnytter i romskipene sine. Hydrogen som drivstoff i forbrenningsmotorer (den typen motor vi finner i en vanlig bensinmotorer og dieselbiler i dag) har vært demonstrert i personbiler av bilprodusenten BMW helt siden 1979. Slike biler er veldig lite utbredt i dag, og vil ikke være et tema på denne nettsiden.

 

Når vi snakker om bruk av hydrogen i transportsammenheng i dag, benytter man gjerne en brenselcelle. Dette på grunn av at disse er langt mer effektive enn forbrenningsmotorer. Brenselcellen omdanner kjemisk energi i hydrogen direkte til elektrisk energi, som igjen driver en elmotor. På denne måten kan hydrogenbilen være like miljøvennlig som en batteri-elektrisk bil.

 

Les også: Hydrogen som energibærer (UngEnergi.no)

Se også: Hydrogen (video, UngEnergi.no)

Brenselscelle (PEM celle) 

For å forstå hvordan en hydrogenbil virker, skal vi først se på brenselcellen.

 

Hydrogen har den egenskapen at når det er i nærhet av oksygen, vil begge stoffene alltid prøve å knytte seg sammen og danne H2O (vann). For å utnytte dette spesielle parforholdet har forskere utviklet en genial måte å lage strøm på, nemlig brenselscellen:

 

Tenk deg at vi har hydrogengass på en side av et gjerde (elektrolytten) og Ogass på den andre. Disse to vil gjerne gå sammen for å danne H2O (vann), men atomene klarer ikke å møtes pga. gjerdet som ligger i veien. Dette gjerdet er fullt av små hull. Hydrogenatomene er så desperate etter å danne H2O at de kvitter seg med det ene elektronet sitt og blir til et H+-ion. Da er de nemlig akkurat små nok for å komme seg gjennom hullene gjerdet.

 

Hydrogen består av et elektron og et proton. Når det nå har gitt bort sitt eneste elektron er H+-ionet altså bare et proton. Protoner kan ikke binde seg til andre atomer. Dermed kan det ikke skje noen tilkobling med Omolekylene, for å danne vann. Vi er altså like langt. Hydrogenet og oksygenet kan enda ikke slå seg sammen for å danne vann.

 

For å fullføre reaksjonen, samler vi opp de forlatte elektronene ved hjelp av en håv (anode). Denne håven er koblet til en ledning som fører elektronene rundt gjerdet og inn til H+ partiklene. Disse elektronene er det vi i dagligtalen kaller strøm, og kan utnytte ved hjelp av et elektrisk apparat. Når elektronene ankommer den andre siden av gjerdet, gjenforenes elektron og proton. Hydrogenatomene kan endelig binde seg til Oatomene, og danne vann. Se gjerne animasjonen under.  

 


Get Adobe Flash player

(Illustrasjon laget av UngEnergi)

Avansert forklart

En brenselscelle utnytter kjemisk energi og konverterer den til elektrisk energi i en elektrokjemisk prosess uten normal forbrenning. En membran (elektrolytt) som kun kan lede positivt ladde hydrogenatomer, skiller Hgass og Ogass. De to sidene er koblet sammen av en elektrisk ledning som kan transportere elektroner. Hydrogenets protoner slipper igjennom membranen og reagerer med oksygenet på den andre siden. Elektronene vil gå i de ytre ledningene for å fullføre reaksjonen og knytte atomene sammen. Det er i denne ytre kretsen vi får strøm, som vi kan utnytte i form av elektrisk energi til for eksempel å drive en elektromotor. Avfallsstoffet fra reaksjonen er H2O, med andre ord: det som kommer ut eksosrøret til en hydrogenbil er rent vann.

 

Prosessen kan beskrives slik:

2H2 (g) + O2 (g) = 2H20 (l)

 

Grunnen til at man ser på hydrogen som en miljøvennlig energibærer, er at både selve produksjonen og brukeren av hydrogen kan være miljøvennlig.

 

Les mer om produksjon av hydrogen her

Hvordan virker en hydrogenbil?

©iStock.com/Sjo

Foruten brenselcellen virker en hydrogenbil svært likt en ordinær elbil. Elektrisiteten, produsert i PEM-brenselcellen, driver en elmotor, men kan, i perioder der den lager et overskudd av elektrisitet gå til å lade opp et batteri, som alle disse bilene har. Ved å utnytte brenselcellen til å produsere strøm trenger man mye mindre batteri enn det som kreves i en elbil, som kun utnytter lagret energi i batterier. Dette er en fordel, siden batteri er svært tunge å frakte på. Hydrogenbil er derfor et alternativ de fleste bilprodusenter i dag satser sterkt på.

 

I tillegg til å fjerne store deler av batteriet, gjør også hydrogenteknologien det mulig å kjøre mye lengre på en tank. Dagens brenselcellebiler (FCEVs, eller Fuel Cell Electric Vehicles) går mellom 400-800 km på en tank. Dette gjør at du kun trenger å fylle tanken ca. hver 10 dag, med tanke på gjennomsnittlig kjørelengde hos nordmenn. Og det tar bare 3 min å fylle tanken!

Norge og hydrogenkjøretøy

I Norge ligger det et stort potensiale når det gjelder hydrogenbiler. Både på grunn av god satsing innenfor norsk forskning og gode støttemidler til pilotprosjekter. Men det aller viktigste er at hydrogenbiler, på lik linje med elbiler ikke må betale engangsavgift når de importeres til Norge. I Norge ble for eksempel HyNor-prosjektet åpnet i 2003. Det gikk ut på å legge til rette hydrogenladestasjoner langs veien mellom Oslo og Stavanger. Den 11. mai ble veien offisielt åpnet gjennom rallyet Viking Rally (i dag kjent som ZeroRally, les mer her). HyNor er i dag inne i fase to, og har hovedfokus på å bygge hydrogenstasjoner rundt omkring Oslo-regionen. Slik skal man kunne ta et riktig steg i kommersialisering av hydrogenteknologi til hverdagsbruk innen transport.

 

Norge er også et land med et kjempestort energipotensiale. For å kunne produsere hydrogen trenger man som sagt store mengder energi. En framtidig satsning innen vindmølleteknologi for å produsere blant annet hydrogen, vil kunne gi Norge en mulighet til å bli en stor eksportør av hydrogen til Europa.

 

Hyundai ix35 NTNU

 

 

Utfordringer med hydrogenbil

Hvorfor er det ikke i dag hydrogenbiler ute i drift tenker du? Så mange fordeler rundt hydrogenbilen som det i dag er, burde ikke alle biler gå på hydrogen? Hydrogen er jo noe som har vært nevnt som energikilde i mange år.

 

Det er nemlig en rekke problemer knyttet til hydrogenbilen. Den største hindringen er at det er dyrt å produsere brenselceller. Den mest vanlige formen for brenselcelle (PEM-cellen) bruker edelmetallet platina som katalysator. Platina er en svært sjelden metallsort, vi regner med at det fins ca 30 ganger mer gull enn platina i verden i dag. En hydrogenbil vil derfor på grunn av dette bli svært dyr. Skal man kunne selge den i samme prisklasse som en vanlig bensinbil må man finne en løsning på dette.

Aktuelle lagringsmetoder

Vi har i dag tre aktuelle måter å lagre hydrogen på for å kunne løse dette problemet: Lagring under høyt trykk, lagring i flytende form og lagring i faste materialer.

 

Den mest vanlige måten i dag er å lagre hydrogenet i tanker med svært høyt trykk. På denne måten kan vi oppnå en høyere energitetthet og kan kjøre i større lengder på en fylling.

 

En annen måte, er å kjøle hydrogen ned til svært lave temperaturer. Gjør vi dette vil den kinetiske energien til hydrogenatomene synke, og gassen vil ta opp mindre plass. Problemet med dette er at tankene enten må være svært godt isolert, eller så må vi kjøre rundt med kjølesystemer, som igjen vil minke bilens effektivitet.

 

Den siste, men mest lovende lagringsmetoden, er å lagre hydrogen i et fast stoff. Vi kan sammenligne denne måten å lagre gass på, med at en svamp tar til seg vann. Norske forskere står bak store gjennombrudd i denne teknologien, og har blant annet utviklet flere metallhydrider som egner seg godt til dette. Fordelen med å lagre hydrogenet på denne måten er at det gir en kompakt og svært sikker lagring, uten behov for trykktanker eller kraftig nedkjøling. Dette har vist seg å være den mest realistiske løsningen.

 

Som vi ser er drømmen om hydrogenbilen fortsatt i pilot-stadiet. Store fremskritt er gjort innenfor teknologien, og fyllestasjoner for hydrogenbilen er blitt satt opp mange plasser i Norge. Infrastrukturen er altså godt på vei, og problemene bak brenselcellen og lagringsproblemet er i ferd med å løses. Man skal altså ikke bli overrasket om man ser en FCEV (hydrogenbil) suse forbi deg innen noen år.

 

Vil du lære mer om hydrogenbil og handlingsplaner fremover, ta en titt her: Scandinavian hydrogen 

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
lufttrykket ved havnivå i vår atmosfære. Kan også tenkes som trykket ved bakkenivå i vår atmosfære. Du kan tenke deg at trykket er et mål for hvor mye luft-partiklene som ligger over havoverflaten veier. Dette trykket skrives ofte 1 atmosfære (ATM) eller 1 bar. Dette er måleenheter for trykk.
Energi som finnes i bindingene mellom atomene i et stoff, og som blir frigitt ved fullstendig forbrenning. Eksempler er bensin og mat. Dessuten kan batterier omforme kjemisk energi til elektrisk energi.
I et batteri som er i bruk er anoden den negative polen. Her skjer det en oksidasjon (det avgis elektroner). Når batteriet lades opp er anoden den positive polen.
En elektrolytt er et stoff med frie ioner. Kan f.eks. være vann som består av H+ og OH-. I et batteri er elektrolytten mellom anoden og katoden, og leder ioner (men ikke elektroner) mellom dem.
Et stoff som øker reaksjonshastigheten ved at det senker reaksjonsenergien til stoffene.
Innhold av energi pr masseenhet eller volumenhet, for eksempel kg eller liter. J/kg og J/l er eksempler, men typiske enheter for batterier er kWh/kg eller kWh/l. Du har kanskje sett oppgitt tall som 2400 mAh på noen batterier? Dette angir bare antall elektroner batteriet kan levere. For å få energien batteriet kan gi, så må du gange med spenningen til batteriet. For eksempel, 1,2 V * 2400 mAh = 2,88 Wh, som er typisk energi i et AA NiMH batteri. Et slikt batteri kan holde liv i et lys som bruker 2,88 W i en time.
Bevegelsesenergi: Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.